硫酸鹽漿廠紙機(jī)白水質(zhì)量評價

1 應(yīng)用

漿板機(jī)產(chǎn)生的白水質(zhì)量較差會對成漿白度有負(fù)面的影響，在紙廠中采取合理的方法測量白水的質(zhì)量以及白水質(zhì)量隨時間變化的程度，可以診斷出紙漿白度降低的原因。降低細(xì)小纖維的量或細(xì)小纖維對光的吸收會降低白水質(zhì)量對成漿光學(xué)性能的負(fù)面影響。降低白水中細(xì)小纖維含量的最簡便的方法是凈化白水系統(tǒng)，本文提出的監(jiān)測白水的方法可用于此過程的優(yōu)化。

隨著漿廠新鮮水用量的減少，導(dǎo)致了白水中總固形物含量的增加，這些固形物包括白水中的溶解物和懸浮物。采用定量監(jiān)測并提高其質(zhì)量的方法已在紙機(jī)白水系統(tǒng)中應(yīng)用，目前處理白水的技術(shù)有：沙濾、絮凝/澄清、超濾、懸浮載體生物膜反應(yīng)器以及厭氧處理。紙廠對白水質(zhì)量都很重視，但目前商品硫酸鹽漿生產(chǎn)廠對白水質(zhì)量的重視程度還不夠。漿板機(jī)白水系統(tǒng)僅包括來自紙漿的溶解/膠體物和懸浮物，這些物質(zhì)在白水系統(tǒng)中的富集會降低產(chǎn)品的質(zhì)量。白水中這些物質(zhì)會粘附在漿上從而影響紙漿的光學(xué)性能和機(jī)械性能，比如降低紙漿的白度和透氣度。

對大部分商品硫酸鹽漿廠而言，由于白水質(zhì)量引起的紙漿白度下降，都會采用增加漂白工段化學(xué)藥品的用量。因此，監(jiān)控和測定白水質(zhì)量以及了解其對白度的影響有利于降低漂白成本。

本文主要講述硫酸鹽漿廠 （以針葉木和闊葉木為原料)中生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的白水對紙漿白度的影響，并提出一個行而有效的方法來提高白水質(zhì)量，以減少對紙漿白度的影響。

2 原料和研究方法

實驗所用的6組白水樣品由加拿大五個不同硫酸鹽漿廠提供，在最后漂白工段噴淋管前的白水槽內(nèi)取樣，取樣完成后立即加入0.02%（w/v)的疊氮化鈉（殺菌劑)，以確保無細(xì)菌滋生。這五家紙廠將40L的白水運(yùn)送給FPInnovations公司，并將其保存在冷庫中（4°C)待用。這五家紙廠的名稱以及所采用的漂白工段見表1所示。

其中，樣品C和D來自于同一個紙廠，取該兩組樣品相隔數(shù)月，實驗中用做兩組不同的白水樣。表1還表明了來自加拿大東/西部的針葉木和闊葉木，以及采用的有無氧脫木素的3～5段漂等信息。

本實驗分析白水的主要指標(biāo)有：金屬離子含量（Na,Ca,Mg,Cu,Fe,Mn,Al)、pH 值、濁度、灰分、電導(dǎo)率以及總懸浮和溶解物含量。由于其他因素對紙漿白度等影響較小，本文只討論白水中的纖維、細(xì)小纖維、溶解物對紙漿白度等性能的影響。實驗方法，用如下方法來評價白水質(zhì)量對紙漿光學(xué)性能的影響。參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對白水測定，針葉木硫酸鹽漿單段漂的白度為85.3%±0.3%ISO。使用白水和去離子水進(jìn)行手抄片，手抄片是按照PAPTAC標(biāo)準(zhǔn)抄造。抄造過程中，用0.0、0.5、1.0或 1.5、2.0或 2.5、7 L中的4L的去離子水代替相應(yīng)等量的白水。紙漿白度和返黃值在105°C、50%RH條件下放置一小時后測定。用這些實驗結(jié)果與白水用量作圖。

表1 白水及其來源

實驗中每組樣白水用量都為4L，比較和量化不同樣白水質(zhì)量對紙漿的影響，并做出白度降低的斜率對比白水體積和白度降低的圖。后續(xù)處理是因為這個圖不是線性的以及為了更好的反應(yīng)不同白水質(zhì)量間的差異性。

這一分析方法同樣可以用來檢測不同白水的所含成分（見圖1)，對白水樣品進(jìn)行以下三部處理：

（1)認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)的白水樣包含所有成分（AC)。

（2)經(jīng)篩選后的白水通過裝有100目網(wǎng)的(篩孔0.15mm)篩去除纖維，僅保留細(xì)小纖維和溶解物(FDS)。

（3)經(jīng)步驟2后的白水經(jīng)過玻璃纖維過濾膜（Whatman934-AH，孔徑1.5u，)過濾，去除細(xì)小纖維，而溶解物和膠體物保留下來。

圖1 分離白水各成分過程，AC表示白水所含成分；FDS表示細(xì)小纖維和溶解物；DS表示溶解物（包括沒有過濾出的膠體物)

3 結(jié)果與討論

圖2顯示總固形物含量（AC)以及每個工廠白水所含成分的含量。由圖可看到不同白水樣總固形物的量差別較大，工廠A白水樣品的總物質(zhì)含量最低，為0.15g/L，而工廠D白水樣品總物質(zhì)含量最高，為2.0g/L。纖維、溶解物、細(xì)小纖維的含量比也差異很大。相對總物質(zhì)，各組樣品的纖維含量從0.1%到40%，溶解物為51%到95%，細(xì)小纖維含量為2%到11%。

即使來自同一工廠取自不同時間的C和D號樣（相隔三個月)也呈現(xiàn)出較大的差異（幾乎一個數(shù)量級)。這種差異表明紙廠中的白水循環(huán)系統(tǒng)是變化的，因此需要加強(qiáng)對白水質(zhì)量的實時監(jiān)控。

圖2 不同白水的組成成分

圖3 在抄造手抄片時，用不同體積的白水代替總用水量（7L)部分水對應(yīng)的ISO白度降低值

本實驗最早使用樣品C和樣品E，其沒有經(jīng)過動態(tài)濾水儀的處理。因此沒有從細(xì)小纖維中分離纖維。在這兩種白水樣品中溶解物的含量分別占到總物質(zhì)含量的83%和95%，這兩組白水經(jīng)過處理過后幾乎無纖維存在。

圖3表示FBSKP手抄片 （使用白水進(jìn)行抄片，取代用去離子水抄片)引起的ISO白度損失。每一個數(shù)據(jù)點都是兩個測量的平均值，測量數(shù)據(jù)的誤差大約在0.30%ISO左右（±0.15)。

除了工廠B的白水樣外，其他紙廠的白水樣都是隨著白水用量的增加，抄得手抄片的白度都有明顯的下降。即使白水加入量僅為0.5L，工廠C、D和E白水樣抄得的手抄片白度值都有所降低。工廠A和F的白水樣，當(dāng)使用白水用量超過1L時，抄得的手抄片白度開始降低，前期出現(xiàn)白度平穩(wěn)和微小上升是由于在細(xì)小纖維的光散射作用大于其光吸收作用，這增加了紙漿的白度。

工廠B的白水樣，當(dāng)白水用量超過2.5L之后出現(xiàn)白度上升一個點，而當(dāng)增加更多的白水時，白度會降低了一個點。白度增加的原因是白水中含有較高的纖維 （見圖2)。這些纖維的白度高于手抄片的FBAKP，這就解釋了在白水用量較大時候，紙漿仍有較高白度。

圖4 工廠B樣品中經(jīng)作AC和經(jīng)過100目篩網(wǎng)（FDS)過濾去除長纖維處理，不同用量白水與白度值變化

圖4表示，經(jīng)過100目的玻璃纖維過濾膜篩選處理工廠B的白水樣品后，由于去除了長纖維，抄造手抄片的白度下降很大，下降的幅度與白水用量為0.5L時抄造的手抄紙白度降低類似。由于白水中纖維的存在能部分抵消白水中其他成分對白度的負(fù)面影響。實驗對不同的白水在經(jīng)過100目的DDJ篩子去除長纖維后，進(jìn)行比較。

圖5 用FDS和DS的白水代替去離子水（4L)時的ISO白度損失值，標(biāo)記處沒有白度點損失是由于工廠F白水樣的DS存在

圖5表示，F(xiàn)DS和DS的4L白水抄造的手抄片的白度損失。DS對于白度損失的影響比FDS少，這就意味著細(xì)小纖維是影響白度的主要因素。在某些情況下，溶解物不會使白度降低（A，B和F樣品)。這也說明白水的細(xì)小纖維是造成手抄片白度損失的主要原因。

這些結(jié)論都說明要評估工廠白水的質(zhì)量，首先就是要去除纖維。100目的動態(tài)濾水儀設(shè)備能有效去除白水中纖維（或使用超過100目的篩子過濾白水)。如果存在于白水中的纖維和所用的漿有相同的白度，或白水中纖維的濃度一直保持不變的話，此步驟可以省略。這僅僅是用此過程得到經(jīng)驗進(jìn)而指導(dǎo)工廠實踐。

方法的第二步是用標(biāo)準(zhǔn)漿抄造手抄片，但用相同體積的白水（4L已選用)來代替固定體積的去離子水（如果去離子水不足可用自來水)。通常一個工廠用它自身的漿可視為標(biāo)準(zhǔn)漿。為避免在取用標(biāo)準(zhǔn)漿過程中有污染，我們建議取樣點在最后洗滌段，該洗滌段是來自噴淋并位于白水添加點之前。因此，未洗的樣品應(yīng)該在進(jìn)行手抄片之前在實驗室中進(jìn)行洗滌。

用標(biāo)準(zhǔn)漿抄造的手抄片 （使用去離子水或自來水)和用白水抄造的手抄片的白度差值是白水質(zhì)量好壞的標(biāo)準(zhǔn)，差值越大表明白水質(zhì)量就越差。如果想要知道是細(xì)小纖維還是溶解物導(dǎo)致的紙漿白度損失，白水樣品就應(yīng)經(jīng)過玻璃纖維過濾膜過濾。使用這種過濾后白水抄造的手抄片，它的白度降低僅僅是由溶解物所造成的。單獨(dú)的細(xì)小纖維對白度的影響可以通過之前的白度損失值減去溶解物的白度損失值得到。

圖6 FDS白水的ISO白度點損失和溶解物，細(xì)小纖維（g/L)的測量濃度之間沒有關(guān)系。空心符號表示以針葉木為原料的工廠，實心符號表示以闊葉木為原料的工廠。

圖7 DS和DS濃度對ISO白度點損失之間沒有關(guān)系；空心符號表示以針葉木為原料工廠，實心符號表示以闊葉木為原料工廠

圖8 單獨(dú)的細(xì)小纖維和細(xì)小纖維含量對ISO白度點損失之間沒有連續(xù)關(guān)系；空心符號表示以針葉木為原料的工廠，實心符號表示以闊葉木為原料的工廠

當(dāng)我們知道白水中什么成分會導(dǎo)致紙漿白度降低，而如何解決此類問題就變得尤為重要，因為每一因素需要不同的處理方法。例如，去除細(xì)小纖維可以通過浮選柱或者通過過濾系統(tǒng)來完成。去除溶解/膠體物可能比較困難，但是漂白它們就比較適當(dāng)。可是，問題是如何優(yōu)化白水系統(tǒng)凈化的時間。

污染物和白度損失的關(guān)系

圖6表示在白水中的FDS含量、溶解物、細(xì)小纖維對白度損失的關(guān)系。同樣，圖7表示了DS含量和DS濃度對白度損失的無相關(guān)性。

細(xì)小纖維濃度對白度損失等于FDS值對白度損失值減去DS的白度損失值。這些計算值與細(xì)小纖維（測量的懸浮固形物和細(xì)小纖維-測量的懸浮固形物)的計算是相反的。如圖8所示，即使細(xì)小纖維的存在會導(dǎo)致白度明顯的降低，它對紙漿白度的影響也沒有連續(xù)的相關(guān)性。因此，不僅是細(xì)小纖維量對白度影響，而且還和它們的顏色有關(guān)。少量的深色細(xì)小纖維比大量的白色細(xì)小纖維能引起更明顯的白度損失。有趣的是，兩個闊葉木紙廠（A和B)都含有可以降低白度的大量細(xì)小纖維。然而，以針葉木為原料工廠E也有著同樣的白度損失，即使白水中細(xì)小纖維的含量比那兩個工廠的闊葉木樣品低3倍。

白水對紙漿返黃的影響

圖9 物質(zhì)濃度對紙張白度返黃的影響，細(xì)小纖維用大寫字母表示，溶解物用小寫字母表示；空心符號代表以針葉木為原料的紙廠，實心符號代表以闊葉木為原料的紙廠

FDS對紙漿白度返黃的影響（漂白硫酸鹽漿白度返黃測定放在105°C和50%RH條件下放置1 h)，圖 9表明，在測量誤差幅度（白度±0.15%)下，每家紙廠提供的白水樣的溶解物對紙漿白度返黃影響很小，工廠D的白水樣品中的DS含量僅使白度降低了0.3%。僅兩家闊葉木工廠（A和B)的細(xì)小纖維引起紙漿的白度返黃。但如圖8所示，這些細(xì)小纖維比闊葉木樣品中含量較高，熱返黃造成的白度降低。

4 結(jié)束語

本論文提供的這種檢測方法能快速評定以針葉木為原料的硫酸鹽漿廠的白水質(zhì)量以及其對最終產(chǎn)品的光學(xué)性能影響。這種檢測方法首先需要去除白水中的纖維，因為其會影響溶解和懸浮物對白度影響的測定。裝置100目篩網(wǎng)的動態(tài)濾水儀能完成此項任務(wù)。兩張手抄片根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)參考漿板抄造；一張手抄片是用去離子水（自來水)抄造，另一張是用等量的白水代替去離子水（自來水)抄造。手抄片白度的不同，反映了白水質(zhì)量對其影響。差異越大，說明白水質(zhì)量越差。

為更好檢測細(xì)小纖維和溶解物對白度的影響，白水經(jīng)過玻璃纖維過濾膜過濾。經(jīng)DS處理的白水導(dǎo)致紙漿白度的降低，單獨(dú)細(xì)小纖維對白度影響要減去未過濾部分對白度影響的值。

實驗發(fā)現(xiàn)，細(xì)小纖維的顏色和濃度是影響紙漿白度的主要因素。雖然DS比細(xì)小纖維含量多，但對紙漿的光學(xué)性能影響較小。在白水中懸浮和溶解物不會引起較大的熱返黃。

每家紙廠的白水質(zhì)量差異巨大，同一家紙廠的不同時間段的白水質(zhì)量也有一定差異。由于白水質(zhì)量對紙漿白度影響很大，合理的檢測紙廠白水質(zhì)量可以找出紙漿白度下降的原因。少量的細(xì)小纖維以及它的光吸收能力能減少白水對紙漿光學(xué)性能的影響。降低細(xì)小纖維含量最簡單有效的方法就是凈化白水系統(tǒng)，合理的檢測白水的方法也可應(yīng)用于優(yōu)化工藝。

崔懂禮編譯自：TAPPI JOURNAL ，2012，VOL.11，NO.3， 71～76