造紙用水高度循環系統中微細纖維的絮凝與再利用

郭鴻志，龔新懷，吳宗華

(1.福建師范大學 化學與化工學院，福建 福州 350117;2.武夷學院 生態與資源工程學院，福建 武夷山 354300;3.福建省高分子材料重點實驗室，福建 福州 350117)

隨著國家對造紙廢水排放的限制越來越嚴格，多數企業采用造紙水高度循環利用的工藝以滿足排放標準對廢水總量和質量的要求［1-2］。在造紙用水高度循環系統中，微細纖維的絮凝分離是關鍵之一。傳統的聚合氯化鋁(PAC)/陰離子型聚丙烯酰胺(A-PAM)二元絮凝劑具備用量小、絮凝作用大等優點，但在高度循環系統中，無機離子的不斷積累不僅影響抄紙工藝的順利進行，也造成設備的嚴重腐蝕。開發適用于造紙用水高度循環的絮凝劑成為亟待解決的技術難題。

本研究應用超分子復合法的原理，開發了系列氧化淀粉(OS)與陽離子聚合物(YJ)的復合物絮凝劑，對廢水中的微細纖維具有優良的絮凝作用，且適量的絮凝廢渣回用在抄紙漿料中，還提高紙張的機械強度，為絮凝廢渣的利用開辟了一條新路徑。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

造紙廢水，取自某企業的造紙用水循環度達95%的廢水集積池，性質見表1;紙漿，取自該企業的漿池，打漿度為33°SR;PAC、陰離子型聚丙烯酰胺(A-PAM，水解度為30%，相對分子質量為1 200萬)、陽離子聚合物YJ1 和YJ2(其相對分子質量分別為40 萬和100 萬)均為工業品;氧化淀粉，自制［3］。

PHB-8 型筆式pH 計;ZBY149-83 電熱恒溫鼓風干燥箱;QZ-201 型散射式濁度儀;WZL-300 紙張拉力儀;DYSY-21 壓縮實驗儀。

表1 造紙廢水的基本性質Table 1 The fundamental nature of paper-making wastewater

1.2 OS/YJ 復合物的制備

稱取一定量的YJ 和OS 于燒杯中，加適量水，置于90 ℃的水浴鍋中攪拌糊化，攪拌速度為25 r/min。30 min 后取出，自然冷卻到室溫，配制成10 g/L 的復合物溶液。

1.3 廢水的絮凝實驗

1.3.1 添加OS/YJ 復合物 取250 mL 造紙廢水，攪拌下加入OS/YJ 復合物，快速攪拌1 min，再慢速攪拌4 min，靜置30 min 后測定濁度。

1.3.2 添加PAC/A-PAM 取250 mL 造紙廢水，依次加入PAC 和A-PAM，快速攪拌1 min，再慢速攪拌4 min，靜置30 min 后測定濁度。

1.4 絮凝廢渣回用抄紙

稱取定量絮凝廢渣，替代再生纖維抄紙，并測定紙張的抗張強度和環壓強度。

1.5 分析方法

1.5.1 廢水的pH 值 參照GB/T 6920—1986 測定。

1.5. 2 廢水的固體懸浮物濃度 參照GB/T 11901—1989 測定。

1.5.3 廢水的陰、陽離子需求量 參照文獻［4］測定。

1.5.4 廢水的濁度 參照GB/T 13200—1991 測定。

2 結果與討論

2.1 PAC/A-PAM 的絮凝效果

用濁度表征絮凝劑對廢水的絮凝效果。

2.1.1 OS/YJ 復合物的絮凝效果 用系列OS/YJ復合物考察了廢水濁度與SS 含量的關系，結果見圖1。

圖1 OS/YJ 處理時廢水濁度與SS 關系Fig.1 Relation between turbidity and SS with OS/YJ disposed

由圖1 可知，在OS/YJ 復合物用量為100 mg/L條件下，隨著復合物中YJ2 含量的增加廢水的SS 和濁度呈先下降后上升的趨勢，在YJ2 含量比30%時，SS 和濁度最小，廢水濁度變化規律與SS 含量基本一致。

2.1.2 PAC/A-PAM 二元絮凝劑的絮凝效果

PAC/A-PAM 二元絮凝劑的絮凝效果，結果見圖2。

圖2 PAC 和A-PAM 用量對絮凝效果的影響Fig.2 Effects of PAC-APAM’s dose on the flocculant performance

由圖2 可知，PAC 或A-PAM 單獨添加時，廢水的濁度均隨絮凝劑用量的增大而減小。當PAC 和A-PAM 先后添加時，絮凝效果比單獨使用時的效果大，在PAC 和A-PAM 的用量分別為100 mg/L 和8 mg/L 時，廢水的濁度最小，表明PAC/A-PAM 二元絮凝劑對該廢水有較好的絮凝效果。

2.2 OS/YJ 復合物的組成和絮凝效果

在OS/YJ 復合物用量為100 mg/L 的條件下，考察了氧化度不同的3 種氧化淀粉與不同量的陽離子聚合物YJ1 和YJ2 所形成的復合物的絮凝效果，結果見圖3、圖4。

圖3 OS/YJ1 的組成與絮凝效果Fig.3 Effects of OS/YJ1’s ratio on the flocculant performance

圖4 OS/YJ2 的組成與絮凝效果Fig.4 Effects of OS/TJ2’s ratio on the flocculant performance

由圖3 可知，OS 的氧化度對復合物的絮凝效果影響較小，但YJ1 含量的影響大。在m(OS)∶m(YJ1)=7∶3 時，復合物的作用效果最大，其后增大YJ1 的用量，廢水濁度反而增大。這可能是YJ1 用量大于最佳配比后，廢水呈陽電性，增加了微細纖維之間的排斥分散。

YJ2 與YJ1 為同系物，但YJ2 的相對分子質量比YJ1 的大。

由圖4 可知，OS/YJ2 復合物的絮凝效果比OS/YJ1 的好，且m(OS)∶m(YJ1)=8∶2 至6∶4 內，廢水濁度變化小。此外，在OS/YJ2 復合物中，氧化程度高的OS3 所形成的復合物的絮凝作用最大。

2.3 OS/YJ 復合物的用量與絮凝效果

基于前述的研究結果，制備了m(OS)∶m(YJ)=7∶3 的復合物，考察了其用量與絮凝效果的關系，結果見圖5、圖6。

圖5 OS/YJ1 復合物的用量與絮凝效果Fig.5 Effects of OS/YJ1’s dose on the flocculant performance

圖6 OS/YJ2 復合物的用量與絮凝效果Fig.6 Effects of OS/YJ2’s dose on the flocculant performance

由圖5 可知，YJ1 與3 種氧化淀粉組成的復合物對廢水的處理效果基本相同，均在用量為100 mg/L時，廢水的濁度最小，降至60 NTU。

由圖6 可知，氧化淀粉的氧化度對OS/YJ2 復合物的絮凝效果影響較大，OS3/YJ2 的作用效果最好，在用量為100 mg/L 時，廢水濁度為40 NTU，接近PAC/A-PAM 二元絮凝劑的作用效果。

2.4 OS3/YJ2 絮凝廢渣的回用性能

在用水高度循環抄紙系統中，絮凝廢渣的再利用是企業減少排放，降低造紙成本的重要途徑［2］。本研究所涉及的抄紙系統將絮凝廢渣用于掛面箱板紙的生產。為了考察OS3/YJ2 復合物與PAC/APAM 二元絮凝劑的絮凝廢渣替代纖維的可行性，測定了廢渣添加量對紙張抗張強度及環壓強度的影響，結果見表2。紙張定量為120 g/m2。

表2 絮凝廢渣替代量對紙張強度的影響Table 2 Effects of circulation content of flocculation residue on paper strength

由表2 可知，PAC/A-PAM 二元絮凝劑所形成的廢渣用于抄紙時，紙張抗張強度和環壓強度均隨添加量的增大而下降。OS3/YJ2 復合物的絮凝廢渣在替代量小于4%時，紙張強度不僅不下降反而增大。在替代量為2%時，紙張抗張強度增加近8%，紙張環壓強度增加11%，表明OS3/YJ2 的絮凝廢渣可作為強度劑來提高箱板紙和瓦楞紙的紙張強度。

上述研究結果表明，OS3/YJ2 復合物和PAC/APAM 二元絮凝劑在用量為100 mg/L 時，絮凝效果最大，且基本相同。OS3/YJ2 的使用成本雖大于PAC/A-PAM 的，但無機離子含量遠小于后者。使用OS3/YJ2 復合物可解決用水高度循環抄紙系統中無機離子積累的問題。此外，OS3/YJ2 絮凝廢渣替代紙漿的經濟效果可補償其使用成本的增加。

3 結論

(1)OS3/YJ2 復合物對高度循環造紙廢水的絮凝效果大，用量為100 mg/L 時絮凝效果最好。

(2)OS/YJ 復合物中OS 的氧化度對絮凝作用的影響較小，而YJ 的相對分子質量的影響大。

(3)用OS3/YJ2 形成的絮凝廢渣替代2%纖維時，紙張的抗張強度增加8%，環壓強度增加11%。

［1］ 盧玉棟，曾祥庚，陳少平.箱紙板生產用水高度循環對AKD 施膠的影響［J］.中國造紙學報，2011(3):9-11.

［2］ 龔新懷，翁景崢，陳躍涼，等.紙箱板零排放生產工藝的應用［J］.紙和造紙，2004(1):63-66.

［3］ 龔新懷，吳宗華.芭蕉芋氧化淀粉的制備與性質［J］.造紙科學與技術，2009(5):50-53.

［4］ 王秋云，王立軍.簡便的紙料電性分析方法［J］.紙和造紙，2005(3):80-83.