糖廠濾泥作為造紙?zhí)盍系难芯?/h1>
2014-09-10 10:16:34陳寶娣楊瑞豐郭繼強
中國造紙 2014年4期
陳寶娣 李 寧 楊瑞豐 郭繼強，*
(1.大連工業(yè)大學生物工程學院，遼寧大連，116034;
2.大連工業(yè)大學遼寧省制漿造紙工程重點實驗室，遼寧大連，116034)
糖廠濾泥是糖廠生產后的大宗廢物，我國每年在生產上千萬噸糖的同時，也會產生上百萬噸濾泥，若處理不當會造成水體和空氣嚴重污染［1］。干濾泥中含有少量的有機和無機雜質，但其CaCO3含量可達80%以上且粒度較細。CaCO3作為一種重要的無機化工產品，廣泛應用于造紙、橡膠、塑料等領域［2］。若濾泥中的CaCO3能用于糖廠的下游企業(yè)，不僅減少環(huán)境污染而且還會大大降低制品成本，還可省去開采、破碎等各項費用［3］，使糖廠濾泥變廢為寶。造紙過程中需要添加大量填料，CaCO3作為造紙?zhí)盍暇哂谐杀镜汀碓磸V等優(yōu)點，是造紙行業(yè)中用量最大的無機填料［4-6］。造紙工業(yè)對填料 CaCO3的純度、白度、粒徑等各項指標均有嚴格要求，符合要求的Ca-CO3才能用于造紙工藝中生產合格產品［7］。
本實驗對糖廠濾泥 (以下簡稱濾泥)在造紙加填中的應用進行了初步探討。濾泥在造紙加填中的應用還未見文獻報道，這將為我國造紙工業(yè)以及制糖工業(yè)的低碳可持續(xù)發(fā)展開辟新途徑。針對濾泥中CaCO3純度和白度較低的特點，本實驗首先從凈化和漂白兩方面對濾泥進行預處理，利用霉菌和堿凈化濾泥，用漂白劑漂白濾泥，以期提高濾泥在造紙中加填應用的可能性，然后探討濾泥用量對紙張性能的影響，最后與商品輕質碳酸鈣 (PCC)加填紙的性能進行對比，初步探討濾泥在造紙加填中的應用性能。
1 實驗
1.1 實驗原料
濾泥，取自林西嶺山糖業(yè)有限責任公司;漂白葦漿，白度為78%，取自振興紙業(yè);供試菌種Ⅰ (根毛霉屬菌)、菌種Ⅱ (曲霉屬菌)，從供試濾泥中篩選而得;陽離子聚丙烯酰胺 (CPAM)、陽離子淀粉、PCC、NaOH，均為分析純，天津市科密歐化學試劑有限公司。保險粉 (PL1)、強力還原劑 (PL2)，青島凱勝化學制品有限公司。
1.2 實驗儀器
UV-2000型紫外可見分光光度計，龍尼柯 (上海)儀器有限公司;微量凱氏定氮儀，上海分析儀器廠;JAPAN日立180-80塞曼原子吸收光譜儀，日本日立公司;紙樣抄取器，陜西科技大學機械廠制造;Folding Endurance Tester、Burst Tester、Horizontal Tensile Testing Machine、Elmendorf Tearing Tester TS，FRANK-PTI GmbH公司;CTPC白度儀，Technidyne Corporation。
1.3 實驗方法
1.3.1 濾泥主要組分測定
采用苯酚硫酸法［8］測定濾泥中的總糖含量。采用凱氏定氮法［9］和考馬斯亮藍法［10］測定濾泥中的總氮含量。采用原子吸收光譜法［11］測定濾泥中Ca元素含量。
1.3.2 濾泥的凈化
針對濾泥中含有的部分有機物，先用霉菌對其初步凈化，再用一定量的NaOH處理，進一步去除濾泥中有機物并提高濾泥白度。由于濾泥成分復雜，單一菌體對濾泥的凈化不能達到理想效果，所以將兩種菌復合使用。通過對大量預實驗的結果分析，確定供試菌種的復合比例范圍，同時考慮到實際操作的可行性。本實驗所用菌Ⅰ和菌Ⅱ的復合比例 (體積比)為:1∶4、2∶3、1∶1、3∶2、4∶1。
1.3.3 漂白劑的選擇
針對濾泥白度較低的特點，分別選取次氯酸鈣、硫代硫酸鈉、保險粉 (PL1)、強力還原劑 (PL2)、鋅粉對濾泥進行漂白實驗。
1.3.4 漂白劑的選擇和漂白工藝優(yōu)化
通過對不同漂白效果的比較，選出對濾泥作用效果最佳的漂白劑，然后從該漂白劑的反應溫度、用量、反應時間3個因素進行考查得到其最適反應條件。
1.3.5 紙張抄造
將一定量的漂白葦漿于纖維疏解機中充分疏解，并在疏解后的漿料中加入0.04%的CPAM(相對于絕干漿)和0.5%的陽離子淀粉 (相對于絕干漿)，以提高填料的留著率［12］，最后加入一定量的填料。手抄片在國產抄片器上按GB 7981—1987標準抄造，定量為80 g/m2。
1.3.6 紙張物理性能檢測
紙張于恒溫恒濕環(huán)境下平衡水分24 h后，其物理性能按相應國家標準測定。
2 結果與討論
2.1 濾泥主要成分分析
經分析可知，濾泥中總氮含量為2.3%，總糖含量為6.4%，說明濾泥中含有供菌體生長的碳源和氮源，為霉菌凈化糖廠濾泥提供了依據。濾泥中Ca元素含量為35.8%，為濾泥在造紙中加填應用提供了依據。
2.2 濾泥凈化效果分析
在pH值8、溫度30℃、接種量6%、轉速150 r/min的條件下，對兩種菌選取以上復合比例進行3天實驗，測菌體的耗糖量和耗蛋白量，結果如圖1所示。由圖1可知，兩種菌的不同比例對凈化效果有明顯影響。其中V(菌Ⅰ)∶V(菌Ⅱ)=2∶3時，混合菌體對濾泥的耗糖量和耗蛋白量均達到最大。此時，濾泥中剩余有機物含量占濾泥CaCO3含量的1.39%。在此基礎上用質量分數為40%的NaOH溶液對濾泥進一步凈化，經過該處理后，濾泥中有機物含量僅占濾泥CaCO3含量的0.14%，濾泥白度達到51.5%。
2.3 漂白劑對濾泥CaCO3增白效果的影響
圖1 兩種菌種復合比例對濾泥凈化效果的影響
在溫度100℃、時間1 h、用量5%(相對絕干濾泥)的條件下，分別加入次氯酸鈣、PL1、PL2、硫代硫酸鈉、鋅粉對濾泥進行漂白實驗，結果如圖2所示。由圖2可知，在相同條件下，PL2對濾泥的漂白效果最佳，濾泥白度為54.8%。所以，本研究以PL2為漂白劑進行后續(xù)實驗。
圖2 漂白劑種類對濾泥增白效果的影響
2.4 漂白劑的最適反應條件
2.4.1 溫度對漂白效果的影響
在漂白劑PL2用量5%、反應時間1 h的條件下進行實驗，并測不同溫度下濾泥白度，結果如圖3所示。由圖3所示，隨著反應溫度的升高，PL2的漂白效果逐漸增強，100℃時濾泥的白度可達到57.2%。這說明高溫有利于提高PL2的漂白能力。但在實際生產中若想將溫度升高到100℃以上，必須對生產設備進行加壓處理，這樣會大大增加生產成本。經綜合分析，不再考慮更高反應溫度下的實驗結果。本研究選取100℃為該漂白劑的最適反應溫度。
圖3 反應溫度對漂白效果的影響
2.4.2 漂白劑用量對漂白效果的影響
在反應溫度100℃、反應時間1 h的條件下進行實驗，并測不同漂白劑用量下濾泥的白度，結果如圖4所示。由圖4可知，隨著PL2用量的升高，濾泥的白度呈先上升后下降的趨勢，其中在用量為6%時，濾泥白度達到最大值58.7%。這可能是由于PL2的用量過大會使濾泥中帶有顏色的金屬離子還原出來，而影響其白度。所以本實驗選取PL2的最適用量為6%。
圖4 漂白劑用量對漂白效果的影響
2.4.3 反應時間對漂白效果的影響
在反應溫度100℃、PL2用量6%的條件下進行實驗并測相應條件下的白度值，結果如圖5所示。由圖5可知，隨著反應時間的延長，濾泥的白度呈先上升后下降的趨勢，這說明漂白劑對濾泥的漂白需要一定時間，其中反應時間為1.5 h時白度達到最大值59.5%?？赡苁且驗殡S著反應時間增加漂白劑消耗增多，濾泥中的發(fā)色物質可能重新顯色，白度下降，因此本實驗選取PL2的最適反應時間為1.5 h。
圖5 反應時間對漂白效果的影響
2.5 濾泥用量對紙張性能的影響
圖6和圖7分別為濾泥用量對紙張強度性能的影響。由圖6和圖7可知，隨濾泥用量的增加，紙張的撕裂指數、耐折度、抗張指數、耐破指數均呈下降趨勢。總體來看，隨濾泥用量的增加，對紙張強度性能會產生不利影響。但在濾泥用量不超過20%時，能滿足某些紙張的使用要求。因此在減少成本的基礎上可以適當增加濾泥的用量。
圖8為濾泥用量對紙張白度的影響。由圖8可知，隨濾泥用量的增加，紙張白度呈下降趨勢，當濾泥用量超過20%時，白度驟降。在實際生產中可以通過將濾泥和商品PCC混合使用來改善紙張白度。
圖6 濾泥用量對紙張撕裂指數和耐折度的影響
圖7 濾泥用量對紙張抗張指數和耐破指數的影響
圖8 濾泥用量對紙張白度的影響
圖9為濾泥用量對紙張不透明度和灰分的影響。由圖9可知，隨濾泥用量的增加，紙張不透明度呈上升趨勢，灰分呈先上升后趨于平緩的趨勢。當濾泥用量超過20%時，隨濾泥用量的增加其紙張的灰分基本不變，即填料留著率幾乎不變。
綜上所述，若將濾泥用量控制在20%，紙張的各項性能均能滿足某些紙張的使用要求，因此從經濟角度和生產需要考慮，本研究選取濾泥的最佳用量為20%。另外，還可進一步對工藝進行優(yōu)化，如添加增強劑或與商品PCC混合使用等方法來改善紙張的各項物理性能。
圖9 濾泥用量對紙張不透明度和灰分的影響
2.6 濾泥和商品PCC對紙張性能的影響
在濾泥和商品PCC用量均為20%，紙張定量均為80 g/m2的條件下，將所抄紙張的物理性能進行比較，結果如表1所示。由表1可知，濾泥加填紙的白度較商品PCC加填紙白度低6.3個百分點，撕裂指數低1.59 mN·m2/g，不透明度低1.7個百分點，但其抗張指數、耐破指數、耐折度均較高。綜合來看，經過處理的濾泥可用于造紙加填。
3 結論
3.1 混合霉菌和堿對糖廠濾泥的凈化效果較好，可使濾泥中殘存有機物含量僅占濾泥CaCO3含量的0.14%，濾泥的白度達到51.5%。
3.2 對不同漂白劑漂白效果的比較可知，強力還原劑 (PL2)的漂白效果最佳，其最適反應條件為:反應溫度100℃，用量6%，反應時間1.5 h，在此反應條件下獲得的濾泥白度可達59.5%。
3.3 將濾泥作為填料對紙張進行加填，隨濾泥用量的增加，紙張的各項強度指標和白度均有不同程度的降低，但考慮到既降低生產成本又能滿足某些紙種的特定使用要求，本實驗濾泥的最佳用量為20%。
3.4 在糖廠濾泥和商品PCC用量均為20%、紙張定量均為80 g/m2的條件下，由所抄紙張物理性能比較可知，糖廠濾泥加填紙的性能除白度、撕裂指數、不透明度稍低外，其抗張指數、耐破指數、耐折度均有所提高。這說明糖廠濾泥可以試探性地應用在造紙工業(yè)中，但對于糖廠濾泥在造紙中應用是否具有優(yōu)勢還需進一步探討。
表1 濾泥和商品PCC對紙張物理性能的比較
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2.大連工業(yè)大學遼寧省制漿造紙工程重點實驗室，遼寧大連，116034)
糖廠濾泥是糖廠生產后的大宗廢物，我國每年在生產上千萬噸糖的同時，也會產生上百萬噸濾泥，若處理不當會造成水體和空氣嚴重污染［1］。干濾泥中含有少量的有機和無機雜質，但其CaCO3含量可達80%以上且粒度較細。CaCO3作為一種重要的無機化工產品，廣泛應用于造紙、橡膠、塑料等領域［2］。若濾泥中的CaCO3能用于糖廠的下游企業(yè)，不僅減少環(huán)境污染而且還會大大降低制品成本，還可省去開采、破碎等各項費用［3］，使糖廠濾泥變廢為寶。造紙過程中需要添加大量填料，CaCO3作為造紙?zhí)盍暇哂谐杀镜汀碓磸V等優(yōu)點，是造紙行業(yè)中用量最大的無機填料［4-6］。造紙工業(yè)對填料 CaCO3的純度、白度、粒徑等各項指標均有嚴格要求，符合要求的Ca-CO3才能用于造紙工藝中生產合格產品［7］。
本實驗對糖廠濾泥 (以下簡稱濾泥)在造紙加填中的應用進行了初步探討。濾泥在造紙加填中的應用還未見文獻報道，這將為我國造紙工業(yè)以及制糖工業(yè)的低碳可持續(xù)發(fā)展開辟新途徑。針對濾泥中CaCO3純度和白度較低的特點，本實驗首先從凈化和漂白兩方面對濾泥進行預處理，利用霉菌和堿凈化濾泥，用漂白劑漂白濾泥，以期提高濾泥在造紙中加填應用的可能性，然后探討濾泥用量對紙張性能的影響，最后與商品輕質碳酸鈣 (PCC)加填紙的性能進行對比，初步探討濾泥在造紙加填中的應用性能。
1 實驗
1.1 實驗原料
濾泥，取自林西嶺山糖業(yè)有限責任公司;漂白葦漿，白度為78%，取自振興紙業(yè);供試菌種Ⅰ (根毛霉屬菌)、菌種Ⅱ (曲霉屬菌)，從供試濾泥中篩選而得;陽離子聚丙烯酰胺 (CPAM)、陽離子淀粉、PCC、NaOH，均為分析純，天津市科密歐化學試劑有限公司。保險粉 (PL1)、強力還原劑 (PL2)，青島凱勝化學制品有限公司。
1.2 實驗儀器
UV-2000型紫外可見分光光度計，龍尼柯 (上海)儀器有限公司;微量凱氏定氮儀，上海分析儀器廠;JAPAN日立180-80塞曼原子吸收光譜儀，日本日立公司;紙樣抄取器，陜西科技大學機械廠制造;Folding Endurance Tester、Burst Tester、Horizontal Tensile Testing Machine、Elmendorf Tearing Tester TS，FRANK-PTI GmbH公司;CTPC白度儀，Technidyne Corporation。
1.3 實驗方法
1.3.1 濾泥主要組分測定
采用苯酚硫酸法［8］測定濾泥中的總糖含量。采用凱氏定氮法［9］和考馬斯亮藍法［10］測定濾泥中的總氮含量。采用原子吸收光譜法［11］測定濾泥中Ca元素含量。
1.3.2 濾泥的凈化
針對濾泥中含有的部分有機物，先用霉菌對其初步凈化，再用一定量的NaOH處理，進一步去除濾泥中有機物并提高濾泥白度。由于濾泥成分復雜，單一菌體對濾泥的凈化不能達到理想效果，所以將兩種菌復合使用。通過對大量預實驗的結果分析，確定供試菌種的復合比例范圍，同時考慮到實際操作的可行性。本實驗所用菌Ⅰ和菌Ⅱ的復合比例 (體積比)為:1∶4、2∶3、1∶1、3∶2、4∶1。
1.3.3 漂白劑的選擇
針對濾泥白度較低的特點，分別選取次氯酸鈣、硫代硫酸鈉、保險粉 (PL1)、強力還原劑 (PL2)、鋅粉對濾泥進行漂白實驗。
1.3.4 漂白劑的選擇和漂白工藝優(yōu)化
通過對不同漂白效果的比較，選出對濾泥作用效果最佳的漂白劑，然后從該漂白劑的反應溫度、用量、反應時間3個因素進行考查得到其最適反應條件。
1.3.5 紙張抄造
將一定量的漂白葦漿于纖維疏解機中充分疏解，并在疏解后的漿料中加入0.04%的CPAM(相對于絕干漿)和0.5%的陽離子淀粉 (相對于絕干漿)，以提高填料的留著率［12］，最后加入一定量的填料。手抄片在國產抄片器上按GB 7981—1987標準抄造，定量為80 g/m2。
1.3.6 紙張物理性能檢測
紙張于恒溫恒濕環(huán)境下平衡水分24 h后，其物理性能按相應國家標準測定。
2 結果與討論
2.1 濾泥主要成分分析
經分析可知，濾泥中總氮含量為2.3%，總糖含量為6.4%，說明濾泥中含有供菌體生長的碳源和氮源，為霉菌凈化糖廠濾泥提供了依據。濾泥中Ca元素含量為35.8%，為濾泥在造紙中加填應用提供了依據。
2.2 濾泥凈化效果分析
在pH值8、溫度30℃、接種量6%、轉速150 r/min的條件下，對兩種菌選取以上復合比例進行3天實驗，測菌體的耗糖量和耗蛋白量，結果如圖1所示。由圖1可知，兩種菌的不同比例對凈化效果有明顯影響。其中V(菌Ⅰ)∶V(菌Ⅱ)=2∶3時，混合菌體對濾泥的耗糖量和耗蛋白量均達到最大。此時，濾泥中剩余有機物含量占濾泥CaCO3含量的1.39%。在此基礎上用質量分數為40%的NaOH溶液對濾泥進一步凈化，經過該處理后，濾泥中有機物含量僅占濾泥CaCO3含量的0.14%，濾泥白度達到51.5%。
2.3 漂白劑對濾泥CaCO3增白效果的影響
圖1 兩種菌種復合比例對濾泥凈化效果的影響
在溫度100℃、時間1 h、用量5%(相對絕干濾泥)的條件下，分別加入次氯酸鈣、PL1、PL2、硫代硫酸鈉、鋅粉對濾泥進行漂白實驗，結果如圖2所示。由圖2可知，在相同條件下，PL2對濾泥的漂白效果最佳，濾泥白度為54.8%。所以，本研究以PL2為漂白劑進行后續(xù)實驗。
圖2 漂白劑種類對濾泥增白效果的影響
2.4 漂白劑的最適反應條件
2.4.1 溫度對漂白效果的影響
在漂白劑PL2用量5%、反應時間1 h的條件下進行實驗，并測不同溫度下濾泥白度，結果如圖3所示。由圖3所示，隨著反應溫度的升高，PL2的漂白效果逐漸增強，100℃時濾泥的白度可達到57.2%。這說明高溫有利于提高PL2的漂白能力。但在實際生產中若想將溫度升高到100℃以上，必須對生產設備進行加壓處理，這樣會大大增加生產成本。經綜合分析，不再考慮更高反應溫度下的實驗結果。本研究選取100℃為該漂白劑的最適反應溫度。
圖3 反應溫度對漂白效果的影響
2.4.2 漂白劑用量對漂白效果的影響
在反應溫度100℃、反應時間1 h的條件下進行實驗，并測不同漂白劑用量下濾泥的白度，結果如圖4所示。由圖4可知，隨著PL2用量的升高，濾泥的白度呈先上升后下降的趨勢，其中在用量為6%時，濾泥白度達到最大值58.7%。這可能是由于PL2的用量過大會使濾泥中帶有顏色的金屬離子還原出來，而影響其白度。所以本實驗選取PL2的最適用量為6%。
圖4 漂白劑用量對漂白效果的影響
2.4.3 反應時間對漂白效果的影響
在反應溫度100℃、PL2用量6%的條件下進行實驗并測相應條件下的白度值，結果如圖5所示。由圖5可知，隨著反應時間的延長，濾泥的白度呈先上升后下降的趨勢，這說明漂白劑對濾泥的漂白需要一定時間，其中反應時間為1.5 h時白度達到最大值59.5%?？赡苁且驗殡S著反應時間增加漂白劑消耗增多，濾泥中的發(fā)色物質可能重新顯色，白度下降，因此本實驗選取PL2的最適反應時間為1.5 h。
圖5 反應時間對漂白效果的影響
2.5 濾泥用量對紙張性能的影響
圖6和圖7分別為濾泥用量對紙張強度性能的影響。由圖6和圖7可知，隨濾泥用量的增加，紙張的撕裂指數、耐折度、抗張指數、耐破指數均呈下降趨勢。總體來看，隨濾泥用量的增加，對紙張強度性能會產生不利影響。但在濾泥用量不超過20%時，能滿足某些紙張的使用要求。因此在減少成本的基礎上可以適當增加濾泥的用量。
圖8為濾泥用量對紙張白度的影響。由圖8可知，隨濾泥用量的增加，紙張白度呈下降趨勢，當濾泥用量超過20%時，白度驟降。在實際生產中可以通過將濾泥和商品PCC混合使用來改善紙張白度。
圖6 濾泥用量對紙張撕裂指數和耐折度的影響
圖7 濾泥用量對紙張抗張指數和耐破指數的影響
圖8 濾泥用量對紙張白度的影響
圖9為濾泥用量對紙張不透明度和灰分的影響。由圖9可知，隨濾泥用量的增加，紙張不透明度呈上升趨勢，灰分呈先上升后趨于平緩的趨勢。當濾泥用量超過20%時，隨濾泥用量的增加其紙張的灰分基本不變，即填料留著率幾乎不變。
綜上所述，若將濾泥用量控制在20%，紙張的各項性能均能滿足某些紙張的使用要求，因此從經濟角度和生產需要考慮，本研究選取濾泥的最佳用量為20%。另外，還可進一步對工藝進行優(yōu)化，如添加增強劑或與商品PCC混合使用等方法來改善紙張的各項物理性能。
圖9 濾泥用量對紙張不透明度和灰分的影響
2.6 濾泥和商品PCC對紙張性能的影響
在濾泥和商品PCC用量均為20%，紙張定量均為80 g/m2的條件下，將所抄紙張的物理性能進行比較，結果如表1所示。由表1可知，濾泥加填紙的白度較商品PCC加填紙白度低6.3個百分點，撕裂指數低1.59 mN·m2/g，不透明度低1.7個百分點，但其抗張指數、耐破指數、耐折度均較高。綜合來看，經過處理的濾泥可用于造紙加填。
3 結論
3.1 混合霉菌和堿對糖廠濾泥的凈化效果較好，可使濾泥中殘存有機物含量僅占濾泥CaCO3含量的0.14%，濾泥的白度達到51.5%。
3.2 對不同漂白劑漂白效果的比較可知，強力還原劑 (PL2)的漂白效果最佳，其最適反應條件為:反應溫度100℃，用量6%，反應時間1.5 h，在此反應條件下獲得的濾泥白度可達59.5%。
3.3 將濾泥作為填料對紙張進行加填，隨濾泥用量的增加，紙張的各項強度指標和白度均有不同程度的降低，但考慮到既降低生產成本又能滿足某些紙種的特定使用要求，本實驗濾泥的最佳用量為20%。
3.4 在糖廠濾泥和商品PCC用量均為20%、紙張定量均為80 g/m2的條件下，由所抄紙張物理性能比較可知，糖廠濾泥加填紙的性能除白度、撕裂指數、不透明度稍低外，其抗張指數、耐破指數、耐折度均有所提高。這說明糖廠濾泥可以試探性地應用在造紙工業(yè)中，但對于糖廠濾泥在造紙中應用是否具有優(yōu)勢還需進一步探討。
表1 濾泥和商品PCC對紙張物理性能的比較
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