陽離子聚合物對混合辦公廢紙浮選脫墨效果的影響

張效林 韓 卿

（1.西安理工大學(xué)印刷包裝工程學(xué)院，陜西西安，710048；2.陜西科技大學(xué)造紙工程學(xué)院，陜西西安，710021）

隨著印刷技術(shù)的進(jìn)步和辦公自動化程度的不斷提高，辦公廢紙的數(shù)量越來越多，而且其中的難脫墨成分也在不斷增加。這些難脫墨廢紙主要為激光打印紙和靜電復(fù)印紙，它們在辦公廢紙中的比例高達(dá)70％～80％。辦公廢紙是大量的可開發(fā)利用的高質(zhì)量纖維原料，經(jīng)脫墨后可用于新聞紙、衛(wèi)生紙及文化用紙的生產(chǎn)。近年來，對于混合辦公廢紙（MOW）可脫墨性能的研究主要集中在新型表面活性劑的應(yīng)用［1］、堿性及中性脫墨工藝優(yōu)化［2］、生物酶法脫墨［3-4］以及新型脫墨方法的應(yīng)用［5-6］等方面。由于MOW中含有大量如靜電復(fù)印油墨、紫外光固油墨、激光印刷油墨、苯胺印刷油墨等難脫除的油墨，因此，目前的脫墨方法大多存在脫墨效率低、能耗大、成本較高等問題。

MOW脫墨過程中油墨粒子粒徑分布范圍非常廣，在0～300μm，甚至超過300μm［7］。大的油墨粒子可以通過后序工藝如篩選、凈化等過程去除，中等粒徑的油墨粒子通常依靠浮選法進(jìn)行去除。由于MOW脫墨體系中含有大量的細(xì)小油墨粒子（0～10μm），這些油墨粒子的存在大大降低了脫墨漿質(zhì)量。盡管洗滌過程對去除10μm以下的油墨粒子有效［8］，但洗滌過程一方面需消耗大量的水，另一方面很容易導(dǎo)致紙漿得率迅速下降。有研究表明［9-11］，在廢紙脫墨過程中，二次纖維所在的脫墨化學(xué)處理后浮選洗滌之前的分散體系，是一個由懸浮在流體中的纖維、細(xì)小纖維、油墨粒子、各種礦物填料粒子、膠黏物等組成的混合體系，具有明顯的界面及膠體化學(xué)特性。Johansson等人［12］研究發(fā)現(xiàn)，不同的化學(xué)處理?xiàng)l件對油墨粒子的凝聚及懸浮特性有一定影響，并最終影響到脫墨效果；Oliveira等人［12］研究發(fā)現(xiàn)，在脫墨漿料中添加適量的金屬離子改變了油墨粒子粒徑，有助于提高油墨粒子聚集后的表面均勻性，從而提高浮選脫墨效率。

本研究在MOW常規(guī)化學(xué)脫墨工藝的基礎(chǔ)上，研究了幾種陽離子聚合物（陽離子聚丙烯酰胺CPAM、陽離子淀粉CS以及聚合氯化鋁PAC）對脫墨處理后浮選前脫墨分散體系膠體化學(xué)行為特性的影響，并探討了界面及膠體化學(xué)特性的變化與MOW浮選脫墨效果之間的關(guān)系。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原料

混合辦公廢紙由靜電復(fù)印紙和激光打印紙以質(zhì)量比2∶1組成，將其撕成1cm×1cm左右的碎片，充分混合后置于密封塑料袋中，恒溫恒濕均衡水分后測其水分含量。

NaOH為分析純；Na2SiO3、EDTA、H2O2均為化學(xué)純；脫墨劑為羅地亞脫墨劑，均配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1％的溶液；PAC，工業(yè)品，Al2O3含量≥29.0％，水不溶物含量≤1.5％，pH值（1％水溶液）3.5～5.0；CS，工業(yè)品，水分≤13.5％，取代度0.25～0.35，pH值5.5～7.5，電荷密度0.42mmol/g；CPAM，汽巴精細(xì)化工公司，相對分子質(zhì)量500萬，固含量≥88％，電荷密度1.56mmol/g。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器及設(shè)備

電熱恒溫水浴鍋、多功能打漿機(jī)、氣泡發(fā)生器、電動攪拌機(jī)、纖維疏解器、ZQJ1-B紙樣抄片器、AutoSpec紙張油墨粒子大小及分布分析系統(tǒng)、SBD-1數(shù)字白度儀、SZP06-Zeta電位儀、JK99B表面張力儀及JSA5800掃描電鏡等。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

在1000mL燒杯中加入NaOH、脫墨劑等化學(xué)藥品，加水稀釋至10％的濃度，稱取一定量的紙樣置于藥液中，將燒杯放入恒溫水浴鍋中，保溫一定時間，碎解，加水稀釋至1％，在分散體系中添加不同用量的高分子化合物，充分?jǐn)嚢杈鶆?，測定Zeta電位及表面張力。浮選一定時間，轉(zhuǎn)移至紗袋中用少量水輕微洗滌，經(jīng)纖維疏解器疏解，抄片，測定相關(guān)性能。

未脫墨處理及常規(guī)化學(xué)脫墨處理后紙漿的基本性能如表1所示。其中，常規(guī)化學(xué)脫墨工藝條件為：NaOH用量2.0％、Na2SiO3用量2.0％、脫墨劑用量0.5％、EDTA用量1.0％、H2O2用量1.5％、脫墨溫度80℃、碎解時間40 s、保溫時間50min。

表1 未脫墨處理和常規(guī)化學(xué)脫墨處理后紙漿的白度和殘余脫墨量

1.4 紙漿性能的檢測

白度按國家標(biāo)準(zhǔn)方法測定；殘余油墨量采用AutoSpec紙張油墨粒子大小及分布圖像分析系統(tǒng)測定。

1.5 掃描電子顯微鏡（SEM）觀察

抄造60g/m2手抄片，選取紙樣的相同位置放入真空鍍膜機(jī)中噴涂鍍金。在JSA5800掃描電鏡上觀察并照相。

2 結(jié)果與討論

2.1 對脫墨漿料分散體系Zeta電位的影響

3種陽離子聚合物對MOW脫墨漿料分散體系Zeta電位的影響情況如圖1所示。圖1中X1～X4代表聚合物用量，其中，CPAM用量分別為0.02％、0.04％、0.06％及0.08％；CS用量分別為0.25％、0.50％、0.75％及1.0％；PAC用量分別為0.2％、0.4％、0.6％及0.8％；下同。從圖1可以看出，MOW脫墨漿料分散體系Zeta電位均隨聚合物用量的增加而上升。未添加聚合物時，分散體系Zeta電位為-17.5mV。當(dāng)CPAM用量從0.02％增加至0.08％時，Zeta電位從-13.0mV上升至-11.4mV。CPAM是線型高分子化合物，由于它有多種活潑基團(tuán)，可與許多物質(zhì)發(fā)生親和、吸附，在造紙過程中通常用作濕部助留助濾劑及絮凝劑等。當(dāng)CPAM在水中溶解時，會釋放大量帶正電的活性基，吸附分散體系中帶負(fù)電的懸浮膠體粒子，中和粒子表面電荷，從而使得漿料體系Zeta電位向正值方向變化。CS具有較高的電荷密度和較高的分子質(zhì)量，同時具有特殊的多羥基環(huán)狀分子結(jié)構(gòu)［13］，在脫墨分散體系中加入不同用量的CS后，Zeta電位從-14.4mV上升至-13.3mV。加入不同用量的PAC后，分散體系Zeta電位從-15.4mV上升至-11.8mV。PAC具有高陽電性，可以在很寬的pH值范圍內(nèi)維持其高陽電性，有資料表明［14］，與其他有機(jī)聚合物相比，PAC對漿料中陰離子膠體物質(zhì)的中和作用具有選擇性，可在細(xì)小纖維的負(fù)電荷被中和之前，首先中和陰離子膠體物質(zhì)，從而使Zeta電位上升。

圖1 聚合物用量對脫墨體系Zeta電位的影響

2.2 對脫墨漿料分散體系表面張力的影響

3種陽離子聚合物對MOW脫墨漿料分散體系表面張力的影響情況如圖2所示。從圖2可以看出，MOW脫墨漿料分散體系表面張力均隨聚合物用量的增加而下降。未添加聚合物時，分散體系表面張力為66.01mN/m。添加不同用量的CPAM后，脫墨體系表面張力從63.20mN/m降至60.71mN/m，這是CPAM分子極性基團(tuán)表面吸附導(dǎo)致的。加入不同用量的CS后，表面張力從64.43mN/m降至59.40mN/m；CS具有表面活性，其水溶液表面張力隨其取代度和濃度的上升而降低［14］。PAC的加入同樣改變了分散體系的表面張力，當(dāng)加入不同用量的PAC后，分散體系表面張力從62.16mN/m降至57.75mN/m。

圖2 聚合物用量對脫墨體系表面張力的影響

2.3 對浮選脫墨效果的影響

添加3種陽離子聚合物后，MOW脫墨漿料分散體系的界面及膠體化學(xué)特性均發(fā)生了不同程度的改變，這說明聚合電解質(zhì)的加入改變了脫墨分散體系的穩(wěn)定性，二次纖維及細(xì)小油墨顆粒分布形態(tài)也必然會發(fā)生變化。為了研究界面及膠體化學(xué)特性的改變對浮選脫墨效率的影響規(guī)律，分析了不同聚合物及其不同用量對脫墨漿白度及殘余油墨量的影響（見圖3）。

圖3 不同聚合物對浮選脫墨效果的影響

由圖3A可知，添加0.06％的CPAM后，脫墨漿白度由81.7％提高到86％左右，殘余油墨量由6.46mm2/g降至4.0mm2/g左右，此時對應(yīng)的Zeta電位變化區(qū)間為-13.0～-12.0mV，表面張力變化區(qū)間為62.0～63.0mN/m；當(dāng)CPAM用量達(dá)到0.08％時，殘余油墨量開始升高、白度下降。從圖3B可見，添加0.5％CS后，脫墨漿殘余油墨量由6.46mm2/g降至4.00mm2/g左右，白度增加約4個百分點(diǎn)，此時對應(yīng)的Zeta電位及表面張力變化區(qū)間分別為-14.0～-13.0mV、60.0～64.0mN/m；繼續(xù)添加CS，脫墨效果改善不明顯。由圖3C可知，加入用量為0.4％的PAC后，白度升高3.5個百分點(diǎn)，殘余油墨量降至2.28mm2/g；此時對應(yīng)的Zeta電位及表面張力變化區(qū)間分別為-15.0～-13.0mV和60.0～62.0mN/m，當(dāng)PAC用量超過0.6％時，殘余油墨量開始上升、白度下降。

結(jié)合圖1～圖3可知，添加陽離子聚合電解質(zhì)后，MOW脫墨漿分散體系界面/膠體化學(xué)特性的改變與浮選脫墨效率的變化有一定的對應(yīng)關(guān)系，在一定范圍內(nèi)當(dāng)Zeta電位逐漸升高、表面張力逐漸減小時，可以獲得性能更好的脫墨漿（更高白度及更低的殘余油墨量）。根據(jù)Francois等人［8］的研究，脫墨過程油墨粒子的大小對其可去除性能有較大影響，認(rèn)為浮選法脫墨對粒徑在30～150μm范圍內(nèi)的油墨粒子去除率最佳。辦公廢紙的油墨粒子從幾微米到300μm不等［7-8］，在常規(guī)的脫墨過程中較大粒徑的油墨粒子的去除相對較為容易，而小粒徑（＜10μm）油墨粒子因?yàn)榻佑|不到氣泡，不能被氣泡所捕捉，所以浮選脫墨中凝聚成適當(dāng)大小的油墨粒子就顯得非常重要［14］。高分子絮凝理論認(rèn)為，分散粒子表面電荷越接近于零（即Zeta電位上升）越容易凝聚［14］，實(shí)驗(yàn)添加的3種陽離子聚合電解質(zhì)均導(dǎo)致了體系Zeta電位上升，其中PAC水解-聚合產(chǎn)物對陰離子膠體物質(zhì)進(jìn)行電性中和、脫穩(wěn)和吸附架橋作用生成絮凝體［15］；CPAM和CS則通過電中和、吸附及橋聯(lián)作用同時吸附在多個微小油墨顆粒表面，形成絮凝體。其結(jié)果是添加陽離子聚合電解質(zhì)后，MOW脫墨分散體系膠體化學(xué)穩(wěn)定性受到破壞，細(xì)小油墨顆粒發(fā)生凝聚形成顆粒較大的粒子，同時使油墨/纖維、油墨/水界面張力降低，提高了對油墨的剝離性［14］，使得浮選脫墨效率進(jìn)一步提高。當(dāng)陽離子聚合電解質(zhì)用量超過一定值時，膠體體系將重新穩(wěn)定［16］，脫墨效果又開始降低。分析以上結(jié)果可知，適宜的界面及膠體化學(xué)環(huán)境有利于MOW浮選脫墨中油墨粒子的凝聚和去除，當(dāng)Zeta電位在-14.0～-12.0mV、表面張力在60.0～63.0mN/m時，與常規(guī)化學(xué)脫墨相比，MOW脫墨漿白度及油墨去除率均有提高。

圖4 不同漿樣的SEM圖

2.4 MOW脫墨漿纖維表面的SEM觀察

為了考察脫墨分散體系界面及膠體化學(xué)特性改變前后纖維形態(tài)及油墨粒子分布情況，對僅經(jīng)疏解后未脫墨處理漿樣、常規(guī)化學(xué)脫墨工藝處理的漿樣以及加入陽離子聚合物改變膠體化學(xué)行為后的漿樣進(jìn)行掃描電鏡分析，結(jié)果如圖4所示。

從圖4可以看出，未脫墨處理漿樣（A）的纖維表面與纖維之間堆積了大量的油墨粒子，且混雜了各種細(xì)小雜質(zhì)；對于常規(guī)化學(xué)脫墨工藝處理之后的漿樣（B），油墨粒子已明顯減少，細(xì)小雜質(zhì)含量也大大降低，這與前面殘余油墨量的測定結(jié)果是一致的，但同時可以看到，在纖維表面與纖維之間還分散著很多相對細(xì)小的油墨粒子，這些細(xì)小油墨粒子的存在影響了脫墨漿的白度；與經(jīng)常規(guī)化學(xué)脫墨處理漿樣（B）相比，通過高分子化合物改變脫墨分散體系界面及膠體化學(xué)環(huán)境后的脫墨漿（C）的質(zhì)量又有較大程度的改善，纖維表面及纖維之間僅有極少量的油墨粒子（C），細(xì)小纖維及雜質(zhì)含量也大大降低，這與陽離子聚合物絮凝機(jī)理分析結(jié)果也是一致的，同時，纖維表面輪廓、形態(tài)清晰，纖維交織良好。

3 結(jié)論

3.1 添加少量陽離子聚合物（如CPAM、CS、PAC）可以明顯改變MOW脫墨漿料分散體系界面及膠體化學(xué)特性（如Zeta電位、表面張力）。

3.2 添加少量陽離子聚合物后，適宜的界面及膠體化學(xué)環(huán)境有利于油墨粒子的去除；當(dāng)Zeta電位在-14.0～-12.0mV、表面張力在60.0～63.0mN/m時，與常規(guī)化學(xué)脫墨相比，MOW浮選脫墨效果有所改善，脫墨漿白度及油墨去除率均有提高。

3.3 掃描電鏡顯示，加入少量高分子化合物保持適宜的界面及膠體化學(xué)環(huán)境有助于進(jìn)一步去除細(xì)小油墨粒子，同時，細(xì)小纖維及雜質(zhì)含量也大大降低，纖維表面變得更加潔凈。

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