磁铁矿用于办公废纸脱墨的研究

郑 其 车小奎 段 锦 陈 松 陈伟东

（北京有色金属研究总院，北京，100088）

油墨种类、印刷方式和工艺、添加的填料、废纸分类不清晰，以及废纸中油墨经碎浆后颗粒微细或形状不规则等给目前的脱墨方法带来困难。因此，为能有效去除微细的油墨颗粒，需要寻求常规浮选和洗涤技术的改良方法或替代方法。

废纸浆中的油墨有一定的疏水性，且大多无磁性，但在凝聚剂（如柴油）的作用下，疏水粒子（油墨）之间可形成液桥而凝聚为高强度和高密度的聚团，实现选择性凝聚。同时，以磁铁矿作为磁载体，使聚团具有磁性，再用磁选法实现油墨与纤维的分离。本研究探讨了搅拌时间、搅拌速率、凝聚剂用量、pH值和浆浓等因素对油墨去除率的影响。

1 实验

1.1 原料

1.1.1 废纸和墨粉

废纸：将办公废纸（复印纸）称量、撕成碎片，在实验室进行模拟制浆。将碎纸片、热水和NaOH共同浸泡24h，并在食物加工机中搅拌处理数分钟，处理后的浆料作为实验用纸浆。废纸浆性质见表1。

墨粉为复印机的废墨粉。

表1 废纸浆性质

1.1.2 磁铁矿

提纯：磁铁矿粉为遵化钢铁公司的铁精矿；经X衍射分析，其主要成分为Fe3O4，还有少量的Fe2O3和SiO2。利用球磨机磨至400目以下的占85％，再磁选提纯，铁品位达到71％。

疏水化：用油酸钠对磁铁矿粉表面进行疏水化，油酸钠用量为磁铁矿粉质量的5％，温度60℃，搅拌时间5h，制得疏水性磁铁矿备用。

1.1.3 试剂

HNO3、NaOH、Na2CO3、Na2SiO3、油酸钠（均为分析纯级）；柴油（工业级）。

1.2 实验方法

（1）油墨-磁铁矿的凝聚实验：称一定量的油墨，然后利用超声波分散。在凝聚装置中先加入柴油并高速搅拌分散，然后加入疏水性磁铁矿和分散的油墨进行凝聚。

（2）废纸浆-磁铁矿的凝聚实验：将废纸浆、磁铁矿和柴油加到凝聚容器中进行凝聚。

（3）磁选：凝聚和磁选均在带搅拌装置的容量为1L的圆形有机玻璃槽内进行。在搅拌槽外侧可放置不同磁场强度的磁铁，捕集悬浮在浆料中的磁性聚团，然后利用倾析法得到磁性物，为避免夹带，对聚团加水搅拌再捕集。

1.3 测试

将磁铁吸附的物料作为磁性物，其余为非磁性物，均过滤、干燥和称量。通过计算油墨在磁性物中的回收率考察油墨凝聚磁选的效果。

油墨回收率=（磁性物中油墨量/（磁性物中油墨量+非磁性物中油墨量））×100％。

油墨去除率=（1-处理后残余油墨量/处理前残余油墨量）×100％。

用YQ-Z-48A白度仪进行白度测定。用带粒度分析系统的扫描软件测定墨粒粒径分布，以此来评价脱墨效果。

2 结果与讨论

2.1 接触角

将复印机墨粉、未疏水化的磁铁矿粉及疏水性磁铁矿粉分别压片，测定其接触角θ，测定结果如表2所示。粉末表面与水的θ越大，疏水性越强。由表2可以看出，未经表面改性的磁铁矿粉疏水性弱，接触角为0，而经过疏水化处理后的磁铁矿粉的接触角为137°，呈现出很强的疏水性。墨粉的接触角为80°，也有较强的疏水性。

表2 接触角的测定结果（°）

2.2 油墨-磁铁矿凝聚

文献［1］认为，加分散的无极油如柴油能凝聚浆料中疏水性颗粒。为此首先尝试在无纤维时凝聚疏水性磁铁矿和油墨颗粒。本研究选用柴油作凝聚剂，实验中油墨量100g/L、磁铁矿2g/L。

2.2.1 柴油用量的影响

实验中添加少量凝聚剂如柴油产生“桥连”作用，在疏水性颗粒之间形成液桥，可强化油墨与磁铁矿颗粒间的絮凝作用，从而强化凝聚-磁选脱墨过程［2］。

凝聚剂（柴油）用量影响所形成的凝聚类型。Rondeau等［3］观察到凝聚有4个阶段：摆动桥、纤维状、毛细现象和颗粒分散。在油量较少时，只有摆动桥接触颗粒，它形成不坚固的聚团结构。当液桥变得更扩展，就达到纤维状，聚团开始变坚固。当油量再增加，聚团最终长大，达最大强度时形成球形，进入毛细管阶段。当进一步增加油量时，液桥强度明显减弱，形成松软多孔的聚团。也有人认为，凝聚剂过量时，多余的凝聚剂将在颗粒表面形成多层物理吸附，颗粒之间吸附减弱，聚团强度降低［1］。

从凝聚的过程也可以看出，在柴油用量比较小时，单个颗粒（墨粉和磁铁矿）间显示出凝聚；随着柴油用量的增加，聚团的粒径和球形化增加。理想的凝聚状态可形成的聚团直径大约是1.5cm（见图1）。若进一步增加柴油用量，聚团变得较软和油性化。

油墨分选效率与柴油用量的关系如图2所示。实验时用NaOH调节pH值至9.0，油墨量100g/L，疏水性磁铁矿2g/L，搅拌速率1200r/min，搅拌时间20min。

油墨分选效率与柴油用量的关系如图2所示。从2图可以看出，随着柴油用量增大，油墨回收率迅速提高；在柴油用量达到3g/L后，油墨回收率增加缓慢。显然，柴油用量对油墨分选效率影响非常明显。

2.2.2 搅拌时间的影响

在油墨凝聚阶段中，为了获得好的凝聚效果，必须输入足够的动能。向搅拌槽中输入动能决定于搅拌时间和搅拌速率。本实验在油墨量100g/L、磁铁矿用量2g/L、搅拌速率1200r/min、柴油用量3g/L、改变搅拌时间的条件下进行油墨的凝聚-磁选实验，搅拌时间对油墨凝聚磁选分选的影响如图3所示。

从图3可看出，凝聚发生在加入分散油后的前几分钟；在凝聚的前20min，随着搅拌时间的延长，凝聚剂与油墨/磁铁矿粉的接触时间越长，凝聚效果越好，油墨回收率也随之提高；但是，在达到临界值以后，分选效率不再提高。经数小时的实验观察，也未见凝聚有好转的迹象，甚至因搅拌时间过长，絮团破裂，重新处于分散状态。

2.2.3 pH值的影响

图4是油墨回收率与pH值的关系曲线。从图4可以看出，疏水性磁铁矿与油墨凝聚的最佳pH值范围为7～10。在此范围内，油墨能与磁铁矿凝聚，且在pH值为9时，油墨回收率达到最高，为97％。若pH值不在此范围，油墨回收率将降低。当pH值小于7或大于10时，油墨的回收率均小于60％。

图4 油墨回收率与pH值的关系

2.3 废纸浆-磁铁矿的凝聚

在废纸浆-磁铁矿体系中对纤维与油墨/磁铁矿间的可能存在的交互作用进行研究，以评定柴油用量、搅拌时间、搅拌速率和浆浓对凝聚-磁选的影响。

2.3.1 柴油用量的影响

为了提高废纸浆-磁铁矿体系中的油墨去除率，需要提高油墨与磁铁矿间的黏附力。这可通过增加柴油用量促使凝聚形成和聚团长大来实现。不同柴油用量对脱墨效果的影响如表3所示。由表3可见，柴油用量为0.4％时，油墨去除率可超过97％。

2.3.2 搅拌速率的影响

表4示出了凝聚时搅拌速率即搅拌强度对脱墨效果的影响。由此可知，必须保持较高的搅拌速率才可达到较好的凝聚，但是搅拌速率太高，会破坏聚团，使油墨去除率下降。根据凝聚理论，要实现凝聚必须克服颗粒间巨大的能垒，搅拌作用通过颗粒的动能来克服能垒，尽管疏水聚团有很大的吸引力及足够的强度来克服搅拌带来的破坏，但是强烈的搅拌对凝聚不利，易使聚团破裂［1］。

2.3.3 搅拌时间的影响

一般来说，磁铁矿和油墨絮凝的形成是非常快的，加入柴油后的前几分钟就发生凝聚。用肉眼可观察到，在凝聚之初，纸浆是灰色的，只有非常小的可见墨点；在较短时间内就有聚团出现，且颗粒迅速增加；在15～30min，纸浆会变成白色，绝大部分的墨粉与磁铁矿聚集成几毫米的聚团，发生很好的凝聚。但进一步延长搅拌时间，其变化较小，甚至可见纸浆返回灰色，凝聚变差。将不同搅拌时间得到的浆料进行磁分离，结果如表5所示。由表5可知，保持一定的搅拌时间是必要的，以使颗粒与颗粒接触并形成聚团，但时间过长，也未见脱墨效果有明显改善。

2.3.4 pH值的影响

表3 柴油用量对脱墨效果的影响

表4 搅拌速率对脱墨效果的影响

浆料pH值是油墨颗粒与磁铁矿粒子发生凝聚与否的关键因素之一。表6为不同pH值下的脱墨结果。从表6可以看出，凝聚脱墨的最佳pH值范围为7～10，且pH值为9时，油墨去除率达到97.2％，这与前面的结果基本吻合。

表5 搅拌时间对脱墨效果的影响

表6 凝聚pH值对脱墨效果的影响

表7 浆浓对脱墨效果的影响

2.3.5 浆浓的影响

凝聚时，浆浓影响凝聚效果和油墨去除率，实验结果如表7所示。结果表明，随着浆浓的提高，脱墨效果变差，尤其是浆浓从4％增至5％时，油墨去除率从95.5％降至89.7％。这说明浆浓低时也可获得较高的油墨去除率和选择性。纤维网格结构可能对油墨与磁铁矿的碰撞黏附存在一定阻挡，使油墨与磁铁矿间的碰撞力减弱它们之间的吸附或使油墨从磁铁矿上的脱附率提高，从而使油墨去除率下降，特别是因为纤维与油墨-磁铁矿聚团间的碰撞会造成墨粒的脱附。废纸浆-磁铁矿体系的凝聚实验发现，浆浓低于4％时，纤维在油墨聚团中的损失很少，说明凝聚的磁选选择性很高，这是因为油墨与磁铁矿之间的黏附力大于纤维与磁铁矿之间的黏附力。当浆浓升高时，纤维也易于聚团，使纤维、纤维聚团与油墨/磁铁矿间的碰撞几率增大，油墨聚团会夹带纤维。

2.3.6 综合实验

在浆浓2％、磁铁矿用量0.04％、柴油用量0.4％、搅拌速率800r/min、pH值9、搅拌时间30min、磁场强度0.5T的条件下，进行了废纸浆加磁铁矿的凝聚-磁选实验，实验结果为：脱墨浆白度93.3％，油墨去除率96.8％。

疏水性磁铁矿与废纸浆中的油墨通过凝聚、磁选去除油墨的技术为废纸脱墨提供了一个新的方法。该方法可在较高的浆浓下操作，减少了废水的处理量，同时，浆料中的油墨、凝聚剂和其他杂质都与磁铁矿凝聚在一起，磁选后以固体形式存在便于处理，且磁铁矿可再生使用，脱墨浆中残存较少。尽管如此，若要将此技术用于工业上，还有待进一步研究和优化，需要考虑很多因素，如生产成本、操作费用和设备效率等。

3 结论

研究结果表明：凝聚剂柴油是凝聚的主要影响因素，凝聚效果和油墨去除率一般随柴油用量的增加而提高；凝聚时必须保持一定的搅拌时间和搅拌速率，以使磁铁矿颗粒与油墨颗粒之间接触并形成聚团；pH值也影响油墨颗粒与磁铁矿粒子的凝聚。

采用疏水性磁铁矿作为磁载体，使之与油墨凝聚，从而通过磁选去除油墨。在浆浓2％、磁铁矿用量0.04％、柴油用量0.4％、搅拌速率800r/min、pH值9、搅拌时间30min、磁场强度0.5T的条件下进行脱墨，所得脱墨浆白度93.3％、油墨去除率96.8％。

［1］卢寿慈，翁 达.界面分选原理及其应用［M］.北京：冶金工业出版社，1992.

［2］郑 其，阮仁满，宋永胜，等.液桥凝聚用于混合办公废纸脱墨的研究［J］.环境污染治理技术与设备，2006，7（10）：79.

［3］Rondeau X，Affolter C，KomunjerL，et al.Experimental determination of capillary forces by crushing strengthmeasurements［J］.Powder Technology，2002，4621：1.