膨化法、附聚-磁選法脫除OCC漿中DCS的研究

趙　晨　苗林青　張　芬　李洪松　駱蓮新

( 廣西大學輕工與食品工程學院,廣西南寧,530004)

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膨化法、附聚-磁選法脫除OCC漿中DCS的研究

趙晨苗林青張芬李洪松駱蓮新*

( 廣西大學輕工與食品工程學院,廣西南寧,530004)

摘要：采用膨化法、附聚-磁選法分別對廢舊瓦楞箱紙板(OCC)進行處理,分析對比OCC漿中溶解與膠體物質(DCS)的物化性質,并討論金屬離子對DCS水樣穩定性的影響。結果表明,由兩種方法對比可知,附聚-磁選法處理效果最優,處理后OCC漿中DCS固含量、電導率、濁度、CODCr以及平均粒徑均降低,而Zeta電位則有所升高；且DCS水中金屬離子總含量更低；DCS穩定性有所提高。

關鍵詞：OCC；膨化法；附聚-磁選法；DCS；穩定性

以廢舊瓦楞箱紙板(OCC)為原料生產各種紙板時,由于OCC原料中含有膠黏物,生產過程中會影響產品的質量和產量,同時也影響到紙板機的操作運行[1]。OCC來源復雜,化學組成多種多樣,因此在其回用過程中會產生很多溶解與膠體物質(DCS),這些有害物質的積累已成為廢紙回用的一大障礙。膨化法制漿耗用化學藥品少, 污染負荷比化學法制漿低[2],白水中DCS等有害物質更少,因此生產過程中廢水回用更為可行。附聚-磁選法通過添加磁鐵礦,使油墨和膠黏物附聚后帶有磁性,從而使用磁分離的方法除去,在脫除油墨的同時,達到脫除膠黏物的目的。

本實驗采用膨化法和附聚-磁選法分別對OCC進行處理,研究不用方法對產生DCS的影響,并對DCS的基本特性進行分析,同時研究不同金屬離子對DCS穩定性的影響,為進一步優化廢紙制漿工藝、減輕DCS的危害提供理論依據。

1實驗

1.1實驗原料

OCC,取自廣西南寧某紙業公司。

1.2實驗方法

1.2.1OCC處理

膨化法：稱取一定量的OCC,將質量分數2%的NaOH(對絕干漿，以下同)和質量分數1%的Na2SiO3,按1∶4的液比制成混合預浸藥液,對OCC常溫浸泡1 h。預浸結束后,在膨化器中加熱至0.7 MPa并保溫10 min,然后瞬間噴放至常壓,漿料被沖入接收器,洗滌后收集備用[3]。

附聚-磁選法：稱取一定量的OCC,置于可加熱的攪拌器中,調節漿濃至4%,在70℃浸泡10 min,加入定量的十八醇和磁鐵粉,攪拌60 min,使用100目網袋濾出白水, 漿料測水分備用。然后使用自制的離心式磁性分離裝置,將附聚好的漿料輕微疏解后,調節濃度至0.8%,然后離心分離20 min,放出漿料備用[4]。

1.2.2DCS、DS水樣的制備

將OCC漿稀釋至1%漿濃,在60℃下對其攪拌3 h,然后進行離心分離20 min(離心機轉速2000 r/min),將上層清液小心移出便得到DCS水樣,量取50 mL濾液在105℃的烘箱中蒸發8 h,殘余固形物即為DCS。取 50 mL DCS水樣,經 0.22 μm 微孔濾膜過濾,所得濾液在105℃下烘干,殘余固形物即為溶解物(DS)[5]。

1.2.3DCS中金屬離子含量的測定

量取20 mL DCS水樣置于100 mL的小燒杯中,加入30 mL濃硝酸將其完全酸化溶解,加熱蒸發到2～3 mL,再加入20 mL蒸餾水,加熱蒸發到2～3 mL,定容到100 mL。采用蒸餾水為空白樣作對照。采用電感耦合等離子光譜發生儀(ICP)測定DCS水樣中的金屬離子含量。

1.2.4穩定性實驗

選取NaCl、CaCl2和Al2(SO4)3·18H2O分別代表Na+、Ca2+和Al3+,準確量取50 mL DCS水樣, 調節溶液的pH值至7, 在100 r/min攪拌下加入不同量的NaCl、CaCl2和Al2(SO4)3·18H2O, 作用5 min后, 在3000 r/min下離心20 min,取上層清液測定其殘余濁度,根據殘余濁度的大小來表征DCS的失穩程度。

2結果與討論

2.1DCS水樣物化性質

DCS水樣物化性質見表1。經膨化法和附聚-磁選法處理后，OCC漿中的DCS含量、電導率、濁度、CODCr都降低,而Zeta電位則有所提高。

由表1可知,DCS中DS占絕大部分,僅有少量膠體物質(CS)。其中膨化法處理的OCC漿中DCS的含量為0.68 g/L,而附聚-磁選法處理的OCC漿中DCS的含量僅為0.42 g/L。這是因為膨化法雖然能成功地擴散OCC漿中的蠟、乳膠和油墨,其他諸如熱熔物和塑料也能通過化學方法被分散,但加熱會使部分膠黏物與纖維更充分地吸附結合,洗滌、篩選并不能有效地除去此部分膠黏物。而附聚-磁選法是在十八醇附聚作用下,通過添加適量的磁鐵礦,使油墨、乳膠等雜質顆粒被十八醇所吸附,進而形成具有一定磁性的附聚體,再由之后的磁選過程將其去除,全程無加熱過程,膠黏物更易從紙漿中分離,因而漿料DCS含量更低。

由表1還可知,膨化法和附聚-磁選法處理OCC漿后，DCS電導率分別為373 μS/cm、367 μS/cm。圖1所示為經過0.22 μm的微孔濾膜過濾后,兩種方法OCC漿中DCS和DS的電導率。由圖1可知，兩種方法的OCC漿中DS的電導率分別為362 μS/cm和359 μS/cm,約占 DCS的95%以上,說明DCS的電導率大部分是由DS貢獻的,原因在于電導率主要依靠DS中溶解的無機鹽類,而CS表面雖然帶有大量的負電荷,但是體積較大CS不能有效移動形成電荷的傳遞,只有體積很小的CS才會對電導率有貢獻。

圖1　不同方法處理后OCC漿中DCS的電導率

DS的增加(尤其是金屬離子)會壓縮DCS中各種粒子的雙電層,導致其Zeta電位降低[6],這會影響DCS的穩定性,使其容易失穩而絮聚沉積,影響造紙機的正常運行和最終紙張的質量。由表1還可以看出,附聚-磁選法OCC漿DCS水樣,其Zeta電位高于膨化法OCC漿DCS水樣的,這是由于附聚-磁選法處理后的DS含量有所降低,金屬離子含量更小,使得DCS中粒子雙電層擴張,導致Zeta電位升高。

DCS水樣的粒徑分布主要為水樣中CS的粒徑,對分析 DCS水樣特性具有重要意義。兩種方法OCC漿中DCS粒徑分布分別如圖2和圖3所示,粒徑分布都集中在一個區域,其中平均粒徑主要分布在 140～240 nm,分布區域粒徑屬于膠體范疇。其中膨化法OCC漿中DCS平均粒徑為161.3 nm,而附聚-磁選法處理后,其平均粒徑減小至140.0 nm。

表1　DCS水樣物化性質

表2　DCS水樣金屬離子含量　mg/L

圖2　膨化法處理OCC漿DCS粒徑分布

圖3　附聚-磁選法處理OCC漿DCS粒徑分布

CS對DCS水樣的濁度起著決定性作用。從表1可得,OCC經過膨化法和附聚-磁化法處理后,其DCS濁度分別降至25.7 NTU、23.4 NTU,這也與測得膨化法OCC漿CS含量高于附聚-磁選法OCC漿CS含量一致。

2.2DCS中金屬離子含量

表2所示為DCS水樣金屬離子含量。由表2可知,膨化法OCC漿DCS水樣金屬離子總含量遠高于附聚-磁選法OCC漿DCS水樣的,且均含有大量 Na+、K+、Ca2+、Mg2+等金屬離子,其中 Ca2+含量最高,其次是 K+、Na+和Mg2+。可能是由于這些金屬離子與纖維親和力很小或幾乎無親和力,因此大部分留在DCS中。而Fe3+、Al3+、Mn2+、Zn2+的含量較低,原因是高價金屬或重金屬離子與纖維或填料等有很大的親和力,易粘附在纖維或填料上,所以在分離過程中會脫離DCS系統。

2.3DCS的穩定性

DCS水樣是一個較為復雜的體系,膠黏物微粒的表面通常帶著負電荷,可以通過電荷中和作用吸附電性相反的電荷,在固-液兩相之間形成雙電層的結構[7]。雙電層的厚度愈大,則微粒之間的斥力愈大,微粒之間不易發生聚集,從而保持了膠體體系的穩定狀態。如果加入無機電解質,這些靠靜電斥力而穩定的膠體顆粒就會失去穩定而發生聚集,膠體的穩定性可以認為是在無機電解質存在的條件下膠體顆粒的絮聚行為[8]。以DCS的殘余濁度高低來表征其穩定性,殘余濁度越低, 表明發生絮聚的程度越高, 穩定性越差。

圖4　NaCl用量對DCS殘余濁度的影響

圖5　CaCl2用量對DCS殘余濁度的影響

圖6　Al2(SO4)3·18H2O用量對DCS殘余濁度的影響

圖4～圖6分別為Na+、Ca2+、Al3+用量對不同DCS穩定性的影響。從圖4可以看出,OCC漿DCS水樣中加入NaCl,反應5 min離心得到的上清液,其濁度隨著Na+離子濃度的增加會下降,當NaCl用量為3.5 mol/L時,其殘余濁度分別為6.13 NTU和7.16 NTU,并未達到完全失穩,此時附聚-磁選法OCC漿DCS穩定性更佳。同時從圖5和圖6可知,相較于能使膨化法OCC漿DCS完全失穩所需CaCl2、Al2(SO4)3·18H2O用量來說,附聚-磁選法OCC漿DCS達到完全失穩所需的金屬鹽用量更多,即DCS體系穩定性更好。 NaCl、CaCl2、Al2(SO4)3·18H2O的加入有利于DCS聚沉的原因可能是：加入 Na+、Ca2+、Al3+使白水中的電荷密度迅速增加,改變了電荷環境,壓縮膠粒表面的雙電層結構,使膠體顆粒間斥力減小,打破膠體間力的平衡,從而靜電引力占主導地位使膠體失去穩定性而發生聚集,并且電荷加入量越大,對雙電層結構的擠壓越明顯,膠體顆粒的絮聚行為也更多。而附聚-磁選法OCC漿DCS比膨化法OCC漿DCS體系金屬離子含量低,因此當電荷加入量相同時,不能較快地打破膠體間的平衡力,使DCS殘余濁度降低至零需要更多用量的金屬鹽,因此穩定性得到了提高。

3結論

采用膨化法和附聚-磁選法分別對廢舊瓦楞箱紙板(OCC)進行處理，分析了OCC漿溶解和膠體物質(DCS)的物化性質，討論了金屬離子對DCS水樣穩定性的影響。

3.1OCC經膨化法、附聚-磁選法處理后漿中DCS含量、電導率、濁度、CODCr以及平均粒徑都有所降低；而Zeta電位升高。其中附聚-磁選法處理效果較好。

3.2DCS水樣中Na+、K+、Mg2+、Ca2+含量相對較高,而Fe3+、Al3+、Mn2+、Zn2+的含量較低；且附聚-磁選法使OCC漿DCS金屬離子總含量大幅度減少。

3.3與膨化法OCC漿DCS水樣相比,附聚-磁選法OCC漿DCS穩定性得到加強。

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(責任編輯：馬忻)

Removal of DCS in Recycled OCC Pulp by Steam Explosion and

Agglomeration-magnetic Separation

ZHAO ChenMIAO Lin-qingZHANG FenLI Hong-songLUO Lian-xin*

(LightIndustryandFoodEngineeringInstitute,GuangxiUniversity,Nanning,GuangxiZhuangAutonomousRegion,530004)

(*E-mail: lxluo919@hotmail.com)

Abstract：The physical-chemical characteristics of dissolved and colloidal substance(DCS) in recycled OCC pulp were studied and removal of the DCS by steam explosion and agglomeration-magnetic separation was investigated. The influence of metal ions on the stability of DCS was discussed. The results showed that DCS removal efficiency of agglomeration-magnetic separation treatment was better than the steam explosion process, DCS content, DCS average particle size, conductivity, turbidity, CODCrof the effluent decreased,while Zeta potential increased. In addition, the stability of the DCS in the OCC pulp often was improved.

Key words：OCC; steam explosion; agglomeration-magnetic separation; DCS; stability

*通信作者：駱蓮新女士, E-mail： lxluo919@hotmail.com。

基金項目：廣西大學大學生實驗技能和科技創新能力訓練基金項目(SYJN20121407)。

收稿日期：2014- 09- 15(修改稿)

中圖分類號：TS749+.7

文獻標識碼：A

文章編號：0254- 508X(2015)01- 0025- 04

作者簡介：趙晨女士，在讀碩士研究生；主要研究方向：清潔化制漿造紙新技術與污染控制。