热分散处理条件对胶黏物分散与后续去除的影响第2部分溶解物质、胶体物质和悬浮固形物的产生与去除

2011-11-21于海龙张凤山秦梦华

中国造纸 2011年9期

关键词：浆料黏性间隙

于海龙高扬，张凤山秦梦华

(1．山东轻工业学院制浆造纸科学与技术省部共建教育部重点实验室，山东济南，250353;2．华泰集团有限公司，山东广饶，257335)

热分散处理条件对胶黏物分散与后续去除的影响第2部分溶解物质、胶体物质和悬浮固形物的产生与去除

于海龙1高扬1，2张凤山2秦梦华1

(1．山东轻工业学院制浆造纸科学与技术省部共建教育部重点实验室，山东济南，250353;2．华泰集团有限公司，山东广饶，257335)

通过改变热分散系统的处理温度、齿盘间隙以及进浆浓度，研究了废纸脱墨浆中溶解和胶体物质 (DCS)以及悬浮固形物 (SS)的含量及其变化，讨论了随后的后浮选过程对这些成分的去除效果。研究结果表明，提高处理温度、减小齿盘间隙或增加进浆浓度，都能使热分散处理后浆料中的DCS含量显著增加，构成DCS的溶解物质 (DS)和胶体物质 (CS)含量也相应分别增加。在温度为100℃、齿盘间隙为0．3 mm、进浆浓度为30%时，与进入热分散机之前浆料中的含量相比，DCS增加了13．6% ～16．8%，DS增加了5．7% ～5．9%，CS增加了60．7% ～65．3%。然而，热分散之后虽以CS的增加量为多，但浆料中DCS的主要构成仍是DS。热分散之后浆料水相中的SS含量显著增加，达到了21．7% ～26．0%。后浮选过程可以有效去除SS，去除率达到45．2% ～46．7%，CS的去除率仅为6．1% ～6．8%，浮选过程难以去除DS。

热分散;胶黏物控制;溶解和胶体物质;悬浮固形物

现代化造纸机系统具有很高程度的用水封闭循环，随着运行时间的增加和白水循环次数的增多，水中存在的黏性物质会逐渐积累，进而影响到造纸机的运行以及纸张的质量。这些影响主要包括:降低造纸用阳离子助剂的作用效率;胶体和溶解物质失稳产生絮聚，形成次生胶黏物并产生沉积，堵塞造纸成形网和压榨毛毯，黏附在压榨辊、烘缸、压光辊表面，给生产操作造成障碍，增加停机次数和清洗时间，以及导致纸张质量问题等［1-2］。这类黏性物被称为溶解和胶体物质 (Dissolved and colloidal substances，DCS)或阴离子垃圾 (Anionic trash)，主要来源于木材的原生化学组分、造纸过程中添加的化学品以及合成聚合物等。对于废纸回用制浆来说，还包括了纸张加工和使用过程中引入的涂布黏合剂、印刷油墨黏合剂、热熔胶、压敏胶等化学成分［3］。

对于废纸回用生产新闻纸的过程来说，脱除油墨和控制胶黏物是两大关键技术问题。其中，黏性物质及其引发的问题更为显著。黏性物质从粒径上可以分为大胶黏物、细小胶黏物和微细胶黏物［4-5］，从来源上可以分为原生胶黏物和次生胶黏物。次生胶黏物则主要来源于纸浆悬浮液中的溶解物质(DS)和胶体物质 (CS)。当温度、pH值或者化学环境发生变化时，这类黏性物质会发生失稳，导致次生胶黏物的产生，从而加剧了胶黏物问题的危害［6］。大胶黏物的去除主要通过精筛选过程，细小胶黏物则需要被分散成为粒度更为细微的微细胶黏物，而后通过后浮选过程去除［7-8］。水相中呈溶解和胶体状态存在的黏性物质，则难以通过筛选和浮选方式去除，如果留在浆水体系中，就会给造纸生产过程带来危害［9-10］。

废纸脱墨制浆的生产流程中设置热分散机，目的就是利用热能和机械作用将仍存在于浆料中的胶黏物和油墨微粒进一步分散，以使这些杂质成分在随后的后浮选过程中能够得到有效地去除［8，11］。但是，热分散过程的同时，由于胶黏物的碎解和分散，呈溶解和胶体状态的黏性物质含量将会增加。本课题以废纸脱墨浆生产线的热分散系统为研究对象，通过改变处理温度、齿盘间隙以及进浆浓度等条件，研究了热分散之后浆料中存在的DS、CS以及悬浮固形物 (SS)，并且检测了这些黏性物质在后浮选过程中的去除效果，期望研究结果能为废纸回用造纸中DCS的控制提供有用的借鉴。

1 实验

1.1 热分散条件及其取样

热分散处理温度在70～100℃变化，变化间隔为10℃;齿盘间隙分别设定为 0．3、0．4、0．5和0．6 mm;进浆浓度分别为20%、25%和30%。考察上述热分散条件改变时对浆中黏性物质的影响。后浮选单元的操作温度为50～60℃，浆料浓度约为 1．0% ～1．5% ，pH 值控制在 7．4 ～ 8．0。取样点分别为热分散机的进口和出口、后浮选之前和之后。

1.2 DCS的检测

取相当于10 g绝干浆的原浆试样，加入去离子水稀释，得到浓度为1%的纸浆悬浮液。在60℃下搅拌1 h后，移入动态滤水性测定仪 (DDJ，200目滤网)进行分离。量取50 mL滤液，煮沸浓缩并于105℃蒸发除去水分，所得到的残余固形物即为总固形物 (TS)。另取50 mL滤液，用高速离心机于2000 r/min分离20 min，取出上层清液，于105℃蒸发除去水分后，所得残余固形物即为DCS。移取上层清液经0．22 μm微孔滤膜过滤，所得滤液于105℃蒸发除去水分后，得到的残余固形物即为DS。CS的含量由DCS与DS的含量计算所得。上述DCS的含量是基于3～6次检测的平均值。

1.3 SS含量的计算

计算关系:TS=SS+DCS，故 SS=TS-DCS;DCS=CS+DS，故 CS=DCS-DS。

2 结果与讨论

废纸脱墨浆中DCS的构成十分复杂［1，3］，既包括纸浆纤维中溶解出来的木材原生化学组分，如树脂酸、脂肪酸、甾醇、甘油酯等，也包括纸张生产过程中添加的干强剂、湿强剂、施胶剂等，此外还有纸张加工和使用过程中引入的有机合成物如热熔胶、压敏胶、油墨黏合剂、涂布黏合剂等。造纸机用水的封闭循环会造成DCS的积累，进而对造纸生产操作带来危害，包括:①由于DCS通常呈负电性，会影响造纸湿部化学环境，降低阳离子助剂的作用效果;②带有负电荷的胶体微粒与极性的水分子之间产生水化作用，减弱了其与微气泡之间的吸附，使之难以通过浮选去除;③在温度、pH值或者化学环境发生变化时，导致次生胶黏物的产生与沉积，加剧胶黏物引发的问题。因此，在热分散机操作条件改变时，既要研究大胶黏物、细小胶黏物和微细胶黏物的状况，也要研究DS、CS及SS的含量变化，讨论它们之间的关联，以便为生产实际中选择有效措施控制这类黏性物质提供基础依据。

2.1 热分散条件对浆中DCS的影响

改变热分散机的操作条件，包括处理温度、齿盘间隙以及进浆浓度，研究热分散处理前后浆中DCS、DS和CS含量及其变化，检测数据如表1～表3所示。

从表1～表3可以看出，热分散处理之后的脱墨浆中，DCS含量显著增加，构成DCS的DS和CS含量也相应分别增加。而且，随着处理温度的提高、齿盘间隙的减小或进浆浓度的增加，热分散之后浆料中DCS、DS和CS含量的增加幅度逐渐加大。当处理温度从70℃提高至100℃时，DCS的增加率从5．1%提高至13．9%，DS的增加率从 1．9%提高至 5．7%，CS的增加率从24．6%提高至63．9%。当齿盘间隙从0．6 mm减小至0．3 mm时，DCS、DS和CS的增加率分别从7．4%提高至13．6%、从4．0%提高至5．9%，以及从27．9%提高至60．7%。同样，当浆料浓度从20%增加至30%时，DCS的增加率从6．1%提高至16．8%，DS的增加率从 2．1%提高至5．9%，CS的增加率从24．5%提高至65．3%。综合考虑，在温度为100℃、齿盘间隙为0．3 mm、进浆浓度为30%的条件下，由热分散导致的DCS含量的增加幅度最大，达到13．6% ～16．8%。

表1 处理温度与浆中DCS、DS和CS含量

表2 齿盘间隙与浆中DCS、DS和CS含量

表3 进浆浓度与浆中DCS、DS和CS含量

从表1～表3还可以看出，进入热分散机之前的浆料中，DS约占DCS含量的82% ～88%，而CS仅占DCS含量的12%～18%，亦即在DCS的构成中是以DS为主的。但是，经过热分散之后，DS和CS增加率的变化却有所不同。在温度100℃、齿盘间隙0．3 mm、浆料浓度30%时对脱墨浆进行热分散处理，大约有5．9～9．0 mg/50 mL的胶黏物被分散成为DCS，其中包含了1．5 ～2．6 mg/50 mL 的 DS以及4．4～6．4 mg/50 mL的CS。由此可见，在被分散的胶黏物产生的DCS中，以CS的含量为主，约占DCS增加量的71%～75%。同时也应该看到，在经过热分散之后虽然以CS的增加量为多，但是浆料中DCS的主要构成仍然是DS，约占DCS含量的74% ～80%。

经过热分散处理之后浆料中DCS含量的增加，一方面是浆料中较大尺寸的胶黏物和油墨微粒在热能和机械摩擦力的作用下被进一步碎解和分散，另一方面也包括了原先吸附于纸浆纤维的胶黏物和油墨微粒在热能和机械摩擦力的作用下发生剥离而进入水相。

2.2 热分散条件与后浮选中DCS的去除

在本研究的第1部分，专门研究了热分散处理对胶黏物形态的影响，以及它们在后浮选中的去除，为了探讨热分散条件变化与后浮选中DCS的去除情况，研究了后浮选过程中DCS、DS以及CS含量变化，检测数据如表4～表6所示。

从表4～表6可以看出，后浮选过程可以除去一部分CS，去除率约为6．1% ～7．1%。而DS几乎不能通过浮选过程得以去除，去除率仅为0．1% ～1．6%。由前面的数据分析得知，DS是构成DCS的主要成分，因而经过后浮选之后的DCS含量降低幅度十分有限，去除率仅为0．6% ～1．6%。此外，热分散条件的改变，也几乎不影响DCS在随后的后浮选过程的去除效果。可以这样解释:设置浮选单元的原理和目的，是基于微气泡吸附浆料中的油墨微粒和微细胶黏物，将其浮升至液面而加以分离。但是，微粒的粒径直接影响着微气泡对其的吸附效果。根据文献报道［7-8］，适宜于被微气泡吸附的微粒粒径应在10～150 μm。DCS的粒径通常小于10 μm，而且具有很大的比表面积，表面带有负电荷，具有胶体的典型特性，与微气泡之间的吸附作用差，因而难以通过浮选过程而去除。

表4 处理温度与后浮选去除DCS、DS和CS的效果

表5 齿盘间隙与后浮选去除DCS、DS和CS的效果

表6 进浆浓度与后浮选去除DCS、DS和CS的效果

这也是为什么在废纸脱墨制浆流程中虽然采用了精筛选、前浮选、热分散以及后浮选等多种方式处理黏性物质和油墨微粒，但是胶黏物引发的问题依然存在，并给造纸机系统的运行造成严重困扰。作为导致次生胶黏物产生的潜在来源物，存在于浆水体系中的DCS已难于利用物理方式去除，需要采用物理化学方式等其他途径予以控制［12-13］，例如采用胶黏物定着剂，将黏性物质吸附于纸浆纤维，随同抄造的纸页带出造纸机系统，就是一种合理的途径。

2.3 热分散条件与浆中SS及其在后浮选中去除的影响

废纸脱墨浆的水相中SS的构成十分复杂，不仅包括黏性物质微粒和油墨微粒等成分，也包括浆料中的细小组分和填料等。为此，考察了热分散处理前后的SS含量变化，以及在后浮选中的去除情况，检测数据如表7～表9所示。

从表7～表9可知，随着处理温度的提高、齿盘间隙的减小或进浆浓度的增加，热分散之后浆料水相中的SS含量显著增加。当处理温度从70℃提高至100℃时，SS的增加率从12．2%提高至26．0%;当齿盘间隙从0．6 mm减小至0．3 mm时，SS的增加率从12．0%提高至23．1%;同样，当进浆浓度从20%增加至30%时，SS的增加率从 13．8% 提高至 21．7%。

上述研究表明，处理温度为100℃、齿盘间隙为0．3 mm及进浆浓度为30%时，热分散处理之后浆料水相中SS的增加幅度最大。在此条件下，结合表1～表3所示的DCS增加量 (5．9 ～9．0 mg/50 mL 滤液)，可以看出SS的增加量 (27．0～31．9 mg/50 mL滤液)显著为高，表明了粒径较大的胶黏物及油墨微粒更多地是被分散成为SS形态，这对于黏性物质在后浮选过程中被去除是有利的。检测结果亦证实了这一点:表7～表9中的数据表明，45．2% ～46．7%的SS在后浮选过程中被去除。当然，增加的SS中也可能包括了热分散中机械作用从纤维上剥离下来的细小组分。除此之外，其余的SS也可以通过水循环系统中设置的微气浮单元而去除。根据文献［14］介绍，在微气浮单元中，SS的去除率可以达到80%以上。因此，浆料中的大胶黏物除了被热分散机分散和碎解成为微细胶黏物之外，所分散成的 SS即粒径约为10～150 μm的SS，可以通过后浮选过程以及水循环的微气浮单元得以去除，这也是去除黏性物质有效方式的组成部分。

表7 处理温度与后浮选去除SS的效果

表8 齿盘间隙与后浮选去除SS的效果

表9 进浆浓度与后浮选去除SS的效果

3 结论

3.1 提高处理温度、减小齿盘间隙或增加进浆浓度，都能使热分散处理后浆料中的溶解和胶体物质 (DCS)含量显著增加，构成DCS的溶解物质(DS)和胶体物质 (CS)含量也相应分别增加。其中，以CS的增加量为主。经过热分散之后虽以CS的增加量为多，但浆料中DCS的主要构成仍是DS。

3.2 后浮选过程可以除去一部分CS，而DS几乎不能通过浮选过程得到去除。由于DS是构成DCS的主要成分，因而经过后浮选之后的DCS含量降低幅度十分有限。此外，热分散条件的改变，也几乎不影响后浮选过程中的DCS去除效果。

3.3 随着处理温度的提高、齿盘间隙的减小或进浆浓度的增加，热分散之后浆料水相中的悬浮固形物(SS)含量显著增加。而且，相当大的一部分SS在后浮选过程被有效地去除。

致谢本研究得到了华泰集团有限公司蔡文忠、王友成、赵鲲鹏、马小清、冯好伟的帮助和支持，在此表示衷心的感谢。

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Heat Dispersion of Sticky Contaminants and Their Removal by Post-flotation Part．2 Dissolved and Colloid Substances and Suspended Solids

YU Hai-long1GAO Yang1，2，*ZHANG Feng-shan2QIN Meng-hua1
(1．Key Lab of Paper Science and Technology of Ministry of Education，Shandong Polytechnic University，Ji'nan，Shandong Province，250353;2．Huatai Group Co．，Ltd．，Guangrao，Shandong Province，257335)
(*E-mail:y_gao@hotmail．com)

In this paper，effect of heat-dispersing on dissolved and colloidal substances，and suspended solids was quantitatively investigated by varying temperature，disc clearance，and inlet pulp consistency．Furthermore，their removal in subsequent post-flotation was examined．The results showed that raising temperature，reducing disc clearance，or increasing pulp consistency improved significantly the dispersion of sticky substances，and increased amount of DCS in deinked pulp．Under temperature of 100℃，disc clearance of 0．3 mm，and pulp consistency of 30%，DCS，dissolved substances，and colloidal substances were increased by 13．6% ～16．8%，5．7% ～5．9%，and 60．7% ～65．3%，respectively．DS were as a major component in DCS，although CS were showed with a higher increasing rate after dispersion．SS were increased significantly after heat-dispersing，reached to 21．7% ～26．0%．The post-flotation removed about 45．2% ～46．7%of SS，and 6．1% ～6．8%of CS，while only small amount of DS was removed．

heat dispersing;control of stickies;dissolved and colloidal substances;suspended solids