氣泡粘附纖維微觀可視化實驗研究

張文暉，張金朝，江驍雅

(天津市制漿造紙重點實驗室，天津科技大學材料科學與化學工程學院，天津 300457)

氣泡粘附纖維微觀可視化實驗研究

張文暉，張金朝，江驍雅

(天津市制漿造紙重點實驗室，天津科技大學材料科學與化學工程學院，天津 300457)

采用CCD攝像法觀測氣泡粘附纖維的微觀行為，考察纖維性質(zhì)、表面活性劑和CaCl2對氣泡粘附纖維的影響．實驗結(jié)果表明：加入非離子表面活性劑TX-100或陰離子表面活性劑油酸鈉都不利于氣泡粘附纖維；相對于長纖維(1.1mm)，氣泡更容易粘附短纖維(0.6mm)；AKD施膠過的纖維更容易粘附在氣泡上；堿性(pH＝10.5)條件下加入CaCl2將有利于氣泡對纖維的粘附．

纖維；氣泡粘附；可視化；AKD

廢紙作為一種重要的可再生資源，其回收利用具有良好的經(jīng)濟及社會效益，對環(huán)境保護和資源利用都具有十分重要的意義．就工程技術(shù)層面而言，通過改進廢紙制漿工藝以提高二次纖維的利用率是目前解決廢紙資源日趨緊張的重要途徑之一．

據(jù)報道[1]，目前工業(yè)浮選脫墨環(huán)節(jié)中本色漿的纖維流失率為5%～12%；而高品質(zhì)漿的纖維流失率將達到50%．纖維流失途徑主要有兩種：一是通過氣泡粘附纖維進入泡沫層；二是通過物理夾帶進入泡沫層．Li等[2]研究發(fā)現(xiàn)浮選脫墨過程中長纖維較短纖維更容易流失，認為這主要是加入表面活性劑后增強了長纖維表面的疏水性，從而導(dǎo)致長纖維更容易流失．因此他們認為，表面活性劑改變纖維表面疏水性使得纖維更易與氣泡粘附是纖維流失的主要原因．然而，Deng等[3]采用間歇式浮選，從宏觀角度研究纖維流失機理，發(fā)現(xiàn)氣泡粘附纖維導(dǎo)致的纖維流失量只占總流失量的25%～33%．

本文從微觀可視化的角度出發(fā)，研究在不同化學環(huán)境條件下氣泡粘附纖維情況，考察各因素對氣泡粘附纖維的影響．

1 材料與方法

1.1 原料與儀器

9#美廢、漂白硫酸鹽闊葉木漿；烷基烯酮二聚物(AKD，固含量13.8%)，陽離子聚丙烯酰胺(cPAM，相對分子質(zhì)量1×107)；TX-100，化學純，天津江天化工技術(shù)有限公司；油酸鈉、氯化鈣，分析純，天津市江天化工技術(shù)有限公司．

Bauer Mcnett纖維篩分儀，美國TMI公司；912型纖維分析儀，瑞典Lorentzen &Wettre公司；PGX型便攜式接觸角測試儀，美國Thwing-Albert公司．

1.2 實驗方法

纖維分級：采用Bauer Mcmett篩分儀對紙漿纖維進行分級．

纖維表面改性：先向疏解好的紙漿內(nèi)加入cPAM(用量0.1%，相對于絕干漿)后，加入AKD乳液(用量1.0%，相對絕干漿)，抄片，(105±2)℃烘箱內(nèi)烘焙2h，自然熟化12h，備用．測量時對抄好的紙片再次進行碎解并疏解成單根纖維狀態(tài)．

纖維長度測量：采用912型纖維分析儀進行纖維長度測量．

纖維疏水性質(zhì)表征：纖維抄片后采用PGX型便攜式接觸角測試儀測量三相接觸角．

氣泡粘附纖維微觀實驗[4]：把濕漿疏解成單根纖維(濃度約為0.05%)，倒入100mL的方形有機玻璃槽中(如圖1所示)，采用磁力攪拌器攪拌纖維懸浮液，加入表面活性劑至所需濃度，混勻．通過10μL注射器向有機玻璃槽內(nèi)曝入一個氣泡(直徑約為1.6mm)并使之停留在曝氣管口．操作有機玻璃方槽下方的微距升降臺，使有機玻璃方槽緩慢上升，氣泡接近纖維層并逐漸沒入纖維層，直至氣泡完全被纖維層所覆蓋．操作微距升降臺，使有機玻璃方槽緩慢下降，氣泡緩慢脫出纖維層，繼續(xù)使有機玻璃方槽緩慢下降，直至能夠清晰地拍攝到氣泡的狀態(tài)為止．用CCD攝像頭拍下粘附過程，并記錄保存圖像．

圖1 氣泡粘附纖維微觀實驗裝置Fig. 1 Equipment of bubble-fiber attachment

2 結(jié)果與討論

2.1 氣泡粘附未改性纖維

未改性的纖維性質(zhì)見表1．由表1可知：未表面改性的纖維表面呈親水性(三相接觸角小于30o)．目前，浮選脫墨主要在中堿性條件下進行，因此本實驗主要考察pH為7.0和10.5兩種典型條件下的情況．不同TX-100濃度和pH條件對氣泡粘附短纖維的影響如圖2所示．

表1 未改性纖維的性質(zhì)Tab. 1 Properties of unmodified fiber

圖2 TX-100體系中氣泡粘附短纖維的可視化圖像Fig. 2Visualization of bubble-short fiber attachment in TX-100 solution

從圖2可以看出：在非離子型表面活性劑TX-100質(zhì)量濃度為10mg/L與100mg/L，pH為7.0與10.5條件下，氣泡對短纖維無粘附．此外，氣泡對長纖維也無粘附(圖略)．在陰離子型表面活性劑油酸鈉體系中，氣泡對纖維也無粘附(見圖3)．

圖3 油酸鈉體系中氣泡粘附纖維的可視化圖像Fig. 3Visualization of bubble-fiber attachment in oleate sodium solution

表面活性劑對氣泡粘附纖維的影響原因有兩方面：一方面，隨著表面活性劑的加入，氣泡表面會吸附表面活性劑(其疏水端向內(nèi)吸附在氣泡表面，其親水端向外)，從而使得氣泡表面更親水；另一方面，表面活性劑也會吸附在親水的纖維表面，使得纖維表面更疏水．在本實驗條件下，前者的作用明顯大于后者，從而導(dǎo)致氣泡對纖維無粘附．pH對表面活性劑體系中氣泡粘附纖維影響主要是影響纖維表面不同官能團，從而影響表面的疏水性，但其影響不大[2]．

在pH＝10.5、油酸鈉質(zhì)量濃度50mg/L、氯化鈣質(zhì)量濃度100mg/L的條件下，在油酸鈉–氯化鈣體系中，氣泡粘附纖維情況如圖4所示．

由圖4可知：氣泡可以粘附短纖維，而對長纖維無粘附．其主要原因是長纖維質(zhì)量大于短纖維質(zhì)量，長纖維與氣泡之間粘附作用力小于長纖維在液體中有效重力．加入氯化鈣增大了氣泡對纖維的粘附作用的原因可能是：其一，Ca2+或Ca(OH)+吸附在帶負電荷的纖維表面，增大了纖維疏水性[5]；其二，Ca2+或Ca(OH)+與表面活性劑競爭吸附在氣泡表面，由于正電性強和空間位阻小，導(dǎo)致Ca2+優(yōu)先吸附在氣泡表面，阻止氣液界面處的表面張力過快降低．

圖4 油酸鈉–氯化鈣體系中氣泡粘附纖維的可視化圖像Fig. 4Visualization of bubble-fiber attachment in oleate sodium-CaCl2solution

為了進一步研究氯化鈣對氣泡粘附纖維的影響，實驗考察pH分別為5.5、7.0、10.5的條件下，氯化鈣對氣泡粘附纖維的影響，結(jié)果如圖5所示．從圖5可以看出：在酸性和中性條件下，氣泡對短纖維無粘附作用；而在堿性條件下，氣泡可以粘附纖維．這說明氯化鈣很可能是以Ca(OH)+的形態(tài)影響氣泡粘附纖維．

圖5 氯化鈣溶液(100mg/L)中氣泡粘附短纖維的可視化圖像Fig. 5 Visualization of bubble-short fiber attachment in CaCl2solution(100mg/L)

2.2 氣泡粘附改性纖維

本文通過施膠改性模擬廢紙漿中施過膠的纖維．為了便于控制施膠程度(纖維表面疏水性)，采用AKD對闊葉木漂白硫酸鹽漿纖維表面進行改性，改性后的纖維呈疏水性(三相接觸角為130o左右，見表2)．

表2 改性纖維的性質(zhì)Tab. 2 Properties of modified fiber

從圖6中可以看出纖維經(jīng)過施膠，雖然表面呈現(xiàn)疏水性，但由于TX-100吸附在氣泡表面，導(dǎo)致了氣泡表面呈親水化或氣液表面張力的迅速降低，因此在本實驗條件下，氣泡對改性后纖維無粘附．

在pH＝10.5、油酸鈉質(zhì)量濃度50mg/L、氯化鈣質(zhì)量濃度100mg/L的條件下，在油酸鈉–氯化鈣體系中，氣泡粘附改性纖維情況如圖7所示．對比圖4和圖7可以發(fā)現(xiàn)：通過纖維表面改性，增大了氣泡對纖維的粘附，并且氣泡對短纖維粘附量更大．其原因主要是強化了氣泡與纖維間作用或靜電作用．對比圖6和圖7可以發(fā)現(xiàn)，在氯化鈣存在情況下，Ca2+或Ca(OH)+對氣泡表面的“保護”作用減少了油酸鈉在氣泡表面上吸附，防止或減緩了氣泡表面親水化，因此在水質(zhì)硬度大的環(huán)境中，吸附容易粘附疏水性纖維．

圖6 表面活性劑體系中氣泡粘附改性纖維的可視化圖像Fig. 6 Visualization of bubble-modified fiber attachment in surfactant solution

圖7 油酸鈉–氯化鈣體系中氣泡粘附改性纖維的可視化圖像Fig. 7 Visualization of bubble-modified fiber attachment in oleate sodium-CaCl2solution

3 結(jié) 語

采用CCD攝像技術(shù)可得到氣泡粘附纖維的直觀圖像，有助于對纖維流失機理的理解．加入表面活性劑不利于氣泡粘附纖維；相對于長纖維，氣泡更容易粘附短纖維；堿性條件下加入氯化鈣，將有利于氣泡對纖維的粘附，從而導(dǎo)致纖維更易流失；施膠改性后的纖維更易粘附在氣泡上．

［1］ Deng Y. Effect of fiber surface chemistry on the fiber loss in flotation deinking[J]. Tappi Journal，2000，83(6)：61.

［2］ Li M，Muvundamina M. Fractionation of fiber slurries via froth flotation and sedimentation[J]. Progress in Paper Recycling，1995，4(3)：32.

［3］ Deng Y，Abazeri M. True flotation and physical entrapment：The mechanisms of fiber loss in flotation deinking[J]. Nordic Pulp and Paper Research Journal，1997，13(1)：4–9．

［4］ Omota F，Dimian A C，Bliek A. Adhesion of solid particles to gas bubbles. Part 2：Experimental[J]. Chemical Engineering Science，2006，61(2)：835–844.

［5］ Turvey R W. Why do fibres float?[J]. Journal of Pulp and Paper Science，1993，19(2)：J52–J57.

責任編輯：周建軍

Visualization of Air Bubble-fiber Attachement

ZHANG Wenhui，ZHANG Jinzhao，JINAG Xiaoya

(Tianjin Key Laboratory of Pulp and Paper，College of Material Science and Chemical Engineering，Tianjin University of Science & Technology，Tianjin 300457，China)

Effect of fiber properties，surfactant and CaCl2on the bubble-fiber attachment were investigated with CCD in this research. The results show that the addition of nonionic surfactant TX-100 or anionic surfactant sodium oleate cannot enhance the attachment. Compared with long fiber(1.1mm)，bubble is prone to attach short fiber(0.6mm). Bubble is easy to attach AKD sized fiber. Under alkaline conditions(pH＝10.5)，the addition of CaCl2can enhance bubble-fiber attachment.

fiber；bubble attachment；visualization；AKD

TS71＋3

A

1672-6510(2014)04-0026-04

10.13364/j.issn.1672-6510.2014.04.006

2013–11–15；

2013–12–11

國家自然科學基金資助項目(31000284)；天津市制漿造紙重點實驗室(天津科技大學)開放基金資助項目(201303)

張文暉（1982—），男，湖南人，講師，zhangwhui@tust.edu.cn.