1、收稿日期 :2004208225造纸系统中阴离子垃圾的分析郝 妮 ,王海毅 ,夏新兴(陕西科技大学 造纸工程学院 ,陕西 咸阳 712081)摘要 :全面分析了造纸系统中阴离子垃圾的来源、危害及其处理方法 ,对生产中正确确定抄纸条件和使用化学添加剂有一定的指导意义。关键词 :湿部 ;阴离子垃圾 ;捕捉剂中图分类号 :TS71 + . 4 文献标识码 :A 文章编号 :1007 - 2225(2005) 02 - 0022 - 03Analyse Anionic Trash of Papermaking SystemHAO Ni , WANG Hai2yi , XIA Xin $ xing( C
2、ollege of Papermaking Engineering , Shanxi University of Science anionic trash ;catcher随着各种高得率浆的使用 ,废纸应用比例的加大 ,白水封闭循环程度的提高以及多种用途的造纸助剂的广泛使用 ,使纸机湿部阴离子积累越来越严重 ,对抄纸系统的影响也是不可忽视的。因此 ,阴离子垃圾问题已经成为当前造纸厂面临的最大的挑战之一 ,日益引起人们的关注。阴离子垃圾 (anionictrash)是指纸机湿部存在的所有溶解的阴离子聚合物 (低聚物或高聚物 ) 和胶体的阴离子物质的总称。它们是亲水的 ,带较高电荷的和较高分子质
3、量的阴离子物质 ,从而使纸机系统整体成负电荷性 ,使其有较高的阳离子需求量。在生产过程中这些溶解物及胶体物会在白水系统中积累增浓 ,这对纸机运行及纸的质量有害。1 阴离子垃圾的来源与组成在制浆过程中 ,纤维原料的成浆很大程度上取决于原料中木素、半纤维素、抽出物等的溶出 ,这些溶出物即构成了抄纸体系中最主要的有机阴离子垃圾杂质。阴离子垃圾的组成与浆料的来源有关。原浆中 ,主要的阴离子垃圾是半纤维素的降解组分 (如葡萄糖醛酸 ) 、果胶酸和木素衍生物 (如木素磺酸 ) 。半纤维素、抽出物和木素中的溶解有机物由中性或带负电荷的分子组成。带负电荷部分即为阴离子垃圾 ,主要由木素氧化反应的有机物 羧酸、
4、半纤维素的溶出物和抽出物的皂化物组成。化学法制浆都会产生带电荷物质 ,例如在硫酸盐浆中 ,纤维素和半纤维素的羧基是电荷最大的来源 ,木浆中的羧基含量范围是 5 10 mmol/ 100g 木材 ,未漂浆中含有木素酚基 1 。在酸性亚硫酸盐法制浆中 ,水溶性半纤维素 (阔叶材中的聚葡萄糖木糖 ,针叶材中的聚阿拉伯糖葡萄糖甘露糖 )产生的脂肪酸和松香酸 ,以及来自果胶的聚半乳糖醛酸等等 ,它们都会使纤维素在制浆漂白过程中产生的羧基发生电离。机械浆经过过氧化物漂白后 ,会产生出比亚硫酸盐法漂白高出 3 倍的干扰物质 2 。例如 ,新闻纸纸料中的阴离子垃圾主要来源于机械浆的漂白 ,其主要成分可分为两大
5、类 ,即溶解物质和胶体物质。22 造纸化学品 2005 (2) 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/这两类物质对新闻纸性能的影响不同 ,胶体物质使抗张力降低 ,而溶解物质使耐破指数降低 3 。富半纤维素的半乳糖醛酸 (聚半乳糖醛酸 ) 是碱性 H2O2漂白云杉 TMP 时的主要阴离子垃圾来源 4 。机械浆 (如 CTMP) 经过亚硫酸盐处理有一定量的磺酸基。除磺酸基在较宽的 pH 值范围内能电离之外 ,纤维和填料的其它的核电基团大多数都是弱酸 ,所以其电
6、离度取决于体系的 pH值。涂布损纸回用时 ,其中涂料的组分会带到废水中来 ,如羧甲基纤维素 ,增白剂等。回收废纸中含有的油墨组分、表面处理的添加剂如合成施胶剂或淀粉等 ,也会使系统呈现高的负电荷 5 。来自废纸浆的阴离子杂质主要是大量的木素衍生物和与废纸纸种有关的其他阴离子杂质 ,其中涂布损纸或废纸的阴离子杂质量高而复杂 ,涂层中含有大量的阴离子分散剂 ,使阴离子杂质浓度迅速增加。2 阴离子垃圾的危害阴离子垃圾会影响以下造纸过程 :细小纤维留着、填料留着、染色效果、胶料乳化、胶料留着等。造纸配料对聚合电解质类化学添加剂的吸附和留着行为受阴离子垃圾的影响 ,这些添加剂包括 :干强剂、湿强剂、助留
7、剂和染料等。阴离子垃圾具有高负电荷性 ,当阳离子助剂加入到系统中时 ,它首先与阳离子助剂反应 ,从而使阳离子助剂的作用减弱 ,严重时甚至失效。例如 ,当在系统中加入阳离子助留助滤剂时 ,阴离子杂质首先与这些助剂反应 ,影响助留、助滤剂的使用效果 ,并且会增加别的阳离子助剂的用量 ,如施胶剂、湿强剂、阳离子淀粉等 ;其次 ,阴离子杂质随着不断积累 ,与其它物质或自身结合形成附聚物或配合物而从水溶液中沉积出来 ,如果沉积在填料、细小纤维和纤维上 ,会影响纤维与纤维之间的交织 ,减少纤维间的氢键结合 ,降低纤维间的结合强度 ,如果在纸页抄造过程中沉积在网部、管道等部位 ,会引起断纸、阻塞、粘辊等 ,
8、影响纸页的成形 ,使纸页质量大大下降 ,甚至会降低纸机的车速。3 控制阴离子垃圾的方法3. 1 方法总结控制阴离子垃圾是当代造纸急需解决的问题。目前 ,在实际生产中主要采用以下措施减轻阴离子垃圾的影响 : 降低浆中的阴离子垃圾。例如机械浆的阴离子垃圾主要是在漂白过程中产生的。所以必须在漂白后采用有效的措施 ,去除浆中的阴离子垃圾。纸浆漂白后 ,用双辊挤浆机脱水能有效地降低阴离子垃圾。采用过氧化物漂白后进行酸中和 ,不光可以提高纸浆的白度 ,也有降低阴离子垃圾的作用。这主要是因为 ,在机械浆漂白过程中产生的阴离子垃圾 ,其主要成分是聚半乳糖醛酸 ,而半乳糖醛酸特别容易离子化 ,具有很高的阳离子需
9、求量。在过氧化氢漂白过程中加入果胶酶也能有效地降低阴离子垃圾的负面影响 6 。其原因是果胶酶能促进半乳糖醛酸降解 ,转化为单分子的半乳糖醛酸。强化纸浆洗涤。因为不论何种纸浆 ,纸浆的洗浆度高低是影响浆中阴离子杂质浓集的最直接原因。选用合适的助留助滤剂提高纸料中各组分的留着率。传统的阳离子助留助滤剂在抄造含有大量阴离子垃圾的浆中发挥不出良好的作用。而聚氧化乙烯(PEO)作为造纸工业用助留助滤剂 ,是一种高分子质量非离子聚合物 ,其留着是借桥联和成键而起作用 ,它通过形成网络 ,与存在于纸浆中的悬浮固形物起作用 ,效果良好。另外 ,在纸张抄造过程中加入适当的添加剂 ,也可以有效地减轻阴离子垃圾的影
10、响。通常所加的添加剂有絮凝剂和凝结剂。在加拿大某纸厂 ,在纸料中加入上述添加剂后 ,确实可有效地减轻阴离子垃圾的干扰。对白水进行处理。例如 ,对于以 DIP、 TMP 和 GP 为配抄用浆的新闻纸厂过程用水 ,DCS与其物化性质的关系很大 ;低分子质量的阴离子垃圾捕捉剂 ,对水中的 DCS 均有一定的去除作用 ;另外 ,也可以采用厌氧微生物处理废水的办法来降低废水中的阳离子需求量。对于干扰性化学物质 ,通过调整温度、浓度或机械处理程度 ,改变溶解程度 ,以求减少溶解电荷的数量。3. 2 造纸常用阴离子垃圾捕捉剂目前采用最多的方法便是加入阴离子垃圾捕捉剂 (anionic trash catch
11、er) ,简称 ATC。纸浆中加入其它阳离子助剂之前 ,先加入 ATC ,进行电荷中和 ,将其絮聚后固着在纤维、填料的表面。一般认为 ,高阳电荷密度的线性低分子质量聚合物 ,与可溶性阴离子杂质进行电荷中和的效果最好。阴离子垃圾捕捉剂的作用原理是通过电荷中和作用或吸附桥联作用 ,带有高阳电荷密度的阴离子垃圾捕捉剂与可溶性的阴离子杂质形成体积很小的配对物 ,将其絮凝后留着和固着在纤维和填料上。阴离子垃圾捕捉剂一般是在纸浆加入其它阳离子助剂之前加入。硫酸铝是一种价格便宜的造纸化学品 ,由于它具有高阳电荷密度的特性 ,在 pH = 4. 4 4. 8 时 ,形32造纸化学品 2005 (2) 1994
12、-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/成的多核铝化合物有最多的阳离子电荷 ,并且能强烈地吸附在纤维上。在酸性造纸体系中 ,硫酸铝是最好的阴离子垃圾捕捉剂。但由于抄纸体系向中碱性转换 ,硫酸铝已经很少用了。聚合氯化铝简称PAC ,是一种水溶性的无机高分子聚合物 ,它是以高阳电荷的形式存在的 ,加入到水中可形成高阳电荷铝聚合物 ,并且能在很宽的 pH 值范围内维持其高电荷性 ,比硫酸铝更适合中碱性造纸。聚乙烯亚胺简称 PEI ,它可与填料和细小纤维有较强的静电力结合
13、,也易被具有负电荷的纤维和杂质吸附。在纸料中加 PEI ,先对纸料中的阴离子垃圾进行捕捉 ,使其分散定着到纤维上 ,不仅可排除阴离子杂质的干扰 ,而且可以起到助留剂的作用 ,是一种理想的ATC7 。聚二烯丙基二甲基氯化铵简称 P - DAD2MAC ,是一种具有特殊功能的水溶性阳离子聚合物 ,它的均聚物及共聚物具有正电荷密度高、水溶性好、高效无毒和造价低廉等优点。低分子质量、高电荷密度的 P - DADMAC确实是一种较好的阴离子垃圾捕捉剂。普通淀粉经阳离子改性后 ,其电荷密度提高了10 倍 ,它不仅能中和阴离子垃圾 ,还有很好的助留特性。无机吸附剂膨润土也可用于清除体系中的阴离子杂质 ,改性
14、膨润土是一种吸附剂 ,可以吸附白水体系中大量的有机和无机物质。聚合硅酸硫酸铝简称 PASS ,也是一种好的吸附剂 ,但它现在很少应用于造纸。在含有大量阴离子杂质的高得率纸浆体系中 ,聚氧化乙烯 (简称 PEO) 是一种极好的捕捉剂和助留剂。聚氧化乙烯是一种非离子型聚合物 ,其捕捉作用原理不是依赖电荷中和 ,而是在纤维和细小组分之间进行吸附桥联。在纸料中加入填料也能减轻阴离子垃圾的影响。据有关报道 ,采用多孔矾土硅酸钠作为填料加入纸机湿部 ,不光助留效果良好 ,并且改善了封闭循环中白水的质量 ,使白水中阴离子垃圾量减少 8 。这主要是依靠填料中的一些微孔吸附阴离子垃圾 ,从而减轻其影响。但是 ,
15、它去除的是以胶体状或悬浮状存在的阴离子垃圾 ,而不是溶解形式的阴离子垃圾。4 结束语在纸机湿部 ,阴离子垃圾的存在是影响造纸湿部助剂发挥功效的一个重要因素。对于不同的浆种 ,可以采取不同的措施在各个环节避免阴离子垃圾的产生。若不可避免 ,可在纸浆中加入其它阳离子助剂之前加入阴离子垃圾捕捉剂 ,它可对阴离子杂质进行捕捉和定着 ,确实能提高阳离子助剂的效果 ,改善纸机的湿部状况 ,提高纸机可运转性能和生产效率 ,降低化学品消耗 ,提高经济效益。参考文献 :1 张光华 . 造纸湿部化学原理及其应用 M .北京 :中国轻工业出版社 ,1998. 163 - 167.2 张红杰 ,胡惠仁 . 造纸湿部干
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