廢紙漿料中纖維細(xì)小組分和無(wú)機(jī)物組分的分離技術(shù)

廢紙漿料中纖維細(xì)小組分和無(wú)機(jī)物組分的分離技術(shù)

當(dāng)今，廢紙已成為紙張生產(chǎn)中纖維原料的最重要來(lái)源。與化學(xué)漿和機(jī)械漿相比，廢紙具有諸多優(yōu)點(diǎn)，如漿料制備的能耗更低，原料成本更加低廉。但是廢紙本身也存在許多缺點(diǎn)，如雜質(zhì)（非纖維類(lèi)物質(zhì)）含量較高等。其中，填料和顏料的存在已經(jīng)成為影響廢紙利用的主要因素。由于填料在紙張生產(chǎn)中的應(yīng)用比例不斷增加以及白水循環(huán)程度不斷提高，廢紙中無(wú)機(jī)物組分的含量也逐漸增加。廢紙中無(wú)機(jī)物組分的增加導(dǎo)致在使用無(wú)機(jī)物組分含量高的廢紙生產(chǎn)高檔紙張時(shí)，經(jīng)常會(huì)帶來(lái)諸多的問(wèn)題。例如，在使用廢紙作為原料時(shí)，包裝紙生產(chǎn)廠商不得不采取措施以保證紙張的強(qiáng)度性能，因?yàn)樵现袩o(wú)機(jī)物組分（填料）含量的增加會(huì)對(duì)紙和紙板的強(qiáng)度產(chǎn)生負(fù)面影響；繪圖紙廠商在使用廢紙進(jìn)行生產(chǎn)時(shí)，需要時(shí)刻關(guān)注廢紙?jiān)系囊胨鶎?dǎo)致的漿料質(zhì)量波動(dòng)問(wèn)題，并被動(dòng)地采取措施以保證紙機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性；對(duì)于衛(wèi)生紙廠商來(lái)說(shuō)，他們?cè)诶脧U紙之前首先需要去除其中大部分的無(wú)機(jī)物組分，但這又導(dǎo)致了原料的浪費(fèi)。因此，紙廠在利用廢紙作為原料時(shí)，希望能夠選擇性地去除其中的無(wú)機(jī)物組分。

為了去除廢紙中的雜質(zhì)，其漿料制備過(guò)程中需采用相應(yīng)的分離和清洗技術(shù)。紙廠常用的分離設(shè)備包括浮選機(jī)、網(wǎng)篩以及旋風(fēng)分離器。上述設(shè)備都能用來(lái)去除漿料中的無(wú)機(jī)物組分，但是均存在選擇性較差的問(wèn)題，即在分離出無(wú)機(jī)物組分的同時(shí)又將大量的纖維帶走。另外，使用這些設(shè)備分離所得的渣料中含有45%～65%的有機(jī)物質(zhì)（纖維組分）。因此，采用這些常規(guī)技術(shù)來(lái)去除廢紙中的無(wú)機(jī)物組分無(wú)疑會(huì)導(dǎo)致纖維原料的嚴(yán)重流失且?guī)?lái)較大的處理難度。所以，研究具有較佳的分離技術(shù)以實(shí)現(xiàn)選擇性地分離廢紙中的無(wú)機(jī)物組分是很有必要的。

本研究采用了新的分離技術(shù)用于廢紙中無(wú)機(jī)物組分（填料和顏料）的分離。該技術(shù)基于篩分和沉降技術(shù)，包含了2個(gè)分離步驟。

1 研究目標(biāo)

本研究旨在開(kāi)發(fā)出適用于去除廢紙漿料中無(wú)機(jī)物組分的新型選擇性分離技術(shù)，以期達(dá)到提高廢紙漿料中無(wú)機(jī)物組分的分離效率和改善廢紙?jiān)侠寐实哪康摹Ｐ滦瓦x擇性分離技術(shù)包含了2個(gè)核心步驟。首先，通過(guò)篩分技術(shù)將廢紙漿料中的長(zhǎng)纖維組分分離出來(lái)，然后再采用基于沉降原理并能夠?qū)⒗w維細(xì)小組分和無(wú)機(jī)物粒子分離的新設(shè)備來(lái)處理含細(xì)小組分（由細(xì)小纖維和無(wú)機(jī)物組分組成）的廢紙漿料懸浮液。采用合適的沉降工藝可以解決前面提到的廢紙中各組分選擇分離效果較差的問(wèn)題。

2 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)首先準(zhǔn)備了纖維原料和無(wú)機(jī)物原料，這些原料未經(jīng)過(guò)造紙生產(chǎn)工序的處理。采用逆流沉降槽對(duì)上述原料所組成的漿料進(jìn)行分離。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明該裝置具有很好的分離效果。

因?yàn)楸狙芯康哪康氖且獙?duì)廢紙漿料進(jìn)行有效的分離處理，所以在接下來(lái)的實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)了2種紙種：未涂布紙和涂布紙。未涂布紙作為涂布原紙，其只含有碳酸鈣填料。涂布紙采用未涂布紙經(jīng)過(guò)2次涂布獲得，第1涂層只含有碳酸鈣涂料，第2涂層則含有50%的碳酸鈣和50%的白土。然后，分別將上述2種紙種制備成漿料。利用碎漿機(jī)在4%的濃度下對(duì)上述紙種進(jìn)行制漿處理。將所制備的漿料在孔徑為150 μm的篩網(wǎng)上過(guò)濾，進(jìn)而分離去除長(zhǎng)纖維組分。過(guò)篩網(wǎng)的細(xì)小組分漿料用于粒子實(shí)驗(yàn)和分離試驗(yàn)。未涂布紙的細(xì)小組分漿料由45%的細(xì)小纖維和55%的無(wú)機(jī)物粒子組成；涂布紙的細(xì)小組分漿料則由24%的細(xì)小纖維和76%的無(wú)機(jī)物粒子組成。在下文中，未涂布紙的細(xì)小組分漿料和涂布紙的細(xì)小組分漿料分別簡(jiǎn)稱(chēng)為“未涂布紙”和“涂布紙”。

粒子實(shí)驗(yàn)使用的儀器為壓力離心機(jī)和沉降盤(pán)。在分離試驗(yàn)中，細(xì)小組分漿料分批進(jìn)入逆流沉降槽并形成楔形形狀，然后繼續(xù)在錐形逆流沉降槽中處理。鑒于實(shí)驗(yàn)所涉及漿料均具有較高的碳酸鈣含量，所以分離效果是按照ISO-1762標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)測(cè)量細(xì)小組分漿料在進(jìn)入逆流沉降槽前和最終產(chǎn)物的灼燒灰分（灼燒溫度為525℃）來(lái)評(píng)價(jià)。為了比較本次實(shí)驗(yàn)的效果，同時(shí)也進(jìn)行了PTS浮選槽實(shí)驗(yàn)，所用浮選劑按照Ingeda Method 11中的標(biāo)準(zhǔn)方法來(lái)選配。

3 結(jié)果和討論

楔形沉降實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，纖維細(xì)小組分能夠形成絮聚物，并且先于無(wú)機(jī)物粒子沉降下來(lái)。絮聚物的形成主要是由于纖維細(xì)小組分之間發(fā)生了定向移動(dòng)和聚集。但是，上述絮聚物尺寸的增加不是無(wú)限制的。漿料中的纖維細(xì)小組分越多，所形成的絮聚物就越多，盡管其尺寸不是很大。即便是無(wú)機(jī)物粒子本身具有較高的密度，由于發(fā)生了絮聚，纖維細(xì)小組分才能先于無(wú)機(jī)物顆粒沉降下來(lái)。這就使得采用沉降方法分離纖維細(xì)小組分和無(wú)機(jī)物粒子成為可能。纖維細(xì)小組分和無(wú)機(jī)物粒子的分離需具備一個(gè)前提，即纖維細(xì)小組分上不能附著無(wú)機(jī)物粒子，但是這在廢紙漿料中是無(wú)法避免的。廢紙中含有的助留劑和膠粘劑會(huì)吸附到纖維、細(xì)小纖維、填料以及顏料上，并將上述組分聚集起來(lái)。即使在廢紙?jiān)僦茲{過(guò)程中，上述各組分的聚集也很難充分解聚和分散，從而導(dǎo)致纖維細(xì)小組分上仍附著有無(wú)機(jī)物粒子。以往的研究也證實(shí)，“未涂布紙”和“涂布紙”中纖維細(xì)小組分和無(wú)機(jī)物粒子表現(xiàn)出了相同的沉降速率，從而不能通過(guò)沉降的方法將這2種組分分離。因此，如果不經(jīng)過(guò)預(yù)處理，“未涂布紙”和“涂布紙”中纖維細(xì)小組分和無(wú)機(jī)物粒子的分離是實(shí)現(xiàn)不了的。

為將纖維細(xì)小組分和無(wú)機(jī)物粒子進(jìn)行分離，“未涂布紙”和“涂布紙”需在捏合式攪拌機(jī)中進(jìn)行熱-機(jī)處理。熱-機(jī)處理使得漿料各組分的平均沉降速率減緩，但卻能使平均沉降速率的分布區(qū)域擴(kuò)大，這說(shuō)明絮聚物被破壞了。圖1顯示了在錐形逆流沉降槽進(jìn)行楔形沉降分離前后，在捏合式攪拌機(jī)中采用和不采用熱-機(jī)處理的“未涂布紙”和“涂布紙”的無(wú)機(jī)物含量的對(duì)比情況。

圖1 在捏合式攪拌機(jī)中采用和不采用熱-機(jī)處理的“未涂布紙”和“涂布紙”的無(wú)機(jī)物含量的對(duì)比

由圖1可知，同楔形沉降的分離效果相比，在捏合式攪拌機(jī)中進(jìn)行熱-機(jī)處理能夠破壞由纖維細(xì)小組分與無(wú)機(jī)物粒子所組成的絮聚物。由此可見(jiàn)，熱-機(jī)處理使得纖維細(xì)小組分與無(wú)機(jī)物粒子的分離成為了可能。

在熱-機(jī)預(yù)處理實(shí)驗(yàn)完成后，緊接著對(duì)影響分離的重要參數(shù)進(jìn)行了考察。纖維細(xì)小組分的濃度是除漿料流體流動(dòng)比率之外影響分離的最重要因素。纖維細(xì)小組分濃度太低會(huì)降低分離效率，這是因?yàn)樵谳^低濃度下不能保證所有的纖維細(xì)小組分都形成絮聚物。相反，纖維細(xì)小組分濃度太高也會(huì)降低分離效率，這則是因?yàn)樵谳^高濃度下，強(qiáng)烈的絮聚作用使得更多的無(wú)機(jī)物粒子吸附和嵌入到纖維細(xì)小組分中，所形成的絮聚物在沉降過(guò)程中產(chǎn)生了互相干擾。纖維細(xì)小組分含量與分離效果的關(guān)系如圖2所示。

圖2 纖維細(xì)小組分濃度對(duì)逆流沉降后所得有機(jī)物部分和無(wú)機(jī)物部分中無(wú)機(jī)物含量的影響

這種基本關(guān)系適用于所有的逆流沉降槽，但是圖2中曲線(xiàn)的位置取決于沉降槽的幾何形狀以及其工作模式。

逆流沉降槽本身的形狀（楔形）具有一定劣勢(shì)，僅能分段操作。因此，實(shí)驗(yàn)中選用了可以連續(xù)操作的錐形逆流沉降槽，并采用該錐形逆流沉降槽對(duì)“未涂布紙”進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。在錐形逆流沉降槽和浮選槽進(jìn)行分離前，采用捏合式攪拌機(jī)對(duì)“未涂布紙”進(jìn)行預(yù)處理。浮選實(shí)驗(yàn)在PTS浮選槽中進(jìn)行，所用浮選劑按照Ingeda Method 11中的標(biāo)準(zhǔn)方法來(lái)選配。實(shí)驗(yàn)表明，浮選的選擇性較差。圖3顯示的是在PTS浮選槽和錐形逆流沉降槽中“未涂布紙”的分離效果。

圖3 分別經(jīng)PTS浮選槽和錐形逆流沉降槽分離處理前、后的“未涂布紙”的無(wú)機(jī)物含量

由圖3可見(jiàn)，在相同的條件下，錐形逆流沉降工序的分離效果要比浮選工序好。實(shí)驗(yàn)中，有機(jī)組分經(jīng)過(guò)錐形逆流沉降槽的回收（第1次通過(guò)）并再次進(jìn)入到錐形逆流沉降槽中（第2次通過(guò)）。第2次進(jìn)入沉降槽可以將第1次吸附和嵌入在纖維細(xì)小組分絮聚物中的無(wú)機(jī)物粒子回收。

錐形逆流沉降工藝可以解決纖維細(xì)小組分和無(wú)機(jī)物組分分離的問(wèn)題，但是該工序的處理量較小，因此其應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性較差。如果能夠借助離心作用實(shí)現(xiàn)纖維細(xì)小組分和無(wú)機(jī)物組分的分離，那對(duì)于工廠來(lái)說(shuō)將是經(jīng)濟(jì)可行的辦法。

（王亮 編譯）