陽離子木薯渣二元助留助濾體系的應(yīng)用研究

劉文靜 武書彬，*

(1.華南理工大學(xué)制漿造紙工程國家重點實驗室，廣東廣州，510641;2.華南理工大學(xué)輕工與食品學(xué)院，廣東廣州，510641)

木薯素有“地下糧倉”、“淀粉之王”和“特用作物”之譽(yù)稱，與甘薯、馬鈴薯并稱為世界三大薯類。用木薯制備淀粉、酒精等物質(zhì)后產(chǎn)生的剩余產(chǎn)物即為木薯渣，每年的產(chǎn)量約為80萬～120萬t［1］。目前木薯渣的主要用途為制作有機(jī)肥、飼料、燃料、造紙以及用于生產(chǎn)工業(yè)包裝或一次性花盤等環(huán)保產(chǎn)品［2］。大量的木薯渣剩余堆積下來會對環(huán)境造成較大污染，所含廢水會對植被、土壤造成較大破壞，腐爛過程中產(chǎn)生的毒氣會污染大氣，進(jìn)一步給人和動物帶來健康隱患［3-4］。木薯渣的主要成分是淀粉和纖維素，經(jīng)過醚化反應(yīng)改性后可作為助留助濾劑［5］。隨著造紙技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，傳統(tǒng)的一元助留助濾體系已不再適應(yīng)工藝要求，其存在的缺陷主要有:聚陽離子助留劑誘導(dǎo)的絮凝經(jīng)高剪切力破壞后不能有效地重聚，導(dǎo)致助留效率下降;細(xì)小組分的絮凝明顯地受到體系離子強(qiáng)度的影響。為了滿足現(xiàn)代高速造紙機(jī)及高度白水循環(huán)利用，不同的二元復(fù)合助留系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。

改性木薯渣用作造紙助留助濾劑已有初步研究［6］，但是單獨添加陽離子改性木薯渣存在過陽離子化的風(fēng)險，而且用量比較高，成本較大。本研究主要探討陽離子木薯渣與多種助留劑搭配使用時對廢紙脫墨漿 (DIP)助留助濾和成紙性能的影響，探討陽離子木薯渣對DIP達(dá)到最佳助留助濾效果的二元復(fù)合體系。

1 實驗

1.1 實驗原料

陽離子改性木薯渣 (CPCD):實驗室自制［7］;DIP:廣州造紙集團(tuán)有限公司 (未加填料);細(xì)小纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù) (通過孔徑為 75 μm的篩網(wǎng))為26.7%;沉淀碳酸鈣 (PCC)、膨潤土、陽離子淀粉(CS)、陽離子聚丙烯酰胺 (CPAM):廣州造紙集團(tuán)有限公司;聚合氯化鋁 (PAC):任丘市北方化工有限公司。其中PAC、膨潤土、CS、CPAM、CPCD的物理性質(zhì)如表1所示。

表1 助劑的物理性質(zhì)

1.2 實驗儀器

DFR 04mμ TEK動態(tài)濾水儀，瑞典BTG公司;S-3100紫外分光光度計;PTI標(biāo)準(zhǔn)纖維疏解機(jī);Sartorius PB-2 pH計;712數(shù)顯電導(dǎo)率儀，Metrohm(瑞士);MESSMER 255標(biāo)準(zhǔn)紙頁手動抄片機(jī)。

1.3 實驗方法

1.3.1 紙漿中細(xì)小組分單程留著率和動態(tài)濾水的測定方法

本實驗采用TEK動態(tài)濾水儀 (簡稱DDJ)測量細(xì)小組分單程留著率 (FPR)和漿料的濾水性能。配制一定濃度的漿料 (0.3%～0.5%)調(diào)節(jié)好pH值和電導(dǎo)率，加入用量為30%(對絕干漿)的PCC，然后把漿料倒入DDJ，設(shè)定轉(zhuǎn)速為750 r/min，開動攪拌器，在一定速度下攪拌一定時間后打開閥門，測定60 s濾水時間內(nèi)的濾液質(zhì)量，并用該質(zhì)量表征漿料的濾水性能。同時用紫外分光光度計測定濾液的濁度［8］，通過濃度與濁度的標(biāo)準(zhǔn)曲線計算出濾液的濃度，進(jìn)而求出細(xì)小組分的FPR。測得濾液濃度 (C)與濁度 (A)的標(biāo)準(zhǔn)曲線是C=(A+0.038)/34.79。細(xì)小組分FPR是指漿料通過造紙網(wǎng)留在紙幅上的細(xì)小組分與漿料中總細(xì)小組分的百分比，計算公式為:

1.3.2 紙張物理性能測定

取計算好的漿料于高速攪拌疏解機(jī)中疏解3 min，將疏解后的漿料倒入燒杯中，添加所需的助劑，攪拌吸附一定時間后加入紙樣抄片器，抄造手抄片。將抄好的紙張烘干后在 (23±1)℃、(50±2)%的恒溫恒濕條件下處理24 h，然后測定其物理性能。分別按GB/T 453—2002、 GB/T 455—2002、 GB/T 454—2002測定和計算紙張抗張強(qiáng)度、撕裂度、耐破度。

2 結(jié)果與討論

2.1 PAC-CPCD二元助留助濾體系對DIP留著及濾水性能的影響

PAC可作為陰離子垃圾固著劑對漿料進(jìn)行預(yù)處理，以凈化造紙體系中的溶解和膠體物質(zhì) (DCS)，并增強(qiáng)CPCD的助留助濾效果。PAC不僅pH值適用范圍廣，在中堿性條件下作為陰離子垃圾捕集劑的效果最好，而且它首先中和陰離子膠體物質(zhì)，其次是細(xì)小纖維［9］。單獨添加PAC對漿料助留助濾性能的影響如圖1所示。

圖1 PAC用量對漿料留著和濾水性能的影響

由圖1可以看出，添加了PAC后漿料的留著及濾水性能呈現(xiàn)先增加后趨于平緩的趨勢，在PAC用量為0.4%的時候FPR最高，60 s濾液的質(zhì)量比較高，助留助濾效果最好。由圖1可知，考慮到助留助濾效果和生產(chǎn)成本，PAC的用量為0.4%～0.8%比較合適。為了優(yōu)化助劑的使用效果，先固定PAC用量為0.6%，分別添加不同用量的CPCD，觀察CPCD對PAC-CPCD二元助留助濾體系的影響，結(jié)果見圖2。

由圖2(a)可以看出，添加了0.6%PAC的二元助留助濾體系隨著CPCD用量的增加，F(xiàn)PR先上升后下降。FPR在CPCD的用量為0.4%時達(dá)到了最大值，比單獨添加CPCD的一元助留助濾體系增加了11.4個百分點。由圖2(b)可以看出，在CPCD用量為0.4%時，60 s濾液質(zhì)量也達(dá)到了最大值，為294.4 g，比CPCD一元助留助濾體系增加了3.1%。其原因是PAC能夠促進(jìn)纖維的凝聚，導(dǎo)致纖維的比表面積降低，形成大的凝聚體，加快了脫水作用，提高了漿料的濾水速度。當(dāng)CPCD用量超過0.4%時，60 s濾液質(zhì)量略有降低。綜上所述，添加PAC后可以在CPCD用量很小的情況下達(dá)到與CPCD用量大的情況下相同的助留效果，所以在PAC-CPCD二元助留助濾體系中，選擇PAC用量為0.6%，CPCD用量為0.4%～0.6%，漿料的留著及濾水性能較好。

圖2 CPCD用量對PAC-CPCD助留助濾體系的影響

圖3 CPCD用量對CPCD-膨潤土助留助濾體系的影響

2.2 CPCD-膨潤土二元助留助濾體系對DIP留著及濾水性能的影響

目前微粒助留助濾體系在造紙中獲得大量的應(yīng)用，表現(xiàn)出諸多優(yōu)點，如高的抗剪切力性、高的抗電解質(zhì)性和再絮凝性;成紙的高透氣性;網(wǎng)部及壓榨部的高脫水性等。與雙元聚合系統(tǒng)相比，在相同絮凝條件下，微粒系統(tǒng)有中等尺寸的絮聚體，因此即使達(dá)到高的助留效果，該系統(tǒng)也有較好的勻度。CPCD在實際應(yīng)用時容易導(dǎo)致陽離子電荷過量的危險，針對這一情況，本實驗探索CPCD和膨潤土組成微粒助留助濾體系，開發(fā)出一種既不會導(dǎo)致漿料中陽電荷過量，又可以降低生產(chǎn)成本的微粒助留助濾體系［10］。為了優(yōu)化助劑的使用效果，固定膨潤土用量為0.4%，分別添加不同用量的CPCD，研究CPCD用量對CPCD-膨潤土二元助留助濾體系的影響，結(jié)果見圖3。

由圖3(a)可以看出，在CPCD-膨潤土二元助留助濾體系中，隨著CPCD用量的增加，F(xiàn)PR逐漸增加，在CPCD用量為0.4%之后，F(xiàn)PR增加的趨勢變緩。當(dāng)CPCD用量為0.4%時，F(xiàn)PR比單獨添加CPCD的一元助留助濾體系增加了8.89個百分點，這可能是由于加入CPCD后，其以橋聯(lián)機(jī)理引起漿料各組分的初始絮聚，經(jīng)高剪切作用破壞后暴露出更多的CPCD鏈段，為帶負(fù)電荷的膨潤土提供更多的吸附點，當(dāng)加入帶負(fù)電荷的膨潤土后靠靜電中和作用及氫鍵作用吸附于CPCD的鏈圈鏈尾之間，將破碎后的小絮聚體重新橋聯(lián)起來或?qū)⒓?xì)小纖維的絮聚體直接橋聯(lián)到纖維上，形成尺寸更小的微小絮聚體，提高留著率。由圖3(b)可以看出，CPCD-膨潤土二元助留助濾體系中，隨著CPCD用量的增加，60 s濾液質(zhì)量略微有增加的趨勢，最高值可達(dá)285.6 g，與CPCD一元助留助濾體系相比改善了漿料的濾水性能。綜上所述，考慮到助留助濾效果和生產(chǎn)成本，在膨潤土用量為0.4%的條件下，CPCD的用量為0.4% ～0.8%最佳。

2.3 不同助留助濾體系對漿料陽離子需求量的影響

圖4為單獨 CPCD、PAC-CPCD二元助留助濾體系和CPCD-膨潤土二元助留助濾體系 (此3種助留助濾體系中CPCD是變量)對漿料陽離子需求量的影響。

圖4 不同助留助濾體系對漿料陽離子需求量的影響

由圖4可以看出，二元助留助濾體系漿料的陽離子需求量均較CPCD一元助留助濾體系有所減小;二元助留助濾體系PAC-CPCD漿料的陽離子需求量下降的幅度較小;而且在CPCD不同用量下PAC-CPCD二元助留助濾體系的陽離子需求量變化不是特別明顯。其原因是在PAC-CPCD二元助留助濾體系中PAC帶陽電荷，中和了漿料中的部分負(fù)電荷，所以比CPCD一元助留助濾體系陽電荷需求量小。綜上所述，添加了PAC之后再添加CPCD，減少了漿料的陰離子垃圾，有利于CPCD發(fā)揮助留作用。

2.4 不同助留助濾體系對DIP的留著、濾水性能的影響

本實驗將不同種類的助留劑分別加入DIP中，觀察它們對漿料留著和濾水性能的影響，實驗結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同助留助濾體系對漿料留著和濾水性能的影響

由圖5可以看出，助留助濾體系的種類對DIP的留著和濾水性能有一定影響。在不同的陽離子助劑中，CPCD-CPAM組成的二元助留助濾體系對DIP的留著效果優(yōu)于其他的陽離子助劑搭配使用效果。其次，PAC和CPCD搭配使用對漿料的留著效果較好，這種搭配也具有優(yōu)良的助濾效果，出于對生產(chǎn)成本和助留助濾效果的考慮，可選擇PAC-CPCD作為DIP的二元復(fù)合助留助濾體系。

2.5 二元助留助濾體系對紙張性能的影響

2.5.1 對勻度和緊度的影響

圖6為添加不同助劑對紙張勻度和緊度的影響。由圖6可以看出，與不加助劑相比，4種助劑紙張的勻度指數(shù)都有所增加，緊度都有所減小。因為加入助留劑后增加了漿料的絮聚程度，所以使得紙張的勻度變差，緊度變小。在4種助劑搭配體系中，CPAM單獨使用時其勻度指數(shù)最大，可見，CPAM對紙張的勻度影響最大。而CPCD-膨潤土加入漿料后，紙張的勻度指數(shù)比較低，緊度較大，在這4種助劑搭配體系中其對紙張的勻度影響最小。原因是膨潤土可以與漿料形成結(jié)構(gòu)更致密的微小絮聚體，所以對勻度和緊度的影響比較小。同時還可以看出，添加了CPCD-CPAM二元助留助濾體系的成紙的勻度和緊度比CPAM一元助留助濾體系得到改善。綜上所述，采用CPCD和膨潤土組成的微粒助留助濾體系對紙張的勻度影響較小，在提高FPR的同時，紙張還具有較好的勻度和緊度。

圖6 不同助留助濾體系對紙張勻度和緊度的影響

2.5.2 對紙張強(qiáng)度的影響

表2為不同助留助濾體系對紙張強(qiáng)度性能的影響。從表2可以看出，與一元助留助濾體系相比，二元助留助濾體系可以提高紙張的強(qiáng)度。對于PACCPCD助留助濾體系來說，隨著PAC用量的增加，紙張的各項強(qiáng)度指標(biāo)大體呈先增加后減小的趨勢;當(dāng)PAC用量為0.6%時，其抗張指數(shù)、撕裂指數(shù)、耐破指數(shù)達(dá)到最大值，分別比CPCD一元助留助濾體系增加了7.52%、19.0%、5.33%。對于 CPCD-膨潤土助留助濾體系來說，膨潤土用量為0.2%時，抗張指數(shù)最高，在膨潤土用量為0.8%時，其撕裂指數(shù)和耐破指數(shù)比較高。從降低生產(chǎn)成本來看，選擇膨潤土的用量為0.2%比較好，此時其抗張指數(shù)比CPCD一元助留助濾體系增加了14.5%。

表2 不同助留助濾體系對紙張強(qiáng)度的影響

3 結(jié)論

本實驗研究了由陽離子木薯渣 (CPCD)與聚合氯化鋁 (PAC)、膨潤土等組成的二元助留助濾體系對廢紙脫墨漿 (DIP)留著、濾水性能及對紙張物理性能的影響。

3.1 在PAC-CPCD助留助濾體系中，PAC的用量為0.6%、CPCD的用量為0.4%時，細(xì)小組分單程留著率 (FPR)比CPCD一元助留助濾體系增加了11.4個百分點，同時60 s濾液質(zhì)量達(dá)294.4 g，比CPCD一元助留助濾體系增加了3.1%。

3.2 在CPCD-膨潤土助留助濾體系中，CPCD用量為0.4%、膨潤土用量為0.4%時，F(xiàn)PR比CPCD一元助留助濾體系增加了8.89個百分點，所以在CPCD-膨潤土助留助濾體系中膨潤土用量為0.4%時，CPCD的用量為0.4% ～0.8%最佳。

3.3 在不同的助留助濾體系中，添加PAC-CPCD后，漿料的陽離子需求量比較小，F(xiàn)PR和60 s濾液質(zhì)量都比較高，作為DIP的助留助濾劑比較好。

3.4 在PAC-CPCD助留助濾體系中，當(dāng)PAC用量為0.6%、CPCD用量為0.5%時，紙張抗張指數(shù)、撕裂指數(shù)、耐破指數(shù)達(dá)到了最大值，分別比CPCD一元助留助濾體系增加了7.52%、19.0%、5.33%。在CPCD-膨潤土微粒助留助濾體系中，膨潤土用量為0.2%、CPCD用量為0.5%時，紙張的強(qiáng)度效果比較好，此時紙張抗張指數(shù)比CPCD一元助留助濾體系增加了14.5%，而且CPCD-膨潤土微粒助留助濾體系對紙張勻度影響較小，在提高FPR的同時，紙張具有較好的勻度和緊度。

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