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廢紙回用廢水中膠黏物去除技術研究進展

2022-07-22 03:22:12張珈銘周晨旭熊建華朱紅祥王雙飛黃顯南
中國造紙 2022年6期
關鍵詞:檢測方法

張珈銘 周晨旭 熊建華,,* 朱紅祥 王雙飛 黃顯南

(1.廣西大學資源環境與材料學院,廣西南寧,530004;2.廣西清潔化制漿造紙與污染控制重點實驗室,廣西南寧,530004)

隨紙張需求的增加,全球紙張產量在過去30年中迅速增長。中國紙和紙板產量連續8年居世界首位,國內紙和紙板消費量約占全球總消費量的四分之一。廢紙造紙有助于減少原生林木的砍伐、溫室氣體和污染物的排放。據估計,利用1 t 廢紙,可生產約0.8 t再生漿,同時可大幅度減少有毒廢物的排放,具有極為可觀的經濟效益和社會效益[1]。我國廢紙的利用量也在逐年增加,2019年我國紙漿消耗總量為10051 萬t,其中廢紙漿6302 萬t,占比達63%。由于我國造紙原料缺乏,紙漿和廢紙需要大量進口,然而隨著廢紙進口禁令的實施,廢紙進口量將從2017年的2572萬t下降至極低的水平[2]。面對中國的“雙碳”的減排目標以及廢紙進口禁令的頒布實施的壓力,廢紙的高效回用和再生紙技術在節約原料的同時減少能源資源消耗,是實現循環經濟和低碳發展的重要方式。在廢紙制漿造紙廢水循環利用過程中,前序工藝引入的膠黏物難以徹底去除,進入系統并不斷富集,導致再生紙出現斑點、孔洞等現象,影響成紙性能[3]。因此,膠黏物的積累成為困擾廢紙制漿造紙廢水循環利用的最大障礙之一。本文擬對廢紙回用生產中膠黏物的基本特性加以概述,針對目前的檢測及廢紙制漿造紙廢水中膠黏物去除方法的研究進展進行闡述。

1 膠黏物的來源及性質

1.1 膠黏物的來源及性質

膠黏物一般認為來源于回用纖維的黏性物質和人工合成有機物,其中木材抽出物中的親脂性抽出物通常是造成“樹脂障礙”的主要誘因[4],而甘油三酸酯是引發樹脂障礙的最主要因素,也是導致膠黏物黏附和沉積的最主要物質[5-6]。另外,某些造紙助劑的使用間接增加了膠黏物的來源,加大了膠黏物成分的復雜程度[7-8]。

由于膠黏物來源比較復雜,故其化學組分隨著漿料配比的變化及各種藥劑及添加劑(如漂白劑、膠料、填料、助留助濾劑、增強劑等)不同而發生變化,碳水化合物所占的比例較大[9]。復雜的成分也決定了膠黏物不同的物理化學性質,主要性質有:①黏性:易團聚沉積形成較大的顆粒;②水溶性:水溶性因成分而不同;③離子性:膠黏物粒子表面常帶有負電荷;④反應性:不同種類膠黏物可以與堿、漂白劑等發生反應。

除此之外,還有密度、附聚傾向、溶劑軟化、變形性和彈性、pH值敏感性、降解性等。

1.2 膠黏物的分類

由于組成復雜,膠黏物分類方法因分類標準不同而有所差別。按粒子大小,膠黏物可分為大膠黏物(粒徑420 μm 以上)、中膠黏物(74~420 μm)和小膠黏物(粒徑小于74 μm)[10]。按照粒子幾何尺寸,膠黏物一般可分為大膠黏物(macro-stickies)和微細膠黏物(micro-stickies)。在實驗室條件下,大膠黏物是指能夠被100μm 或者150μm 縫篩截留的膠黏物顆粒。微細膠黏物的顆粒尺寸小于100μm或150μm[10],在再生紙漿中占主導地位。微細膠黏物中尺寸小于1μm 或5μm 的可溶解膠體類物質(dissolved and colloidal substances,DCS)雖含量較少,但因其難以控制且易受環境條件影響而易再次聚集,特別是陽離子聚合物的失穩易導致產生沉淀,有時沉淀黏稠影響后續生產[11]。另外,根據美國造紙科學與技術學院(Institute Of Paper Science And Technology,IPST)開發的測定方法[12]:將膠黏物分為粒徑100 μm 或150~2000μm的大膠黏物和粒徑0.003~25μm 的微細膠黏物。粒徑<0.003μm 的膠黏物稱為溶解膠黏物,在大膠黏物和微細膠黏物粒徑之間的膠黏物(粒徑20~150 μm)稱為懸浮膠黏物。膠黏物按照電荷特性分為陰離子型物質和陽離子型物質。陰離子型物質占比較大。按照形成過程可以分為原生膠黏物和二次膠黏物。二次膠黏物較原生膠黏物更難除去且不具有黏性,但外界條件變化可導致其聚集和沉積。

2 膠黏物的檢測方法

2.1 大膠黏物的檢測方法

一般對大膠黏物的檢測方法認可度較高的主要是從漿料中篩出和保留在漿中2種方式。

2.1.1 TAPPI法

篩選法是由TAPPI(美國紙漿與造紙工業技術協會,Technical Association of the Pulp and Paper Industry)開發并推薦的方法[13],是TAPPI 測量大膠黏物的標準方法,所用篩有Sommerville 篩分儀、Pulmac Masterscreen 篩分儀、Valley 平篩等不同裝置,在篩選后對篩渣進行質量稱量或檢測來確定大膠黏物的含量。其中湖南岳陽紙業有限公司、河北泛亞龍騰紙業有限公司、寧波亞洲漿紙業有限公司等企業已采用Pulmac的篩分儀測量大膠黏物[14]。

圖1 膠黏物的性質及變化[12]Fig.1 Characteristics and changes of stickies[12]

冷藏可使微細膠黏物附聚為大膠黏物,并以大膠黏物測量方法檢測。過濾冷凍前后大膠黏物含量的差值為微細膠黏物的量,也可直接測出同一漿料樣品中的大膠黏物和微細膠黏物含量。該法多用于測定OCC(廢舊瓦楞紙)中膠黏物含量,但不能對膠黏物進行合理有效地篩分,不適合膠黏物含量較少、附聚程度可能不夠的ONP(舊報紙)和OMG(廢舊雜志紙)中微細膠黏物含量的測定。

2.1.2 INGEDE 抄片法

INGEDE(脫墨工業國際協會,International Association of the Deinking Industry)將熒光染色與圖像分析技術結合,用含膠黏物的濾液與干凈化學漿抄成漿片后,顯微鏡觀察熒光染色后的抄片,用圖像分析儀檢測手抄片以獲得有關膠黏物含量的信息。檢測方法認可度高、操作方便簡單、但測量時間長且測量結果為所有親油性的物質,受過濾和染色方法影響較大。

2.2 微細膠黏物的檢測方法

2.2.1 吸附法

吸附法是基于膠黏物對低表面能表面的易黏連性,使其吸附于收集器上,稱量收集器增加的質量進行定量分析的方法。如Berol 開發的聚乙烯薄膜法、Buckman 公司的聚乙烯法、Doshi 等開發的聚丙烯微泡法、Pira 紙機聚酯網法及PRICAN 高密度聚乙烯板法等[15]。黏性與膠黏物含量有關,含量低時黏性小[16],吸附的膠黏物并非全部膠黏物,測量結果與操作過程關系較大,重現性較差。

2.2.2 抽提法

抽提法是利用溶劑對膠黏物的選擇性溶解原理開發的方法,所使用的溶劑是低分子質量的醇、酮、乙烯或氯代化合物如甲基氯化物、二氯甲烷等,測定結果取決于所使用的溶劑和抽提條件。抽提法簡單易行,關鍵在于抽提溶劑的選取以保證膠黏物盡可能全部抽出且盡量不含其他雜質[17]。不同的膠黏物在溶劑中溶解行為不同,因而分析較復雜。此外,普適性較強的溶劑[10]尚未發現。

2.2.3 頂空氣相色譜法

頂空氣相色譜法是在吸附基礎上結合色譜法間接檢測的方法,由Chai等人[18]首先提出并運用到實際檢測中。吸附在膠黏物上指示劑的質量和膠黏物的表面積成正比,同時膠黏物表面積與膠黏物質量也成正比,故指示劑的揮發氣相質量與樣品中膠黏物的含量成反比。測量指示劑的峰面積,可推算出微細膠黏物的含量。由于假定膠黏物的表面積大小均一,而現實中膠黏物粒徑分布范圍較大,對結果可能有較大影響。頂空氣相色譜法可擴展直接應用于對漿料進行檢測[19],但指示劑對其他物質的吸附作用難以排除。

2.2.4 EMMA法/高分子質量TOC法/IPST法

IPST[20]開發了一種膠黏物積累趨勢的有效測定方法(Effective Measurement of Microstickies Accumulation Potential,EMMA),又稱IPST 法,單位為TOCmg/L(TOC 為總有機碳,Total Organic Carbon)。測定樣品過濾前后濾液TOC,留在濾膜上的組分即為微細膠黏物,其粒子大小是在分子質量5000 Da 以上和直徑25μm以下的膠黏物粒子,依據前后TOC之差推算微細膠黏物含量。Banerjee 等人[21]對該方法進行改進并申請專利。Jeret等人[22]在此原理上研制出一種在線傳感器,通過測量高分子質量(分子質量3000 Da 以上,直徑25μm 以下)物質的TOC,推算出微細膠黏物含量,該法被稱為高分子質量TOC 法,可在8 min內在線間接測得微細膠黏物含量,但不能獲得膠黏物的粒度信息。

2.2.5 熒光染色計數分析法

熒光染色計數分析法首先用熒光染色劑對過40μm篩后的白水顆粒進行染色,經激光照射產生熒光后,使用激光光學顆粒計數器的毛細管測量室對所產生的光脈沖進行檢測和計量[23]。熒光染色計數分析法能獲得樹脂粒度及分布的信息。

汽巴公司開發的CCA(Ciba Contaminant Tester)測定方法將BASF(巴斯夫股份公司)的方法進行擴展,樹脂粒度范圍擴大為0.1~100μm[24],并利用該方法評定固著劑的使用效果,測量殘余樹脂的含量和粒徑。CCA 實現粒徑的粗測,但未實現粒徑的準確測量。

CASCADES公司染料法是基于疏水性膠黏物可與親脂性染料相互作用而與纖維素基本無作用的原理,通過快速測量熒光強度獲得膠黏物含量,但不能測量粒度[25]。

流式細胞儀是對細胞進行自動分析和分選的裝置。在細胞懸浮液流過測量裝置時,快速測量、存貯、顯示懸浮在液體中單個細胞的多種物理特性,例如大小和粒度。流式細胞儀具有測量單個細胞或任何其他顆粒(如微生物,細胞或膠黏物顆粒)光學和熒光特性的能力[26]。王志偉[27]基于流式技術研制了微細膠黏物測定儀,實現了對顆粒的高效準確逐個計數,檢測最重要的環節是熒光染色劑的選用。原理是先利用熒光染色劑對微細膠黏物顆粒進行選擇性染色,然后所有顆粒逐個通過毛細管檢測室中心,被聚焦激光束照射,利用顆粒正向投影計算出顆粒直徑,利用側向熒光激發的紅光對膠黏物和非膠黏物進行區分,得到微細膠黏物的數目和粒徑分布。

2.2.6 膠黏物篩分儀

Doshi 等人[28]在其研發的大膠黏物測定儀Master-Screen(Pulmac 公司,加拿大)基礎上開發出微細膠黏物測定新方法—加速絮聚法(Accelerated Agglomeration Method)。將微細膠黏物(含二次膠黏物)通過一定方法加速絮凝,然后利用MasterScreen 分離,將得到的絮凝后的大膠黏物與潔凈化學漿抄片,熒光染色后測定光強并分析其含量或直接測其質量。加速絮聚法操作方便,已經實現在線測量,但膠黏物難以全部絮凝且絮凝后較松散,無法保證篩分完全,染色有較大誤差,不能反映出微細膠黏物的數量和直徑。表1為微細膠黏物的主要檢測方法一覽表。

表1 微細膠黏物的主要檢測方法Table 1 Main test methods for micro-stickies

2.3 膠黏物沉積趨勢分析檢測

2.3.1 近紅外光譜(NIR)快速無損檢測法

膠黏物的NIR光譜與漿料樣品中膠黏物含量有較高的對應關系[29]。因而對NIR 光譜進行最大-最小歸一法處理,并采用偏最小二乘法建立的數據模型,可用于漿料樣品中膠黏物含量的預測[30]。Millvision BV公司發明的MVStick 620 微細膠黏物檢測儀,采用的快速無損檢測法(Quick and non-destructive method)即利用近紫外光譜技術,可在未作任何預處理條件下同時測量微細膠黏物和潛在二次膠黏物含量,實現工業中的快速檢測,從而進行有效的生產控制和提前預測。但該技術并不十分成熟,不能保證對所有紙漿和所有場合都適用。不同來源膠黏物對近紅外敏感程度不同,膠黏物吸附雜質及被遮蓋等均會影響檢測結果。

2.3.2 動態微細膠黏物沉積法

加拿大制漿造紙研究所(PAPRICAN)開發了利用動態微細膠黏物沉積試驗儀檢測并監控漿水或白水中微細膠黏物沉積速率的新方法。微細膠黏物的沉積使成形網織物上、下形成了壓力差(ΔP),壓力差的變化就表示了沉積物量的變化和沉積速率的變化,用來監控漿水或白水中的微細膠黏物[31]。此方法可以記錄連續的沉積速率,在低和快速沉積條件下有較好的重現性和較高的靈敏度,但并不能真正給出膠黏物含量準確信息[32]。

2.3.3 QCM-D技術

QCM-D(Quartz Crystal Microbalance with Dissipation monitoring Technique)技術,即石英晶體損耗檢驗微量平衡技術[33]。石英晶體微天平(QCM)是一種質量敏感傳感器,利用石英晶體的逆壓電效應,若晶體表面有物質吸附,質量的改變會使振動頻率發生頻移。頻移和質量增量存在一個Sauerbrey方程[34],依據該方程,石英晶體頻率等損耗,可在短時間內定量測量微細膠黏物的沉積[35]。

總之,目前檢測方法存在無法實現粒度的同時檢測、重現性較差、操作時間久、操作過程要求高的問題,不易頻繁及在線檢測,不足以滿足工業化檢測和監控的需要。另外,膠黏物的粒徑及分布變化可作為評判廢紙漿生產條件優化的有效依據,因此,膠黏物的粒度檢測方法的優化展示出指導生產過程,提高運行效率的作用。

3 膠黏物的去除方法

3.1 大膠黏物的去除

大膠黏物主要采用物理法進行去除,主要包括精篩、洗滌、分散、機械處理等。精篩是利用波紋面壓力縫篩,通過篩選設備不能完全去除膠黏物[36]。洗滌是常用的處理方式,如沖床洗滌。然而,由于水處理成本的增加及通過壓洗控制的大多數物質是溶解的物質(如半纖維素和果膠),而非有害膠體物質。分散及機械處理方法可進一步碎解膠黏物顆粒,可將其分散至肉眼不可見的狀態[37]。分散方法通常是施以剪切力降低雜質粒子大小,包括冷分散和熱分散兩種機械處理技術。冷分散是指常溫常壓下的分散處理,可以有效去除雜質粒子且動力和熱量消耗不高,日本多采用冷分散技術。熱分散技術是指通過加熱揉搓、熔化方式分離混雜在纖維中的油脂、油墨、石蠟、橡膠等雜質。國內多采用熱分散技術,簡單易行、投資小,而且成紙后膠黏物難以看出,但不能防止其對后續工段的影響。

3.2 微細膠黏物的去除

微細膠黏物更為復雜,在紙機運行過程中很難除去,由此出現了糊網、糊毛毯孔、粘輥、粘缸等現象,而使紙張產生許多斑點,降低紙張質量[37]。當前,微細膠黏物的去除方法綜合起來可分為4類:物理法、化學法、高級氧化法和生物技術。

3.2.1 物理法

物理法主要為蒸發、膜技術等。由于投資和運行成本高,蒸發操作難度較大,未得到廣泛應用[38]。膜技術是去除微細膠黏物的有效方法。Sousa 等人[39]使用10 kDa 聚醚砜(PES)超濾膜采用超濾技術去除某造紙廠污水處理廠二級澄清池出水中的DCS(可溶解膠體物質)。結果表明,CODCr濃度被降低至110 mg/L,在等電點附近的粒徑分布和Zeta電位的測量表明,膠體化合物的含量大幅度下降。廢水黏度較大,易對膜表面形成堵塞,加重膜污染,雖然可對操作條件調控,實現在一定程度上對膜污染的去除,但仍存在材料昂貴,處理成本過高等問題,從而限制了膜技術的應用。

3.2.2 化學法

第一種化學法是吸附法,主要是用滑石粉、膨潤土或合成纖維吸附膠黏物[40]。采用陽離子滑石粉處理脫墨紙漿,使DCS失穩被滑石粉顆粒吸附,降低DCS含量[41]和陽離子需求[42]。Geng 等人[43]采用乳液交聯法制備殼聚糖-蒙脫土和殼聚糖-Fe3O4復合微球去除再生紙中的膠黏物。與滑石粉相比,殼聚糖-蒙脫土或殼聚糖-Fe3O4微球更易吸附膠黏物。

第二種化學法是通過添加助凝劑和絮凝劑,使白水中的填料、細小纖維、部分溶解性有機物及膠體物質聚沉,方便快捷、效率較高[44-45]。目前已有一些無機物應用于實際生產。起初,石棉、膠體氧化鋁[46]由于陽離子性質有助于結合帶負電荷的膠黏物被廣泛應用。沉淀碳酸鈣(PCC)雖然表面正電荷較弱,但玫瑰形復合結構為吸附膠體顆粒提供了充足的內部空隙。PCC的添加量通常比較大,為紙制品絕干質量的10%~30%。另外,合成的有機纖維也被發現可以有效地去除造紙工藝用水中的膠黏物[47]。最近,普遍應用的材料為硫酸鋁(造紙用明礬)或聚合氯化鋁(PAC),由于其高正價鍵,通過中和懸浮膠黏物的表面電荷產生團聚或沉積,適于與纖維或其他吸附劑材料共用[48-49]。聚合氯化鋁(PAC)、氯化鋁等是基于氯化鋁的部分羥基化所得,可以實現更高的混凝效率。其中,七價陽離子[AlO4Al12(OH)4(H2O)12]7+較為突出[50]。有機化合物中,高質量丙烯酰胺聚合物的作用機理為聚合物橋接。有效的橋接需要聚電解質與其接觸的表面上相反的帶電區域相互作用[51]。基于天然高分子聚合物的高陽離子聚合物因其原料易得和可再生性,在去除膠黏物的過程中受到廣泛關注。造紙過程中常用高電荷陽離子材料,作用位點充足,帶負電荷的助留劑能成功用于膠黏物的聚沉[52]。

雖然利用化學法對白水DCS 具有一定的去除效果,但易打破白水中原有的電荷平衡,造成白水中的DCS重新沉積,對系統產生一定危害,所以應用范圍有限。表2為常用絮凝劑的種類及優缺點。

表2 常用絮凝劑的種類及優缺點Table 2 Types and advantages and disadvantages of commonly used flocculants

3.2.3 高級氧化法

高級氧化工藝(Advanced Oxidation Process,AOPs)已成功應用于大量難降解有機物污染物的處理[54]。Li 等人[55]采用Fenton 試劑對舊瓦楞紙(OCC)白水中的DCS 進行了處理,CODCr的去除率為90.68%,DCS 的去除率為1.64 g/L,Fenton 試劑能有效去除苯甲酸和壬二酸,但對脫氫樅酸的去除效果不理想,含量只降低了24.07%。因此,在白水的深度處理階段,當剩余的CODCr含量非常小時,Fenton 處理可使廢水的可生化性提高到低可生化性水平。

除了傳統的Fenton 反應外,其他納米工程顆粒(Engineered Nanoparticles,ENPs)應用于AOPs 的機理的可行性也已進行了研究[56]。近幾年來,納米TiO2由于表面積大,帶正電荷,成為DCS 的優良吸附絮凝劑。Chen 等人[57]用納米TiO2膠體去除DCS 研究發現,通過橋接絮凝,納米級TiO2粒子表面羥基(Ti4+—OH)與含氧官能團之間形成氫鍵,可捕獲溶解物質(DS),并將膠體物質(CS)與配合物連接,形成絮凝團。沈文浩等人[58]對二次纖維造紙廠的混合污水進行了膠體絮凝-光催化處理,采用TiO2膠體依靠納米粒子在細小纖維和膠黏物質之間的架橋作用對污水中細小纖維與膠黏物粒子絮凝。水樣CODCr從909.7 mg/L 降至103.0 mg/L,CODCr去除率為88.7%。Ghaly 等人[59]利用合成的納米TiO2作為催化劑,研究了太陽能光催化技術在降解制漿工業廢水的應用。研究結果表明,當催化劑質量濃度達0.75 g/L 時,降解速率隨催化劑用量的增加而增加,最適pH值在6.5左右。在此條件下,在180 min 的太陽光照射時間內,廢水中CODCr的去除率可達75%。結果表明,太陽能光催化氧化法可以提高廢水的生物指數,對CODCr的去除有良好的效果。另外,臭氧已被用于機械紙漿廢水中,能夠選擇性地破壞樹脂和脂肪酸[60]。

AOPs 的優點在于能夠完全氧化有機污染物,但要求持續的能量和/或化學投入,并且AOPs多為非特異性反應并伴有大量的中間副產物,難以實現對特定目標污染物的高效去除。

3.2.4 生物技術

生物技術已廣泛應用于制漿造紙中,包括漂白、精煉、脫墨、纖維改性和污水處理,且生物技術處理可使大膠黏物分解且使膠黏物基本組分失去或降低黏性,從根本上解決膠黏物引起的問題[61-62]。生物技術已廣泛應用于紙漿和造紙生產的不同方面,包括漂白[63]、精煉[64]、纖維改性[65]和出水處理[66]。然而,無論目標是纖維還是白水,膠黏物本身不會從造紙系統廢水中完全去除,但仍可用于膠黏物的部分或全部降解并減輕其有害影響。

(1)細菌、真菌對膠黏物的降解

存在于機械漿和新聞紙漿及白水中的溶解物質和膠體物質主要來自木質成分,使用選定的真菌物種對廢水或紙漿進行處理不僅可以降解有害物質,還可以增加紙漿產量。Lindberg 等人[67]在實驗室中嘗試從造紙廠分離出的9 種細菌,以去除熱機械紙漿中的DCS。結果表明,該細菌能將甘油三酯水解為游離脂肪酸,釋放出的不飽和脂肪酸也有一定程度的降解,但飽和脂肪酸降解不明顯。不飽和程度對脂肪酸的降解比分子質量更重要。在11 天內,約30%的甾醇酯被降解;約25%的脫氫樅酸、45%的樅酸和樹脂酸被降解;未觀察到溶解半纖維素的降解。孫海利等人[68]利用芽孢桿菌屬(Bacillus)菌株和假黃單胞菌屬(Pseudoxanthomonas)菌株混合菌株降解造紙白水,DCS 的去除率為34.14%。Stebbing 等人[69]將Trametes versicolor發酵液加入新聞紙白水中,能夠去除白水中的DCS,同時減少木素、樹脂酸和脂肪酸的含量。白腐菌對于膠黏物的降解有顯著的效果。不同的酶(漆酶、纖維素酶和脂肪酶)在白腐菌生長過程中產生并釋放到水中,在白水中循環,可以降解DCS。Zhang等人[70]首次利用白腐菌培養濾液處理新聞紙白水,能降解90%以上的木質素和酯鍵萃取物,樹脂和脂肪酸含量降低了約60%。雖然各種生物技術對DCS的處理效果顯著,但由于缺乏高效固定化技術及生物反應器使得生物酶和真菌的廣泛應用被限制。其中,白腐真菌培養濾液中漆酶的聚合作用能有效去除木質素及其二聚體。雖然已經制得各種高效固定化生物酶并應用于DCS 的處理,但由于缺乏高效生物反應器,無論是酶還是真菌都因反應條件受限而難以廣泛應用。

然而,較長的反應時間和有限的溫度范圍可能使真菌的應用受限,與真菌處理相比,盡管紙機系統的pH 條件限制了更廣泛的應用,但無細胞酶的優點是反應時間更短,對更高溫度的耐受性更強。根據不同組分的化學性質不同,需要多種不同的酶來去除膠黏物。

(2)酶對膠黏物的降解

酶具有特異性、高效性、副作用小且很容易去除的優勢。由于來源易得,可持續性,具有選擇性地修飾多糖、提取物和木質素的顯著潛力,在制漿和造紙工業中的應用越來越廣泛,生物酶技術應用于廢紙膠黏物處理已成為當前主要的研究方向之一。目前研究主要集中于纖維素酶、漆酶、酯酶和果膠酶。纖維素酶去除膠黏物主要用于水解纖維表面的糖苷鍵,促使夾雜在一起的膠黏物粒子因糖苷鍵斷裂而分散成若干小尺寸粒子。與其他處理手段配合進行后續的處理時,纖維素酶處理后,白水中微細膠黏物受不同因素影響,其穩定性被打破[71]。

周楫等人[72]采用漆酶/聚木糖酶體系(LXS)處理廢紙脫墨漿,能有效去除漿料中膠黏物,尤其是漆酶/聚木糖酶體系處理后堿抽提(LXS+E)去除效果更佳,膠黏物分別降低了51.91%和68.43%,減輕了后續工序除膠黏物的負荷。酯酶主要針對膠黏物組分中起黏附作用的酯鍵,降低膠黏物粒子的黏性,減弱其沉積、黏附及再聚集的性能[73]。胡惠仁等人[74]采用脂肪酶處理TMP 模擬白水,水樣的陽離子需求量減少20%左右,對樹脂類物質降解效果明顯。Li等人[75]使用壓敏膠作為二次黏合劑的模型物質,研究了果膠酶處理對DCS沉積的影響。DCS的加入降低了陽離子聚合物的效率,加劇了膠黏物的沉積。聚半乳糖醛酸作為DCS 的主要成分,在果膠酶處理過程中可被有效降解。因此,果膠酶處理可以作為一種潛在的方法來去除高得率紙漿和廢紙脫墨紙漿混合物的黏稠度,也可以用于白水處理。然而,在沒有陽離子聚合物的情況下,果膠酶處理DCS 對減少鈣離子引起的黏性沉積沒有效果。Zhang 等人[76]從Thermus thermophilus(Pyrobaculumcalidifontis)和大腸桿菌宏基因組文庫中獲得了3 個嗜熱酯酶基因,考察了這些酯酶和3 種工業脂肪酶在廢紙回用過程中的去除效果。嗜熱性T.的酯酶(TTEST)在不同條件下均表現出較高的脫膠效率,與淀粉酶、果膠酶、木聚糖酶結合存在協同作用。在80℃、pH 值6.0 和50℃、pH 值9.0 的條件下反應1 h,最佳酶混合液的去除率分別保持在59.5%和68.9%。以上研究表明,無細胞酶如脂肪酶、果膠酶及漆酶等盡管具有反應時間短、耐高溫的優點,但只能作用于單一物質,并且會出現大量中間產物。

3.2.5 其他組合技術

采用單一的處理方法往往不能確保膠黏物得到完全去除,以及廢水達到排放標準,因此需要多個方法聯合[77]。電絮凝以其設備簡單、易于操作,以及可靠、有效、環保的優勢,已應用于各種類型的工業廢水。劉輝等人[78]針對舊瓦楞紙箱造紙廢水在回收過程中存在的微黏稠物沉積和鈣離子含量高的問題,提出了一種有效的電絮凝預處理方法,實現水中濁度和DCS含量分別降低了97.1%和43.68%的效果。

關于膠黏物的去除研究多集中于物理與化學方法,對于生物技術的研究,由于真菌、細菌等的代謝復雜,對膠黏物去除效率不理想;酶固定化技術的成本過高,一定程度上限制其應用,如何實現特效菌的批量篩選和培養,以及生物酶成本的突破,從而構建高效的生物反應器是實現生物技術工業化試行應用的基礎之一。相比于單一方法的研究,多種方法聯合使用對膠黏物的去除有較好的效果,環境友好的生物組合技術方面的研究也是膠黏物去除技術的另一突破手段。

4 結 語

隨著研究深入和檢測手段提升,膠黏物的去除手段逐漸多樣化,但受成分復雜多變限制,不同處理方法所得中間及最終產物較多,檢測手段有限,使膠黏物的去除機理尚不清晰。此外,綠色發展理念下,去除膠黏物同時對可利用成分的回用技術尚需進一步研究,以求在優化紙張質量、提升紙張性能的同時,實現水資源的循環利用及節能減排效益的兩全舉措。隨著科研的深入及產業和科研的結合,可控的綠色高效膠黏物的去除技術有望能夠實現。

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