森林与环境学报  2016, Vol. 36 Issue (3): 272-276   PDF    
http://dx.doi.org/10.13324/j.cnki.jfcf.2016.03.003
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陈礼辉, 苗庆显, 黄六莲, 郭幸吉
CHEN Lihui, MIAO Qingxian, HUANG Liulian, GUO Xingji
白水中溶解与胶体物质的特征与化学控制
Characterization and chemical control of the dissolved and colloidal substances in the white water of tissue wrapping paper
森林与环境学报, 2016, 36(3): 272-276
Journal of Forest and Environment, 2016, 36(3): 272-276.
http://dx.doi.org/10.13324/j.cnki.jfcf.2016.03.003

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收稿日期: 2016-03-05
修订日期: 2016-04-22
白水中溶解与胶体物质的特征与化学控制
陈礼辉, 苗庆显, 黄六莲, 郭幸吉    
福建农林大学材料工程学院, 福建 福州 350002
摘要: 为了提高纸机白水循环使用程度,以薄页包装纸抄造白水为对象,研究表征了其溶解与胶体物质(DCS)的性质,探讨了阳离子聚合物对白水中DCS的控制效果,以及对纸料抄造性能和纸张物理强度性能的影响。结果表明,DCS是白水固形物中的主要组分,含量66.2%,且以溶解性物质为主。有效控制白水中DCS障碍较合适的处理条件为:聚二甲基二烯丙基氯化铵(PDADMAC)用量0.029 2 g·L-1,聚乙烯亚胺(PEI)用量0.040 0 g·L-1,处理时间5 min。
关键词: 薄页包装纸    溶解与胶体物质    阳离子聚合物    阳离子需求量    纸张性能    
Characterization and chemical control of the dissolved and colloidal substances in the white water of tissue wrapping paper
CHEN Lihui, MIAO Qingxian, HUANG Liulian, GUO Xingji    
College of Material Engineering, Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou, Fujian 350002, China
Abstract: In order to increase the white water recirculation,the dissolved and colloidal substances (DCS) in the white water of tissue wrapping paper were characterized, and two kinds of cationic polymers were employed to investigate their effects on the control of DCS, the pulp slurry drainability and the paper physical strength property. It could be concluded as that, the DCS were the major components of solid substances in the white water, up to 66.2% of solid substances, and the main portion of DCS were dissolved substances. For chemical control of DCS, the treatment conditions could be summarized as: dosage of PDADMAC was 0.029 2 g·L-1 and that of PEI 0.040 0 g·L-1, stirring for 5 min, respectively. The drainability of pulp slurry was improved significantly and the paper tensile strength was increased dramatically
Key words: tissue wrapping paper    dissolved and colloidal substances    cationic polymers    cationic demand    paper properties    

目前,薄页包装纸的消费随着人们生活水平提高而增加。利用废纸作为原料生产薄页包装纸具有节约原料、减少污染和节省投资等优点。水是生命的源泉,工业的血液,随着人口与经济的增长,水资源紧缺已经成为全球关注的问题[1]。鉴于此,造纸工业也采取各种技术提高纸机白水的封闭循环程度。但是,随着纸机白水封闭循环程度增加,废纸回用过程中产生的溶解与胶体物质(dissolved and colloidal substances,DCS)浓度也增加,尤其是部分带有高负电荷的物质,严重影响造纸过程中阳离子助剂的使用,并最终影响纸机的正常运行和纸张质量[2, 3, 4, 5, 6]

目前对于纸机白水中DCS的控制主要采用化学控制[7, 8]和生物控制[9],其中化学控制通常使用低分子量、高阳电荷密度的无机或有机电解质,将DCS进行电荷中和或絮凝后通过气浮机去除。常用的有机阳离子电解质多为聚胺类,如聚乙烯亚胺(polyethyleneimine,PEI)和聚二甲基二烯丙基氯化铵(poly dimethyl diallyl ammonium chloride,PDADMAC)等。研究表明,机械浆中DCS的存在能够降低阳离子聚丙烯酰胺(cationic polyacrylamide,CPAM)的助滤效果,加入PDADMAC后CPAM的助滤效果得到改善,但无法恢复到没有DCS存在时的效果[3],利用PDADMAC和CPAM的协同作用可以一定程度上减少废纸浆中微胶粘物含量[10]。本课题组利用阳电荷密度较高的PDADMAC和PEI处理薄页包装纸纸机白水,研究化学处理对白水中DCS性质及纸张性质的影响,为薄页包装纸的高效生产和白水封闭循环使用提供理论借鉴。

1 材料与方法 1.1 试验材料

混合办公废纸脱墨浆、针叶木硫酸盐浆、CPAM(相对分子质量500万左右)和膨润土由福建某薄页包装纸生产企业提供,浓白水取自该企业薄页包装纸生产线的白水塔,该生产线采用60%的脱墨浆和40%的化学浆生产17 g·m-2的薄页包装纸。PDADMAC(固含量0.73%,相对分子质量50 000左右,阳电荷密度2.26 mmol·g-1),PEI(固形物含量2.70%,相对分子质量5 000左右,阳电荷密度2.42 mmol·g-1)购自山东某造纸化学品公司。

1.2 DCS水样的制备

取1 L的浓白水,利用离心机在2 000 r·min-1下离心20 min,小心取出上层清液即为DCS水样,DCS水样经孔径0.22 μm膜过滤,滤液即为溶解物质(dissolved substances,DS)水样。

1.3 白水和DCS水样性能指标测定

阳离子需求量(cationic demand,CD):采用德国Mütek公司的PCD-03型颗粒电荷测定仪测定。标准阳离子滴定液为0.001 mol·L-1的PDADMAC溶液。浊度采用QZ201散射式浊度仪测定。测定前利用H2SO4和NaOH调节DCS水和DS水的pH为5。DCS和DS固含量采用重量法测定,即取50 mL DCS和DS水溶液于称量瓶中,在烘箱中干燥至恒重,测定烘干前后的质量,即得它们的固含量。

1.4 白水的化学处理

首先将白水在水浴锅中预热到60 ℃,然后在机械搅拌下向白水中加入一定量的阳离子聚合物溶液,作用一定时间后,在2 000 r·min-1下将处理的白水离心20 min,取其上层清液即为DCS水样。

1.5 手抄片的制备

将漂白硫酸盐浆(打浆度47 °SR)和办公废纸脱墨浆(打浆度37 °SR)按6:4比例进行配浆,配浆后浆料打浆度40 °SR。利用该混合浆抄造定量60 g·m-2的手抄片,CPAM—膨润土作为微粒助留助滤剂,其用量分别为0.05%和0.30%(相对绝干浆)。抄造手抄片过程中只添加白水进行混合。

1.6 浆料和手抄片性能测定

纸料打浆度的测定采用肖伯氏打浆度仪,参考GB/T 3332-2004[11]。纸张定量的测定按国家标准GB/T 451.2-2002[12]进行。纸张抗张强度采用卧式拉力机参照国家标准GB/T 12914-2008[13]测定。

2 结果与分析 2.1 薄页包装纸纸机白水和DCS水性能分析

浓白水取样的生产线生产的薄页包装纸主要用于服装、鞋子等日用品的包装,表 1为该生产线薄页包装纸纸机白水性质。DCS含量占白水中固形物总量的66.2%,其中DS占61.2%,说明白水中的DCS大部分为DS。白水中DS的阳离子需求量占DCS的81.1%,说明白水中的阴离子组分主要是DS。DCS的浊度占白水浊度的13.3%,白水浊度主要由部分细小组分(细小纤维和填料)贡献,而DCS浊度主要由其中的胶体物质贡献。由表 1可知,胶体物质(colloidal substances,CS)只占了DCS总量的少部分,因此DCS的浊度占白水浊度的比例较低。DCS中的大部分溶解物质为阴离子,会影响造纸过程中阳离子助剂的使用效果,因此为了减少阴离子带来的不利影响,需采用相应的阳离子聚合物对其进行处理。

表 1 薄页包装纸纸机白水性质 Table 1 Properties of whitewater from tissue wrapping paper machine
样品Sample TS含量TS/(g·L-1) DCS含量DCS/(g·L-1) DS含量DS/(g·L-1) CS含量CS/(g·L-1) 阳离子需求量Cationic demand/(μmol·L-1) 浊度Turbidity/NTU
白水 White water 2.277 1.508 - - - 943
DCS水 DCS water - - 1.394 0.114 192.7 125
DS水 DS water - - - - 156.2 -
2.2 阳离子聚合物处理白水对DCS性能的影响 2.2.1 PDADMAC处理白水对DCS性能的影响

图 1图 2分别为PDADMAC处理白水对其中DCS浊度和阳离子需求量的影响,处理时间10 min。DCS的浊度和阳离子需求量均随PDADMAC用量增加而下降。当PDADMAC用量超过0.029 2 g·L-1,继续增加其用量,浊度和阳离子需求量下降趋势减缓,因此选择0.029 2 g·L-1为适宜用量。在此用量下,DCS的浊度和CD值分别下降了84.3%和82.4%。图 3图 4分别为PDADMAC用量不变对DCS浊度和阳离子需求量的影响,当PDADMAC用量为0.029 2 g·L-1,DCS的浊度和CD值随处理时间延长呈下降趋势。相对于对照样,当处理5 min时下降明显,分别下降了69.1%和78.9%。继续延长处理时间,下降趋势变缓,因此选择5 min作为较适宜的处理时间。从浊度的下降趋势可以推测,PDADMAC处理不仅中和了其中的溶解性阴离子物质,同时对CS也有较好的去除作用。

图 1 PDADMAC用量对DCS浊度的影响 Figure 1 Effect of PDADMAC dosage on DCS turbidity
图 2 PDADAMC用量对DCS阳离子需求量的影响 Figure 2 Effect of PDADMAC dosage on DCS cationic demand
图 3 PDADMAC处理时间对DCS浊度的影响 Figure 3 Effect of PDADMAC treatment time on DCS turbidity
图 4 PDADAMC处理时间对DCS阳离子需求量的影响 Figure 4 Effect of PDADMAC treatment time on DCS cationic demand
2.2.2 PEI处理白水对DCS性能的影响

图 5图 6分别为处理时间10 min时PEI用量对DCS浊度和阳离子需求量的影响,随着PEI用量增加,DCS浊度和阳离子需求量均随之下降。当PEI用量为0.040 0 g·L-1时,DCS的浊度和CD值分别下降了76.4%和94.4%,尤其是CD值基本接近零点。因此选择0.040 0 g·L-1为较适宜的PEI用量。但是,浊度和CD值相比较,PEI的加入对浊度的影响较慢,没有CD值下降快,可能与PEI的作用原理有关。图 7图 8分别为固定PEI用量,处理时间对DCS浊度和阳离子需求量的影响,当固定PEI用量为0.040 0 g·L-1时,处理5 min,DCS水的浊度和阳离子需求量下降到最低值,因此选择5 min为较适宜处理时间。

图 5 PEI用量对DCS浊度的影响 Figure 5 Effect of PEI dosage on DCS turbidity
图 6 PEI用量对DCS阳离子需求量的影响 Figure 6 Effect of PEI dosage on DCS cationic demand
图 7 PEI处理时间对DCS浊度的影响 Figure 7 Effect of PEI treatment time on DCS turbidity
图 8 PEI处理时间对DCS阳离子需求量的影响 Figure 8 Effect of PEI treatment time on DCS cationic demand
2.3 阳离子聚合物处理白水对纸料和纸张性能的影响

由2.2分析可知,PDADMAC和PEI处理薄页包装纸纸机白水适宜用量分别为0.029 2 g·L-1和0.040 0 g·L-1,适宜处理时间均为5 min。在此条件下分别探讨阳离子聚合物处理后的白水回用对纸料和纸张性质的影响。

打浆度或叩解度是衡量纸浆或纸料滤水性能的一个重要指标,通常打浆度越低纸浆或纸料的滤水性能越好。图 9为阳离子聚合物处理白水对纸料打浆度的影响。将PDADMAC和PEI处理后的白水加入纸料中进行混合,纸料的打浆度比未用阳离子聚合物处理的试样分别下降了28.8%和37.3%,说明利用PDADMAC和PEI处理的白水混合纸料,能够改善纸料的滤水性能。纸料滤水性能改善,相应地纸机的运行车速和产量也会得到提高。PEI比PDADMAC处理后白水回用引起的纸料打浆度下降幅度略大。打浆度下降可能是由于白水经过阳离子聚合物处理后,其中的阴离子(DCS物质)被中和,削弱了DCS对CPAM/膨润土助留助滤作用的不利影响,从而使得纸料的滤水性能得到改善。

图 9 阳离子聚合物处理白水对纸料打浆度的影响 Figure 9 Effect of cationic polymers treatment on beating degreeof paper slurry

图 10为阳离子聚合物处理白水对手抄片抗张强度的影响。相对于对照样,利用经阳离子聚合物处理后的白水进行抄纸,手抄片的物理强度得到提高,表现为经PDADMAC和PEI处理后,手抄片的抗张指数分别提高了7.7%和18.8%。这可能是由于白水经过PDADMAC和PEI处理,其中的阴离子性物质被中和,相应提高了CPAM/膨润土的助留助滤效果,纸料中细小纤维含量得到一定程度提高,增加了纤维之间的结合点数;另外,CPAM本身具有一定的增强作用,由于减少了阴离子DCS对CPAM的无效消耗,因此提高了CPAM的部分增强作用。

图 10 阳离子聚合物处理白水对手抄片抗张强度的影响 Figure 10 Effect of cationic polymers treatment on handsheettensile strength

2种阳离子聚合物处理白水中的DCS对纸料滤水性能和手抄片强度性能的影响,PEI的作用效果最好,这可能与其阳电荷密度较高以及分子量较低有关。但是,其用量高于PDADMAC,说明二者的作用机理不同。

3 结论

溶解与胶体物质是薄页包装纸纸机白水中的主要组分,含量占66.2%,其中主要是溶解性物质。

利用阳离子聚合物PDADMAC和PEI处理薄页包装纸纸机白水,DCS浊度和阳离子需求量得到显著下降,在控制白水DCS方面具有明显效果。经过对比,当PDADMAC和PEI用量都为0.040 0 g·L-1时,PDADMAC引起浊度下降的幅度更大,而PEI引起DCS阳离子需求量下降的幅度较大,说明二者的作用机理是不完全一样的。PEI主要是电荷中和引起的凝聚,主要作用于溶解的阴离子性物质,而PDADMC由于分子量相对较高,除了电荷中和作用以外,对胶体物质还具有一定的絮凝作用。纸机白水经过阳离子聚合物处理后用于抄纸,纸料打浆度明显下降,滤水性能得到改善,手抄片抗张指数得到显著提高。

综上所述,针对造纸白水中的溶解与胶体物质,尤其是其中的阴离子性物质,采用阳离子聚合物进行处理可以取得明显效果。但是,不同类型的阳离子聚合物其结构和电荷密度以及分子量不同,在控制白水中DCS方面的效果也不一样。在使用阳离子聚合物控制DCS时,添加量不能超过实际电荷等量点,避免出现抄纸体系过度阳离子化的电荷逆转现象,影响纸机运行。另外,采用不同原料抄造不同类型的纸张,其产生的白水中DCS组分和性能也不尽相同。因此,要根据企业纸机运行的具体情况选用合适的阳离子聚合物对白水进行处理,达到物尽其用的效果。

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