脫墨工藝水浮選：提高脫墨和生產效率的創新方案

脫墨線工藝水中高濃度且不受控制的表面活性物質（SAS）對浮選脫墨有著很大的負面影響。SAS在空氣與水以及油墨與水界面處的吸附穩定了氣泡和油墨顆粒，減少了浮選過程中的油墨收集。另外，SAS引起的泡沫穩定化減少了泡沫的排水，并因此增加了懸浮固體的損失。采用改進后的浮選工藝用水是降低SAS濃度并由此提高浮選脫墨選擇性的有效方式：將脫墨紙漿生產線的第一回路中用于生產新聞紙的透明濾液進行水浮選，在穩定狀態下，這種處理方法使第一回路工藝水中SAS濃度降低了20%。在浮選前后對油墨去除選擇性進行評估，發現與基準值相比選擇性有著顯著的改善。在試驗期間，工廠可以生產油墨含量較低的紙漿，因此紙漿能夠具有較高的白度，或者當白度水平不變時，產量會提高1%～2%，成本會有明顯的降低；此外，還帶來很多其他有利之處，比如減少了脫墨過程中化學品（氫氧化鈉、硅酸鹽和漂白劑）的消耗以及改善了造紙機運行性能，特別是能夠減少由膠粘物而引起的斷紙故障。

在脫墨線中，表面活性物質（SAS）的濃度通常較高。這些活性物質有很多的來源，主要來源于紙漿以及造紙工藝流程中的添加劑，例如脫墨化學品、分散劑（涂料染料、膠料等）和消泡劑，另外來源于一些纖維本身所釋放的脂肪酸和樹脂酸等。機械漿以及廢紙漿中存在的SAS的量是非常多的。對于廢紙漿而言，其SAS的存在量取決于廢紙的等級，另外還取決于回收過程中的堿用量。

在工藝水中存在的SAS降低油墨的去除率以及纖維產量。圖1表示了浮選中SAS濃度的增加會降低油墨的去除率。

圖1 SAS濃度對油墨浮選速率常數以及泡沫排水系數的影響

由圖1可見，當SAS濃度增加時，泡沫排水系數δ也隨之降低，這意味著會產生更穩定的泡沫，從而導致浮選損失的增加。

SAS的不利之處在于SAS吸附在疏水表面時，會降低油墨粒子和氣泡的吸附能力，并通過泡沫穩定作用阻止油墨粒子從纖維上徹底剝離從而難以分散在紙漿懸浮液中。

將SAS注入到廢棄的泡沫中能夠降低工藝水（實驗室批次、小試和中試）中的SAS濃度并提高浮選脫墨效率以及選擇性。如圖2所示，根據所采用的浮選技術，通過水浮選方式SAS的去除率可以從35%增加到70%。

圖2 脫墨工藝水浮選過程中各種浮選池中SAS的去除率比較

在實驗室水平下也對通過這種處理工藝水的方法對浮選脫墨效率所產生的影響進行了評估，實驗結果表明：油墨去除率有所改善，浮選損失也明顯減少。油墨去除效率相當于脫墨浮選期間的總損失的固體，通過2種類型的實驗室浮選池來表示對工藝水（未浮選水與浮選水）性質的影響。實驗結果如圖 3所示[（a）為 Voith池，（b）為 Klab池]。

圖3 通過2種類型的實驗室浮選池來表示對工藝水（未浮選水與浮選水）性質的影響

另有研究報道了在熱磨機械漿（TMP）新聞紙廠中實施的柱浮選長期工廠試驗的結果。據稱該方法對于處理過的濾液中所含的樹脂材料（大部分具有類似于SAS的結構）的去除是非常有效的。浮選柱的去除效率在30%～45%。

某研究機構曾經強調過釋放表面活性物質對油墨浮選選擇性的重要作用，并申請了一項專利，旨在通過適應性的浮選工藝來從工藝水中去除這些表面活性物質。雖然實驗結果已在實驗室以及中試規模下進行了確定，但是這種處理方式對工業流程運行的真正影響還沒有被完全量化。如果能夠完全量化，那么就能夠以工廠規模來對這種處理方法進行評估。本文報道了這些試驗的主要結果，重點是降低工藝水中的SAS濃度以及提高脫墨選擇性；另外還有化學品消耗和紙漿運行性方面的一些有利影響。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗部分

在生產脫墨漿（DIP）和熱磨機械漿（TMP）的新聞紙脫墨機中進行試驗。該廠擁有2條傳統的雙回路脫墨生產線。2條線中的一條停止后進行預浮選，然后用于處理來自另一條仍在運行的脫墨線的第一回路水的一部分。圖4表示的是工廠試驗示意圖（僅用碎漿機浮選和濃縮進行代表）。

圖4 工廠試驗示意圖

處理后的第一回路的濾液流量為610 m3/h，相當于第一回路中可用水量的25%。產生的泡沫通過污水處理裝置從工廠中排出，排出的泡沫流量估計為進入量的12%，相當于每噸DIP產生額外的2.9 m3廢水。處理水的總懸浮物質量濃度為1.2 g/L。

1.2 水浮選過程的表征方法

基于拉普拉斯定律，采用表面張力測試儀并使用最大氣泡壓力法測量表面張力，平均氣泡壽命設定為15 s。在任何情況下，水溫為25℃時都會產生表面張力。該測量方法用于評估水中的SAS濃度。

SAS的去除率可以通過測量表面張力來確定。測量（動態測量）連續稀釋的水浮選漿渣（SAS的濃度較高）的表面張力。因此能夠畫出一條稀釋曲線來說明表面張力隨泡沫稀釋率的變化情況。然后，通過測量入口漿和浮選良漿中泡沫的表面張力使我們能夠估計浮選漿渣中的SAS濃度。SAS的去除率是利用浮選流量平衡時入口漿、良漿以及漿渣的相對SAS濃度確定的。通過測量入口漿、良漿以及漿渣中的濾液池的灰分來確定總懸浮固體（TSS）的損失。根據以下等式進行計算：

1.3 浮選脫墨的表征方法

在試驗之前先設定基線，然后分別在3、16、20和24 h的試驗期間觀察浮選前后的油墨去除率以及TSS的損失量。

通過有效殘余油墨濃度（ERIC）來判斷油墨去除速率，并且對試驗期間產生的紙漿襯墊進行白度測量。使用ERIC值和TSS質量流量來計算油墨平衡值。油墨質量流率等于有ERIC與紙漿質量流率的乘積。

在水浮選的產率計算方法中已經提出，可以使用測量灰分的方法來確定TSS的損失量。除了這些實驗室測量方法之外，也在試驗前、后收集了不同工段的ERIC和白度的工廠記錄值。

2 結果與討論

2.1 水浮選效率

水浮選效率主要由SAS去除率來決定。測量入口漿的表面張力以及在試驗不同時間（分別為3、16、20和24 h）的漿渣，基于浮選漿渣來計算稀釋曲線。所有測量的漿渣水流量估計為12%。

表1顯示了SAS的去除率。在第一回路中，水浮選只能處理總可用水量的25%。考慮到回流處理后的內部回路以及第一回路末端的漿濃，通過一個簡單的模擬可以發現與基準值相比，進入預浮選的SAS的量減少了20%。

表1 在浮選試驗期間SAS的去除率

SAS的減少量可以通過試驗期間不同位置測量的表面張力來證實，具體結果如圖5所示。

圖5 在浮選試驗期間浮選前后表面張力的變化

從這些測量中可以清楚地看出，水浮選一旦開始，第一回路和第二回路的表面張力均有所增加，從而也表明SAS的濃度在降低。

2.2 對脫墨效率的影響

SAS濃度的降低會改善浮選效率以及油墨選擇性。為了驗證這一結論，在試驗期間對浮選前后進行油墨和總懸浮固體（TSS）平衡。

2.3 對預浮選的影響

在試驗期間測定油墨去除率以及TSS的損失量，并與基準期（T0）進行比較。圖6顯示了在水浮選過程中油墨去除率與TSS損失的關系。

圖6 在水浮選過程中油墨去除率與TSS損失的關系

由圖6可知，水處理帶來了2個積極影響：

（1）在不同的試驗時間下，油墨去除率均高于無水浮選情況下所達到的水平，為65%～66%比62%；

（2）在較短的試驗時間內，同一水平或較低的懸浮固體損失能夠獲得額外的油墨去除率。

此外，當浮選產生的懸浮物損失計入預浮選損失時，情況也是如此。

因此，油墨去除率和預浮選步驟的選擇性得到了改善。圖7表示選擇性因子（油墨去除率/TSS去除率）的變化（表示當TSS的損失為1%時油墨的去除率）。如果同時考慮到水浮選過程中產生的損失，則選擇性因子會從預浮選中的5增加到6，或者從5增加到5.5。

圖7 在浮選試驗期間預浮選選擇性因子的變化

在這項試驗中，第一回路處理水中含有高濃度的懸浮固體（質量濃度為1.2 g/L）。盡管如此，但因為主要目的是為了去除SAS，所以推薦處理具有較低懸浮固體濃度的水流，因此澄清的濾液應該是最合適的。

預浮選后的脫墨漿的光學性質有了明顯的改善；殘余油墨的質量分數從290×10-6降低到255×10-6，而且白度也有所增加。圖8表示在試驗期間收集的紙漿樣品以及在第2次浮選結束時通過工廠的在線傳感器測量的白度變化，結果顯示白度增加了1～2百分點[圖8（a）顯示的是在襯墊上進行的離線測量，報告入口漿到良漿的白度變化；圖8（b）顯示的是第一個回路結束時通過工廠傳感器測量的白度值]。

圖8 預浮選中白度的變化

預浮選的第2階段可以更好地來解釋預浮選過程中觀察到變化。圖9表示了在試驗期間第2階段入口和出口的油墨含量的變化情況。入口漿油墨濃度的增加與初始階段的油墨去除率以及選擇性相一致。而且，盡管入口漿的油墨濃度增加了，但是良漿油墨濃度降低，這表明在第2階段油墨的去除和選擇性更好。由于SAS集中在第2階段，因此這個階段對于SAS濃度的變化非常敏感。

圖9 第2階段入口漿和良漿的ERIC變化

2.4 對浮選后的影響

預浮選中，在試驗期間確定油墨去除率和TSS去除率，并與基準期進行比較，試驗結果如圖10所示。

圖10 在浮選試驗中油墨去除率與TSS去除率的關系

與預浮選相反，當開始水浮選時，油墨去除率稍微降低。這可能是因為泡沫的穩定性降低，但是這也有利于油墨顆粒回流到懸浮液中。同時也觀察到TSS損失量的減少。總的來說，浮選后的選擇性更好（試驗期間的選擇性因子從6.5到7，基準期從6.1到6.3）。浮選后油墨的去除量可以通過在第一回路結束時達到的較低的剩余油墨量來補償，從而導致最終紙漿的光學性質接近基準期所測量的值，結果如圖11所示。

由于浮選前后所產生的損失較低，因此紙漿的產量有所提高。如圖12所示，當所生產的紙漿的光學性質相同時，產量提高了約2%。

2.5 其他影響

水浮選除了提高脫墨效率外，還能減少紙漿中的膠粘物質。在基準期和試驗期間測量紙漿的二氯甲烷提取物的含量，如圖13所示。

圖11 試驗期間最終脫墨漿白度與ERIC的關系

圖12 最終紙漿質量（白度和油墨含量）與TSS損失的關系

圖13 水浮選不同位置紙漿二氯甲烷提取率的變化

在所有測試樣品（浮選前的入口漿和良漿，浮選后的入口漿和良漿以及最終脫墨漿）中，紙漿中的二氯甲烷提取率均明顯降低。改進的結果是去除了工藝用水中的微小黏附劑。而且在試驗中處理過的濾液中含有相當豐富的懸浮固體（質量濃度約為1.2 g/L，主要是填料）。這可以用紙漿質量的改善來解釋試驗期間以及試驗后造紙機的運行性能的提高。

在試驗期間觀察到制漿過程中的pH有所提高。因此，紙漿廠必須減少碎漿機中添加的堿源（氫氧化鈉和硅酸鹽），以保持pH在同一范圍內，如圖14所示。這可能是因為水的曝氣，水的曝氣作用于不同的參數時能去除二氧化碳和揮發性脂肪酸，并減少厭氧條件，從而減少細菌產生揮發性脂肪酸。另外在碎漿機出口處會存在殘余的過氧化物，雖然在通常的條件下很少會被觀察到，但這也是一種積極影響。

圖14 在浮選試驗期間pH、氫氧化鈉和硅酸鹽用量的變化

3 結論

（1）浮選工藝是一種降低脫墨線中SAS濃度的有效方法。這個方法在工業規模上獲得了成功的測試，具體是在用于生產新聞紙的第一回路的清潔濾液進行了浮選試驗。在穩定狀態下，在第一回路中處理25%的工藝水可使SAS濃度降低20%，而固體損失也非常有限。

（2）漂浮工藝用水對脫墨線有2個主要影響：①提高了脫墨選擇性，對應的白度提高了1～2百分點，但產量保持不變；或者產量提高1～2百分點，白度則保持在同一水平。②減少了脫墨和漂白化學品的消耗量：氫氧化鈉減少了30%，硅酸鹽減少了35%，漂白劑減少了80%。

（3）經濟成本計算考慮了DIP生產的各個方面：原材料成本，能源和化學品消耗，廢渣管理以及產量。根據工廠的實際，必須考慮2種情況：①如若工廠希望提高白度，同時保持產量在同一水平，在這種情況下，當增加水浮選時，估計增益為1.2歐元/t；②如若工廠希望提高產量，同時保持白度在同一水平，在這種情況下，增益估計為3歐元/t。第2種情況似乎更具吸引力，但是第1種情況能夠大幅減少漂白成本，而且可能對造紙機的運行產生非常積極的影響，然而這些積極影響并沒有計算在內。