應用流式細胞儀判斷二次膠黏物

蔣國斌陳中豪

(1.華南理工大學制漿造紙工程國家重點實驗室,廣東廣州,510640; 2.華南理工大學造紙與污染控制國家工程研究中心,廣東廣州,510640)

·流式細胞儀·

應用流式細胞儀判斷二次膠黏物

蔣國斌1,2陳中豪2

(1.華南理工大學制漿造紙工程國家重點實驗室,廣東廣州,510640; 2.華南理工大學造紙與污染控制國家工程研究中心,廣東廣州,510640)

在紙漿懸浮液中分別加入3種陽離子定著劑A159、A160和A169,并分別采用濁度法和流式細胞儀測定了紙漿懸浮液中溶解和膠體物質(DCS)的含量。結果表明,在3種定著效果完全不同的陽離子定著劑作用下,通過濁度計測定,濾液的濁度與處理前相比都有大幅度的下降,但3種定著劑的作用效果無顯著差異。而通過流式細胞儀測定,良好定著劑處理后,DCS的數(shù)量顯著減少, 但DCS的顆粒大小未發(fā)生變化;較差定著劑處理后,DCS的數(shù)量雖然也有大幅度的減少,但DCS顆粒卻變大,膠體系統(tǒng)失穩(wěn)并形成了絮凝沉淀。因此,定著劑對膠體系統(tǒng)的處理效果,可通過流式細胞儀的檢測較好地表征出來。

二次膠黏物;濁度法;流式細胞儀

(＊E-mail:jianggb1@gmail.com)

Abstract:Three different cationic fixativesA159,A160 and A169 were added to the OCC pulp suspension and the amount of DCS in the stock was tested using TurbidityMeter and Flow Cytometer(FCM)respectively in order to disclose the advantage of FCM in theDCS testing. Results showed that turbidityof three samples all descended greatly after adding the fixations,but no significant differenceswere found among those three samples by using TurbidityMeter test.FCM test results demonstrated that the amountofDCSwasmuch less than the un-treatment samples,but the DCS particle size was almost unchanged for the treatment with good perfor mance fixative.Though the amount of DCS decreased,the size ofDCS particle became bigger for the bad perfor mance fixative trea tment,the lattermight be resulted in destabilization and flocculation of the colloidal system,and this destabilization could not be found by TurbidityMeter.Therefore,different fixation performance of cationic fixatives could bewell represented via FCM test,whichwould help us to exactly est imate the amount and deposition ofDCS in the pulp suspension.

Key words:secondary stickies;TurbidityMeter;Flow Cytometer

隨著二次纖維回用量的增加,膠黏物障礙問題日趨嚴重。膠黏物本身具黏性,常和無機填料、細小纖維等黏附在一起形成黏性沉積物,沉積在成形網(wǎng)和壓榨毛布及壓輥上,黏附在烘缸表面,并可殘留在紙幅和聚集在白水中,從而影響紙幅脫水,并在白水中形成陰離子垃圾,影響陽離子助劑的作用效果,對造紙用水的封閉循環(huán)造成障礙[1-2]。按膠黏物在漿水系統(tǒng)中的存在形式和行為,可分為一次膠黏物和二次膠黏物。前者主要是熱熔物和壓敏膠黏劑,常以固體顆粒的形式分散在紙漿懸浮液中,較易通過篩選、凈化、浮選等方式去除。而后者主要來自于殘留在漿水體系中的木材抽出物和涂布損紙中的乳膠粒子,常以溶解和膠體物質(DCS)的形式存在,用機械法不易除去。同時,DCS常隨外界條件的變化發(fā)生物理化學性質的改變而產(chǎn)生沉積問題,從而加大了其控制的難度及危害性[3-5]。

對廢紙漿而言,膠黏物的數(shù)量是一個重要的質量參數(shù)[5]。在紙張成形過程中,使膠黏物與纖維結合在一起被帶出系統(tǒng),可以減少系統(tǒng)中膠黏物的數(shù)量。此外,也可通過加強備料、篩選和凈化來減少膠黏物的數(shù)量。然而,如何對DCS的數(shù)量進行定量,是廢紙大量回用中遇到的主要問題。目前,還沒有一種全球通用的用于紙漿懸浮液中膠黏物定量的方法。為此,各種各樣的儀器及分析方法還在源源不斷地應用到膠黏物的研究[6-8]。

如何減少膠黏物的數(shù)量,降低其發(fā)生沉積的可能性,減少回用水中的陰離子垃圾,對回用廢紙比例較大的新聞紙廠和箱紙板廠來說非常重要,但如何定量漿水系統(tǒng)中DCS含量是需要首先了解的。目前,普遍采用濁度法測定DCS含量。然而,濁度法雖然可對紙漿懸浮液中DCS含量有一個簡單快速的認識和了解,但其只能間接表征DCS濃度,而不是一種精確的或完全值得信賴的方法。鑒于此,將流式細胞儀引入本研究,以經(jīng)過機械處理后的漿料作為研究對象,用3種定著效果不同的陽離子定著劑A159(聚胺型定著劑,低分子質量)、A160(聚胺型定著劑,高分子質量) 和A169(聚二烯丙基二甲基氯化銨型定著劑,低分子質量陽離子型)對漿料進行處理后,分別采用濁度儀和流式細胞儀檢測了紙漿懸浮液中DCS的沉積情況,以比較流式細胞儀和濁度法對DCS定量的準確性。

1 實 驗

1.1 原料和儀器

漿料為全OCC漿,理文紙業(yè)公司提供。陽離子定著劑A159、A160和A169均為瑞士某化工公司提供;特種熒光染料Nile Red由美國Molecular Probes公司生產(chǎn)。

2100 N濁度儀,美國Hach公司生產(chǎn);流式細胞儀(Cyflow)由德國PARTEC公司生產(chǎn)。

1.2 實驗方法

1.2.1 濁度的測量

濁度采用2100N濁度儀測定。對于無纖維存在的情況,取500 mL漿料(漿濃3.5%,下同),分別加入陽離子定著劑A159、A160和A169后,靜置10 min再測定殘余濁度;對于有纖維存在的情況,取500 mL漿料,分別加入陽離子定著劑A159、A160 和A169進行沉積處理,處理后的紙漿懸浮液通過200目銅網(wǎng)過濾,取最初的100 mL濾液并靜置10 min,測定殘余濁度。

1.2.2 流式細胞儀分析

取500 mL漿料,經(jīng)過200目銅網(wǎng)過濾后,分別加入陽離子定著劑A159、A160和A169進行處理。靜置10 min后,加入特種熒光染料,混勻染色5 min;將染色后的漿料稀釋至一定濃度,隨后加入標準顆粒(聚苯乙烯類似物)作為參照物,攪拌均勻后靜置10 min,采用流式細胞儀進行檢測和數(shù)據(jù)分析。

2 結果與分析

2.1 濁度儀分析

2.1.1 濁度儀分析原理

濁度測量的是樣品的相對澄清度,而不是樣品在外觀上混濁的程度表現(xiàn)[9]。濁度計發(fā)出光線,使之穿過一段樣品,并從與入射光呈90°的方向上檢測有多少光被水中的顆粒物所散射,光強度的減少與樣品中顆粒物的數(shù)量有直接關系。漿料經(jīng)陽離子定著劑處理后濾液的濁度變化機理如圖1所示,一部分帶負電的DCS在陽離子定著劑的作用下,黏附在纖維表面,減少了存在紙漿懸浮液中DCS的含量,濾液濁度有一定程度的降低。

圖1 漿料經(jīng)陽離子定著劑處理后濾液濁度變化的機理

2.1.2 濁度儀分析結果

用濁度儀測量漿料經(jīng)3種陽離子定著劑A159、A160和A169處理前后濾液濁度,結果如圖2所示。由圖2可知,在3種定著劑作用下,所得濾液的濁度與處理前相比,都有大幅度的下降,濁度的變化和加入定著劑的量呈線性關系,且3種定著劑處理的濾液濁度下降的幅度基本相同。

圖2 濾液濁度與定著劑用量的關系

通過對定著劑處理后漿料濾液濁度變化機理所做的分析(見圖3),可以發(fā)現(xiàn),在定著劑固著效果良好的情況下,帶負電的DCS在陽離子定著劑的作用下,可有效地黏附在纖維表面,并隨著纖維被帶出紙機系統(tǒng),減少了存在于紙漿懸浮液中DCS的數(shù)量;然而,在定著劑定著效果最差的情況下,DCS并沒有被成功地定著到纖維表面,而這種差異通過濁度計未能檢測出來,從而使失穩(wěn)后的DCS絮凝成塊,繼續(xù)留在漿水系統(tǒng)中,并有可能在成形網(wǎng)等設備的表面形成沉積,對造紙用水的封閉循環(huán)產(chǎn)生了障礙。

圖3 定著效果不同的定著劑處理后漿料濾液濁度變化的機理

2.2 流式細胞儀分析

2.2.1 流式細胞儀工作原理

流式細胞術(flow cytometry,FCM)也稱熒光激活細胞分類術,已廣泛應用于生物學、免疫學、遺傳學、臨床檢驗等領域,具有檢測速度快、測量指標多、采集數(shù)據(jù)量大、分析全面和方法靈活等特點。流式細胞儀主要由液流系統(tǒng)、光學系統(tǒng)及電學系統(tǒng)組成。

(1)液流系統(tǒng):樣本被壓進噴嘴(SIP)的中央,使其與水平方向的激光光束垂直相交。

(2)光學系統(tǒng):液流推進裝置使樣本呈單列,并以均等的時間依次通過激光照射區(qū),被熒光染色的樣本受照射后,可產(chǎn)生散射光和熒光兩種信號。散射光分為前向散射光(forward scatter,FSC)及側向散射光(side scatter,SSC)。FSC與樣本體積大小呈正比,SSC與樣本的顆粒度和復雜性有關。

(3)電學系統(tǒng):光學信號經(jīng)電學系統(tǒng)采集轉變?yōu)殡妼W信號,經(jīng)專業(yè)軟件處理得出檢測結果[10-12]。

流式細胞儀的工作原理圖如圖4所示。

圖4 流式細胞儀的工作原理圖

FCM用高能量激光照射高速流動狀態(tài)下被熒光染色的細胞結構,測量其產(chǎn)生的散射光和發(fā)射熒光的強度,從而對細胞的特性進行快速的定性或定量分析[13]。流式細胞儀能測量細胞的5個參數(shù):FSC、SSC、綠色熒光(FL-1)、黃色熒光(FL-2)和紅色熒光(FL-3),這5個參數(shù)分別表示散射光及熒光信號的相對強度,單位為道數(shù)。FSC和SSC是細胞對激發(fā)光的散射信號,分別反映了細胞的大小和細胞的粒度,細胞越大,胞內(nèi)顆粒物越多,則FSC和SSC越強。FL-1、FL-2和FL-3記錄了綠、黃和紅3種顏色熒光,分別代表這3種熒光所標記的細胞參數(shù)。流式細胞儀就是通過測量這些參數(shù)對細胞進行分類計數(shù)及統(tǒng)計分析的,用門(gate)圈出各個細胞群體,分析細胞群體中各細胞亞群的比例及其各項指標的大小。

同時,樣品管中還加有已知數(shù)量的易于與細胞區(qū)分的熒光微球作為絕對計數(shù)的內(nèi)標。

2.2.2 流式細胞儀分析結果

本實驗中,將經(jīng)過濾后的紙漿懸浮液中的DCS顆粒及其他組分類比為一個個的細胞。當紙漿懸浮液中的DCS顆粒和其他組分被染色后,由于紙漿懸浮液中各組分顆粒特性的差異,流式細胞儀收集的顆粒的熒光信號也會有所不同,因此,根據(jù)熒光信號的強弱可將DCS顆粒和其他組分區(qū)分開來。同時,根據(jù)內(nèi)參中標準顆粒的大小和數(shù)量,可統(tǒng)計出DCS的大小和數(shù)量。

當紙漿懸浮液中帶負電荷的DCS顆粒染上熒光染料后,在流式細胞儀推進裝置的穩(wěn)定作用下,使樣本呈單列,每顆DCS粒子以均等的時間依次通過儀器的激光照射區(qū),被熒光染料染色的DCS受到照射后發(fā)出散射光信號和熒光信號,經(jīng)電學系統(tǒng)采集后,轉變成電學信號,經(jīng)專業(yè)軟件處理后,得到DCS的數(shù)量和大小等信息。

經(jīng)不同的定著劑處理后,樣品的流式細胞儀分析結果如圖5所示,DCS顆粒數(shù)量和大小的變化如表1和表2所示。其中,圖5中的R2區(qū)域為內(nèi)部參照,R1區(qū)域為檢測區(qū)域,分別代表DCS的數(shù)量和大小信息。

圖5 不同定著劑處理后的樣品的流式細胞儀分析

表1 設定區(qū)域內(nèi)不同定著劑處理后DCS數(shù)量的變化

表2 不同定著劑處理后DCS顆粒的數(shù)量及大小變化

結果表明,與空白樣相比,分別經(jīng)定著劑A160、A159及A169處理后的樣品,DCS在數(shù)量上均有明顯的減少。然而,在定著效果不同的處理中,數(shù)量減少的情況卻有著明顯的區(qū)別,其數(shù)量減少的順序為A160>A159>A169;經(jīng)A169處理后的樣品,DCS顆粒數(shù)量比經(jīng)A160處理后的樣品的多,表明膠黏物顆粒沒有很好地定著到纖維上,還在紙漿懸浮液中繼續(xù)存在,定著效果不是非常理想。此外,對于DCS顆粒大小,在良好定著劑A160處理時,DCS數(shù)量顯著減少的同時,DCS的顆粒大小并沒有太多變化, DCS之間未聚集成塊。而經(jīng)A169處理后的樣品, DCS的數(shù)量雖然減少了,但顆粒大小也增大了,DCS之間發(fā)生了聚集。

因此,不理想的陽離子定著劑的加入使膠體系統(tǒng)失穩(wěn)形成絮凝沉淀的情況,可通過流式細胞儀的檢測直接表征出來,從而可準確地對紙料懸浮液中DCS的數(shù)量和沉積情況進行評估,彌補了濁度法存在的不足。同時,流式細胞儀的應用還可以對定著劑的不同定著效果有一個客觀的評價。

3 結 語

濁度法雖然可檢測到紙料懸浮液中溶解和膠體物質(DCS)的數(shù)量及濃度的變化,但不能區(qū)分DCS顆粒良好固著和失穩(wěn)凝絮兩種效果的差別,不能對紙料懸浮液中的DCS顆粒準確的定量。DCS的數(shù)量和顆粒大小的變化通過流式細胞儀的檢測可以得到客觀的反應,從而對陽離子定著劑定著效果的優(yōu)劣做出正確的判斷。

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(責任編輯:陳麗卿)

Estimation of D issolved and ColloidalMaterials by Flow Cytometer

J IANG Guo-bin1,2,＊CHEN Zhong-hao2

(1.State Key Lab of Pulp and Paper Engineering,South China University of Technology,Guangzhou, Guangdong Province,510640;2.National Engineering Research Center of Paper m aking and Pollution Control, South China University of Technology,Guangzhou,Guangdong Province,510640)

蔣國斌先生,在讀博士研究生;主要研究方向:造紙化學品。

TS749+.7;TS744

A

0254-508X(2010)05-0001-04

2009-12-03(修改稿)