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迫于环境保护和资源紧缺的压力,以及企业降低生产成本的需求,废纸浆在造纸纤维原料中所占比重逐年上升,纸机白水循环利用比例也越来越高,导致纸机白水中溶解和胶体性物质(Dissolved and Colloidal Substances,DCS)成分更加复杂,其富集程度也明显加剧,严重影响了产品质量和纸机运行性能。为有效缓解或彻底避免DCS富集造成的危害,寻求新型的、更加有效的DCS富集控制方案是非常必要的。本论文以纳米TiO2胶体为DCS的吸附留着剂,通过与其它有机组分复配,对解决100%脱墨浆(Deinked Pulp,DIP)抄纸时DCS富集的问题进行了较为系统的研究。
首先就纳米TiO2胶体单元体系对DIP留着与滤水性能影响进行研究。结果表明,在pH值5~9范围内,当平均粒径为4.8nm的锐钛矿型纳米TiO2胶体用量为0.32%时,动态絮聚实验滤液的相对浊度(Relative turbidity,Rt)降低至0.26左右,同时接收滤液的时间从空白样的153sec缩短到35sec左右。此外还发现,浆料的电导率及DCS浓度变化对纳米TiO2胶体单元体系留着性能影响不大,而剪切强度对其助留性能影响较大,不过其二次吸附絮聚能力较强。
针对以100%DIP为原料生产新闻纸的纸机过程水(未脱墨废纸浆、DIP和纸机白水)进行GC-MS分析,发现其DCS主要成分是树脂酸、脂肪酸、甘油酯、甾醇、苯甲酸和苯甲酸酯类物质。比较纳米TiO2胶体对过程水絮聚前后DCS组分的变化,发现纳米TiO2胶体对DCS中大多数组分有较强的吸附絮聚作用,且这种作用受被絮聚物质分子极性和分子结构影响:分子极性越大吸附絮聚作用越强,分子结构的位阻屏蔽作用越明显,吸附絮聚作用越弱。结合纳米TiO2胶体对DCS模型液的滴定实验,我们推测纳米TiO2胶体与DCS的絮聚主要是因氢键吸附形成的“微粒桥连”作用,并非电荷中和作用。
将纳米TiO2胶体与多种改性淀粉、有机聚合物组成复配体系,研究不同复配体系的助留助滤和对DCS的去除效果。研究结果显示,纳米TiO2与两性淀粉(Amphoteric Starch,AmS)或阴离子聚丙烯酰胺(Anionic Polyacylamide,APAM)组成的复配体系的助留助滤效果及DCS留着效果最好。两种复配体系均表现出较强的协同作用,不仅降低了纳米TiO2的用量,还提高了对DIP的助留助滤效果,增强了抗剪切能力。同时,这两种复配体系对pH值、电导率、DCS浓度变化不敏感,但对各自助剂的添加次序比较敏感,尤其是纳米TiO2胶体/APAM复配体系。
进一步在手工纸页成型器上模拟白水封闭循环抄造,考察纳米TiO2胶体单元体系、AmS/纳米TiO2胶体复配体系、纳米TiO2胶体/APAM复配体系和其它几种工业化复配体系对DIP中DCS富集的控制能力。结果表明,在与工业化体系所抄纸页物性指标相近的情况下,AmS/纳米TiO2胶体复配体系把DCS富集控制在一个更低的浓度范围内。尽管纳米TiO2胶体/APAM复配体系对DCS富集的控制效果最好,但是其抄造滤水性较差,所得纸页表观质量也较差。
最后,在前人研究的基础上,利用白水循环达到平衡时抄造体系的物料平衡,兼顾水处理效率对DCS富集的影响,进行DCS在湿部富集规律的探索。推导出DCS富集达到平衡时浓度的计算方程,如下式所示:
CH=Z[r+K’(1-Q-r)/r[1-(1-Q)(1-K)]+K(1-Q-r)]
通过对方程的讨论,从理论上提出了五种解决或缓解DCS富集的方案,分别是:1)降低回流比r;2)提高水处理的效率K’;3)增大吸附留着率K;4)降低注入系统平均浓度CY;5)提高饱和浓度CSAT。利用推导的方程,计算DCS富集平衡时各助留助滤体系对DCS的絮聚留着率。