硅酸鈉對紙機濾水及系統沉積物的影響

硅酸鈉對紙機濾水及系統沉積物的影響

由于硅酸鈉具有與多價金屬離子絡合等性能，因而在廢紙脫墨及常規過氧化氫漂白中被廣泛應用；然而，硅酸鈉在應用中也存在著不足，如在設備和管道內易產生沉積/結垢等問題，影響紙機正常運行，降低生產效率。該文首先討論了在廢紙脫墨過程中不使用硅酸鈉時的助留劑和使用助留劑+硅微粒子的助留/助濾方案對濾水性的影響，然后利用硅酸鈉與黏度存在的依存關系，結合黏度的測定，闡述硅酸鈉與形成對紙機運行有潛在危害的沉積物的紙張涂料之間的相互影響。

1　序言

近年來，影響紙機脫水效果、造成沉積物原因之一的是作為生產原料的廢紙中的硅酸鈉殘留物。實踐證明，硅酸鈉除了在浮選法脫墨過程中作為漂白助劑外，還有其他方面的好處；但硅酸鈉在應用中也存在著不足，有報告認為，紙機由此產生的一些問題，情況令人擔憂：試圖增加廢紙漿用量、節約清水用量的造紙廠都經歷了分散性膠體狀溶解物增加給紙機操作帶來困難；同時，造成問題原因之一的膠體穩定性變得無法控制等。這些物質通常被稱為陰離子垃圾，其成分為黏性粒子/黏著物、油墨、染料、生物有機體、金屬、鹽類、脂肪酸和硅酸鈉等。

2　硅酸鈉在脫墨過程中的應用

2.1在脫墨過程中應用硅酸鈉的優點

硅酸鈉作為化學品之一被用于過氧化氫漂白，通過與多價金屬離子形成絡合物，能夠穩定過氧化氫周圍的環境。廢新聞紙脫墨時，在過氧化氫中添加1%～3%的硅酸鈉，就能提高ISO白度4.5～9百分點。另外，在其他試驗中，添加0.5%～3.5%的硅酸鈉，在不用螯合劑的情況下，只用1%過氧化氫就能提高ISO白度2～4.5百分點；而添加螯合劑時最多只能提高2百分點。

在采用50%廢新聞紙（ONP），50%廢雜志紙（OMG）為生產原料進行的試驗中，添加硅酸鈉提高了漂白效果，ISO白度提高了2～4百分點。在分別添加2.5%和5%硅酸鈉的應用中，白度均能再提高2百分點，改善了脫墨性能；但是，在100%高檔涂布文化用紙脫墨時，添加硅酸鈉使纖維流失量增加，紙的脫墨性下降，同時產生大量油墨微粒，對脫墨性能造成了很大的影響。

研究人員認為，硅酸鈉和鈣的絡合是發揮其作為脫墨助劑強大功能的原因。硅酸鈉和鈣相互作用產生的輔助作用減少了紙漿損失，降低了浮選時抑制填料分離的可溶性鈣離子。另外一種解釋是，因為硅酸抑制了纖維與飛沫的附著，改善了纖維從泡沫中的排出，減少了纖維損失。硅酸粒子在泡沫中的分散改變了泡沫的性質，控制了水的流失。由于水流失的減少，纖維及微細纖維、填料的損失也變少；不過，油墨去除率變低。

硅酸鈉用量每增加1%，堿度相應上升0.11。另外，硅酸鈉除了具有作為促進油墨去除的滲透劑功能外，還具有作為碎漿機的分散劑，防止油墨再吸附，與肥皂（脂肪酸鹽）一起促進油墨捕集的作用，甚至還有pH緩沖劑的作用。

這些初期研究，是在為了測定影響白度、油墨再吸附及油墨分散良好與否的指標，即油墨微粒子而引進的殘留油墨濃度測定法（ERIC）之前進行的。有研究人員在進行緩沖pH、消除硅酸鈉對堿度影響的試驗時，通過添加2%硅酸鈉，碎漿5 min，使油墨的碎化率下降了9%，油墨的再吸附也減少了20%。這證實了以前研究提到的，硅酸鈉具有防止油墨再吸附，促進油墨的分離/凝聚的作用。有人認為，其機理是降低了碎漿時纖維間的摩擦。

2.2在脫墨過程中應用硅酸鈉存在的問題

據報告，在脫墨過程中使用硅酸鈉存在的問題主要有2點：一是在脫墨/碎漿時添加硅酸鈉時，出現沉積/結垢問題及對紙機運轉的影響；另一個問題是，殘留硅酸鈉進入紙機，可能降低陽離子聚丙烯酰胺這類助留劑的助濾作用。

用5%～50%的硅酸鈉高添加量和助留劑進行了試驗，結果存在較大的偏差，但在只使用硅酸鈉的情況下，濾水時間最大增加了20%。當硅酸鈉用量增加到2%時，助留劑的助濾作用完全消失。圖1顯示了不添加和添加硅酸鈉（1.2%），對各種助留劑濾水性的影響。試驗條件：熱磨木漿干漿，用軟水稀釋，不加硫酸鋁，pH=5；試驗的助留劑有非粒子聚乙烯胺（NI PVAM）、低相對分子質量陽離子聚丙烯酰胺（LMW-CPAM）、中相對分子質量陽離子聚丙烯酰胺（MMW-CPAM）、高相對分子質量陽離子聚丙烯酰胺（HMW-CPAM）、聚季胺（PQ）、聚酰胺-胺（PAMAM）、高陽離子型聚乙烯亞胺（HiCAT PEI）和改性聚乙烯亞胺（Mod PEI）。

圖1　添加硅酸鈉對各種助留劑濾水性的影響

圖2顯示了在0.2%～0.4%硅酸鈉低用量條件下的試驗結果。試驗條件：網前箱紙漿，10%亞硫酸鹽漿，67%熱磨漿，23%漂白化學磨木漿，不加硫酸鋁，不加硅酸鈉，pH=3.6；試驗的助留劑有聚氧化乙烯（PEO）、聚丙烯酰胺（CPAM）和膨潤土（Bent）。

根據這一試驗可以知道，空白樣的脫水時間縮短，膨潤土+CPAM組合的脫水時間幾乎沒有變化，PEO助留劑的脫水時間延長。

有研究表明，如果添加硅酸鈉，當硅酸鈉殘留量超過300×10-6時，還會影響雙元助留劑對污水澄清池的處理。另外，如果生產新聞紙的網前箱中的硅酸鈉殘留量超過90×10-6，只用聚合物助留劑，灰分單程留著率將下降。這是因為殘留硅酸鈉對助留劑起到了陰離子垃圾的作用，增加了助留劑的負荷。如前所述，這將對聚合物助留劑及澄清用聚合物，特別是PEI及CPAM產生不利影響。

作為［生產設備現場調查·無油墨計劃（Free Ink Program）］的一環，圖3顯示了采用硅鉬酸水合物法用分光光度測定儀測定了硅酸殘留量，是從生產新聞紙的脫墨車間調查獲得的數據曲線（樣品為最終的脫墨漿，硅酸鈉殘留量范圍是造紙行業的典型樣本）。

圖2　硅酸鈉低用量條件下對各種助留劑濾水性的影響

圖3　在新聞紙脫墨車間測定的硅酸鈉殘留量

由圖3可見，硅酸鈉用量低于0.5%時，處理過程結束時的硅酸鈉殘留量隨著硅酸鈉用量的增加而增加，而超過這一用量時，除了4個樣本外，硅酸鈉無論添加多少，過程結束時的最大硅酸鈉殘留量都在100×10-6～150×10-6之間。

根據各種不同操作，需要考慮硅酸鈉在碎漿時對過氧化氫的漂白/保護作用和降低油墨再吸附，抑制油墨碎化，改善浮選時的泡沫等好處和它在生產設備上的沉積以及與在澄清池及紙機上使用的助留劑相互作用之間的平衡。70%的紙廠硅酸鈉用量都不超過1.5%，以保證使用硅酸鈉帶來的好處，減少其負面作用。根據紙廠的報告，在只添加肥皂的情況下，硅酸鈉大用量能促進油墨的分離與去除（在不使用非離子表面活性劑的情況下）。與此正好相反，在只使用非離子表面活性劑的操作條件下，有時候完全不用硅酸鈉。雖然未報告限制（使用）硅酸鈉的原因，但已經確認，在很多操作中，增加硅酸鈉用量是紙機上產生沉積物的原因之一。本文通過分析機構的研究證實了硅酸鈉對助留劑的影響，硅酸鈉大用量對沉積物表現的影響，以及可能成為紙機沉積物原因的之一。

3　試驗

試驗采用浮選法脫墨、為測定紙機用漿的差別進行的脫水試驗、黏度測定等3部分構成。每批浮選法脫墨50 g，為獲得足夠的用于脫水試驗的紙漿，每種條件下需要進行3次浮選。

分析室浮選使用50 g的70%ONP+30%OMG，在12%濃度下，用攪拌器碎漿10 min，然后稀釋到1%供浮選用。采用了以下3種碎漿條件：不添加硅酸鈉；為獲得相同性質的紙漿，控制排渣在相同排渣率進行碎漿；添加1%或2%的硅酸鈉進行碎漿。脫墨過程使用了6 min放射排出脫墨式浮選（FRED）槽，除去油墨，回收排渣，稱重，測定灰分。

用動態脫水試驗機（DDA），分別測定添加和不添加化學品時的稀漿濾水特性，測定真空條件下的網上紙漿濾水速度。研究者認為，根據這一測定，能夠獲得使紙漿盡快脫水所需要的化學品種類和用量。在該助留研究中，測定了只用CPAM和同時使用0.5 kg/t硅微粒子的數據。

有關硅酸鈉黏度測定結果引用了為重現前人研究時的碎漿機處理條件和黏性物質評價而進行的另一次試驗結果。根據這一初期試驗結果，硅酸鈉與黏度存在著出乎預料的關聯，為此進行了追加試驗，確認了硅酸鈉的添加對黏度的影響。膠體狀膠粘物的測定是基于樣本分類和對總有機物含量進行的測定。含有丁苯橡膠樹脂（SBR）的涂布紙在溫度45℃、濃度15%的條件下碎漿20 min，稀釋到3.5%濃度，收集濾液，測定黏度和膠體狀黏性物質。然后，在80℃溫度下加熱20 min，確認了在PET（聚酯）試驗片上吸收黏性物質時的黏度和黏性物質的變化。

4　結果與分析

如前所述，到目前為止，研究人員已經證實硅酸鈉用量對排渣有很大的影響。本次研究的目的是，希望在添加硅酸鈉和不添加硅酸鈉的情況下，都能保持相同的脫墨性能和固形物損失。如表1所示。

表1　浮選法脫墨的結果

由表1可見：硅酸鈉用量從0%～2%，排渣量的變化在50 g之內；通常，這一數值與分析所得的數值接近，生產中看不到這樣的數值；白度、排渣的灰分含量也處在添加硅酸鈉時看到的數值相同的范圍內。除了不添加硅酸鈉和添加1%硅酸鈉的情況外，浮選時的這種相似性意味著濾水試驗時的灰分和纖維量相同。濾水試驗只觀察了添加1%硅酸鈉的情況。

圖4顯示了硅酸鈉對網前箱的紙漿脫水時間的影響。

圖4　硅酸鈉對網前箱的紙漿脫水時間的影響

由圖4可見：不使用助留劑時的濾水速度約為20 s，基本不變；在只使用CPAM的條件下，不添加硅酸鈉的濾水時間大約變快5 s；而當添加硅酸鈉時，濾水時間變慢，為原時間的4倍；在不加硅酸鈉、添加CPAM和硅微粒子的條件下，濾水時間縮短到了10 s；添加硅酸鈉時，濾水時間成倍增加到了20 s，與不用助留劑時的濾水時間大體相同。根據這一研究，證實了根據研究初期的考察內容和大規模生產所報告的論點；也就是說，沒有硅酸鈉的脫墨，給助留劑的性能帶來了很大的影響。與此同時，濾液的濁度大幅下降，見圖5。

圖5　硅酸鈉對網前箱的濾液濁度的影響

在測定添加與不添加硅酸鈉條件下的黏度時，確認了硅酸鈉與黏性物質的相互作用。意外的是，添加硅酸鈉顯著降低了黏度。這一觀點通過在硅酸鈉用量為0%～2%時，黏度較低，膠體狀膠粘物和濁度變高得到了確認，分別見圖6和圖7。

圖6　硅酸鈉對碎漿機中的黏度及膠體狀膠粘物量的影響

圖7　硅酸鈉對碎漿機中的黏度及濁度的影響

由圖6可見，硅酸鈉用量超過0.5%時，黏度下降。它的下降可能是由于硅酸鈉與黏性物質形成了絡合，使之失去了黏性。由圖7可見，伴隨著硅酸鈉/ SRB粒子絡合物的形成，發現濁度上升，硅酸鈉用量從0%增加至0.5%，再增加至1%，濁度每次都上升500 NTU，硅酸鈉從1%增加至1.5%時，濁度上升了1 500 NTU。這一現象，和硅酸鈉用量超過0.5%后硅酸鈉殘留量的平衡趨勢（圖3），以及考慮到系統的污染問題，超過0.5%的用量時硅酸鈉將進入紙機系統，誘發系統污染等，都需要充分考慮。基于前人的研究，作為為重現碎漿機處理條件和黏性物質評估而進行的試驗的一個環節，將在45℃溫度下碎解的紙漿在80℃溫度的槽水中浸泡20 min。這一高溫促進了黏性物質向置于強制吸收分析裝置中的PET薄片的轉移。我們進行這一評價的目的是為了了解不同溫度對黏度的影響（試驗條件：涂布紙碎漿中SBR用量為3.5%）見圖8。

圖8　添加硅酸鈉的情況下溫度對黏度的影響

由圖8可見，在任何情況下，黏度都隨硅酸鈉用量的增加而下降；但在硅酸鈉用量為2%時，情況大為不同，即45℃溫度處理的與80℃溫度處理的紙漿相比，黏度成倍增加。這表明，在到達紙機烘缸前，硅酸鈉-SBR絡合物粒子活性還不大，隨著溫度上升，絡合物分解變成具有黏性的粒子。硅酸鈉用量為1.5%時，45℃溫度和80℃溫度的黏度相同，硅酸鈉用量為2.5%時，黏度成倍增加。這就是為什么亞洲的新聞紙生產企業的硅酸鈉用量幾乎都不超過1.5%的原因。

5　結論

（1）在用CPAM或者硅微粒子＋CPAN組合作為助留劑的情況下，如脫墨前在碎漿機內添加硅酸鈉時，濾水速度變慢2～4倍。

（2）不加硅酸鈉，以硅微粒子＋CPAM組合用作助留劑，脫水時間縮短50%。

（3）硅酸鈉用量為1%時，濾水的濾液濁度上升40%～130%。

（4）只使用CPAM，硅酸鈉用量為1%時，濾液濁度僅輕微下降，但脫水速度下降四分之一。

（5）添加硅酸鈉降低了黏度，增加了膠體狀膠粘物的量和濁度，濁度的大幅度提高說明硅酸鈉和SBR形成了絡合物。

（6）在硅酸鈉用量為0．5%、溫度超過80℃條件下，碎漿后未發現形成的硅酸鈉-SBR絡合物粒子對黏度的影響。

（7）當硅酸鈉用量為1．5%時，無論溫度是45℃還是80℃，硅酸鈉-SBR絡合物粒子的黏度相同。

（8）當硅酸鈉用量為2%時，黏度比不添加硅酸鈉時低65%、但在溫度超過80℃時，黏度成倍增加。其機理可能是因為黏性物質在幾乎未檢出前就直接進入了抄紙機，隨著紙機烘缸溫度的上升，黏度突然增加，形成了膠粘物。

（杜偉民編譯）