废纸浆纤维筛分级分的光学性能研究

废纸浆纤维筛分级分的光学性能研究

脱墨浆生产的趋势是通过降低能耗和简化脱墨工艺以提高效益。然而，鉴于环境保护和经济效益的压力，以及对最终产品质量要求的提高，却使得脱墨浆生产工艺越来越复杂，产品成本不断增加。基于纤维分级的脱墨浆生产（将脱墨浆纤维筛分为长纤维级分和短纤维级分）或许可以成为改善成纸质量、提高脱墨浆生产工艺成本效率的一种方法。该研究通过测定长、短纤维级分的白度、油墨及灰分含量以发现回用纤维浆中纤维的光学性能变化；纤维级分的性能用通过率和可选择性表征。研究表明，废纸浆脱墨处理前，先用压力筛将纤维分级，而后只对短纤维级分进行浮选，对长纤维级分进行分离，与传统的脱墨浆生产工艺相比，可以降低能耗以及化学品的用量。

在脱墨浆生产过程中，大部分能耗用于分离纤维上的油墨以及浮选、洗涤等后续工段将其去除。采用高效的筛分方法，通过只分离所需纤维级分可以降低分离的要求。然而，目前脱墨浆中的纤维分级处理仍是很少见。

目前的研究旨在通过测定长、短纤维级分的白度、油墨和灰分含量以发现回用纤维浆中纤维的光学性能变化（回用纤维通过多级压力筛筛分后得到长、短纤维级分）。纤维级分的性能用通过率（表征了压力筛的效率）和可选择性表征，其主要取决于工艺参数，如体积筛渣率、质量筛渣率等。

本研究的结论基于以下假设：废纸浆进行脱墨处理前，用压力筛将纤维分级，只对短纤维级分进行浮选处理，长纤维级分进一步分离。此假设源于先前的研究，研究中考虑了长纤维级分的洁净度，以及浮选和分离处理的能耗和得率。

1 原料与方法

1.1 原料

废纸：本实验用到的废纸是新闻纸（ONP）和杂志纸[OMG，由超级压光纸（SC）和低定量涂布纸（LWC）组成]的混合废纸，其质量分数及各自的纸龄和灰分如表1所示。

表1 混合废纸的物理性能

化学品：碎浆时用到了碱性表面活性剂LS 564，使用前先进行轻微的分散。化学品名称及其用量如表2所示。

表2 化学品名称及用量

1.2 操作步骤

废纸浆的制备是在中试车间完成的。主要实验设备有：碎浆机、贮浆槽、缝筛（缝宽0.15 mm）、夹网式网压机、预热器及锥形分散器。

废纸连续碎解20 min，浆浓为16%，能耗为20 kW·h/t。实验所使用水的温度为50℃。为了缩短浆料制备时间，实验同时使用了3个碎浆机，碎解后，用热的自来水连续冲洗碎浆机，并将浆料稀释至2.3%用于筛分。稀释后的浆料循环通过一个筛板以除去粗大的杂质。筛分后的良浆在双网压榨机中增浓至30%。浆料中约25%的绝干物料通过网部进入过程水中。但是，此部分过程水用于纤维分级阶段浆料的稀释，因此该操作过程并无得率损失。增浓后，将浆料分散以去除油墨。分散前将温度调至85℃，分散时浆料浓度约为30%。分散器匀速运转，平均能耗为60 kW·h/t。

筛分：筛分用到的设备有300 L的贮浆槽、泵和压力筛。筛板的缝宽为0.06 mm。纤维级分比例为35%长纤维（筛渣）和65%短纤维（良浆）。温度为25～30℃。Ⅰ级筛分阶段，浆料浓度用过程水稀释至1.2%；Ⅱ级和Ⅲ级筛分阶段，用自来水将长纤维级分稀释至1.2%。筛分分3步完成，如图1所示（SF表示短纤维级分，LF表示长纤维级分）。

图1 筛分过程图

为了测定光学性能，如白度、残余油墨量和尘埃斑点等，实验制备了绝干质量为5 g、厚度为150 mm的手抄片。然后用分光光度计分析白度和残余油墨量。对于残余油墨量的测定，所用仪器的光波长为700 nm，散射系数为55 m2/g。通过对3张手抄片进行DOMAS图像分析（恒定阈值为150）测定斑点数量。由于用稀释的浆料（筛分后的良浆，短纤维级分）未能成功制备所需手抄片，所用手抄片通过玻璃纤维滤纸（50 mm）和0.15 g浆料制备得到。

超速洗涤：超速洗涤就是在150网目的筛分设备上对浆料（绝干10 g）进行洗涤，水流速度为8 L/min，洗涤10 min。留在网筛上的纤维加以收集用于手抄片的制备。

计算：下列公式是由压力筛的参数推导得出的。筛分时，筛渣是指长纤维级分，良浆指短纤维级分。压力筛筛分效果用筛渣率（RR）表示。筛渣率是指筛渣与原料总量的比率，可以通过体积法[公式（1）]也可以由质量法[公式（2）]计算得到。对于多级筛分体系，总筛渣率体积法或质量法，公式（3）可以通各级筛渣率相乘得到。

式中：mr为浆渣的流速，以绝干质量表示，t/s；mf为浆料的流速，以绝干质量表示，t/s；cr为浆渣的浓度，%；cf为浆料的浓度，%；Vr为浆渣的流速，以干体积表示，m3/s；Vf为浆料的流速，以干体积表示，m3/s。

下列公式用于表征压力筛的性能。通过率[公式（4）]提供了一种表征压力筛性能的实用的方法（筛渣率以小数而不是百分数表示）。

筛分效率可用筛分指数[公式（5）]表示，它表征了筛分时对纤维的选择性。筛分系数定义如下：为了使F I有一个统一的、有限的范围，具有较小值X的级分被定义为级分I。因此，F I总是介于0和1之间。

式中：XⅠ为Ⅰ级筛分时X的平均值；XⅡ为Ⅱ级筛分时X的平均值。

本研究中，由于待分离油墨尺寸比筛缝缝宽小的多，因此将残余油墨量作为一种性能单独测定。假设游离的油墨颗粒可以通过压力筛。因此长、短纤维级分中的游离油墨的量[公式（6）]可以分别通过公式（7）和公式（8）从理论上计算得到。

式中：XRI，Tot为样品中残余油墨总量，10-6；XRI，HW为超速洗涤后残余油墨量，10-6。

式中：XRI，A为良浆中残余油墨量，10-6；XRI，F为浆料中残余油墨量，10-6；XRI，R为浆渣中残余油墨量，10-6。

2 结果

筛分过程如图1所示。图1同时给出了各阶段浆料浓度。原料中，纤维长度为1.3 mm，短纤维级分纤维长度为0.8 mm，长纤维级分纤维长度为1.6 mm。超速洗涤只用于洗涤长纤维级分和原料。本研究的结果是3个试验样品的平均值。

各级筛分阶段白度变化如图2所示。对应的残余油墨量变化和灰分含量变化分别如图3和图4所示。

由图2可见，短纤维级分的白度明显小于长纤维级分，原因是短纤维级分中残留了较多的油墨。

各级筛分阶段长纤维级分成纸中直径范围为50～200 μm的斑点面积如图5所示。

图6为筛分前及各筛分阶段纤维级分成纸中直径大于200 μm的斑点面积。

由图6可见，尺寸较大的斑点直径大于200 μm。随着筛分的进行，小尺寸斑点数量基本不变，而大尺寸斑点聚集到长纤维级分中。

图2 长、短纤维级分白度变化

图3 长、短纤维级分残余油墨量变化

图4 长、短纤维级分灰分变化

图5 筛分前以及各筛分阶段长纤维级分成纸中斑点面积

图6 筛分前及各筛分阶段长纤维级分成纸中斑点面积

最终纤维级分的白度和残余油墨量如图7和表3所示（图7表示筛分前浆的长纤维和短纤维的白度、超速洗涤后浆料的白度以及超洗涤后长纤维级分的白度；表3列出了相应的残余油墨量）。

图7 筛分前长、短纤维级分采用不同方式处理前后的白度

表3 浆料中残余油墨量 10-6

结果发现，长纤维级分的白度最大。超速洗涤后长纤维级分白度略小于筛分前超速洗涤浆料的白度（小0.6%）。筛分时，仍有较多游离的油墨颗粒残留在长纤维级分上（约300×10-6）。超速洗涤阶段，长纤维级分的得率约为87%。

图8显示了由筛分指数F IRI与通过率PP的函数关系表示的筛分结果。

图8 筛分指数F IRI与通过率PP的函数关系

根据油墨量计算得到了3个筛分指数：第1个基于实验中总残余油墨量计算得到；第2个筛分指数计算中，减去了附着油墨的量[见公式（6）]；第3个表示为根据公式（7）和（8）计算得到的理想曲线。假设筛渣率为35%，浆料中游离的残余油墨量通过对3个样品取平均值得到，为1 033×10-6。由实验数据得到的结果远小于理论值。如在计算中考虑附着油墨量时，结果与理论值很接近。

3 讨论

长纤维级分的白度高于短纤维级分以及筛分前浆料的白度。这一结果与其他研究得出的结论是一致的。长纤维级分白度较高的一个主要原因是残余油墨随浆料流进入了短纤维级分。灰分与油墨的性能极为相似，这也不足为奇，因为灰分尺寸在油墨颗粒尺寸范围内。

筛分时，无论是长纤维级分还是短纤维级分，在后续的各级筛分阶段，白度增加，残余油墨量减少。这是由于相较于前一级筛分，后一级筛分阶段原料洁净度较高。然而，洁净度增加的幅度间接表明对筛分的要求以及游离油墨的选择性也提高了。

理论上，大尺寸杂质（大于 200 μm）会混合进入长纤维级分。视觉观察到的结果也证实了这一点。而相对较小的杂质（50～200 μm）数量基本保持不变，尽管这些杂质应该会混合进入长纤维级分中。这是由于压力筛的筛缝较窄（60 μm）的缘故。然而，对短纤维级分的视觉观察发现只有较少的肉眼可见的杂质具有较高的分离效率。

对于游离油墨，通过控制低通过率以达到高选择性。若待分离浆料的流速是预先设定的，提高选择性的主要方法是降低筛分系统的筛渣率。在某一级筛分阶段，如果浆料的浓度较小，降低筛渣率是可行的。当筛分分几级完成时，降低体系总的筛渣率也不是不可行的。筛板在可选择性方面起的作用很小，这是由于大部分油墨已被分离，因此尺寸较小的油墨颗粒会通过筛板。对于附着在纤维上的油墨，如果通过筛缝的纤维较少，油墨可以选择性地混合进入长纤维级分中。这可以通过控制筛板的几何特性进行控制，如选择筛缝较窄的筛板。

结果表明基于实验数据得到的筛分指数接近于理论值。实验值与理论值之间微小的偏差可能是由于灰分含量敏感性分析的变化所致；当测定残余油墨量时，在散射系数中考虑灰分含量，实际筛分指数值可能会很大，因此更接近于理论值。油墨的可选择性取决于附着在纤维表面的油墨量以及通过筛缝进入短纤维级分中的油墨量。尽管实验使用了较小缝宽的筛板及适中的筛分条件，但是仍有较多纤维通过筛缝，因此与理论值相比，具有较小的可选择性。减少短纤维级分中纤维含量的一种方法是增加筛渣率，如提高长纤维级分的流速。如果筛渣率保持不变，可选择性会增加。另一种方法是使用孔筛，与缝筛相比，孔筛具有较好的可选择性。

用中试设备对长纤维级分浓缩，其对小尺寸杂质的洗涤效果是有限的。即使经过多级筛分后，仍有部分游离油墨残留在长纤维级分上。然而，长纤维级分必须浓缩至较高的浓度才能进行分离，因此浓缩也可以用于游离油墨的洗涤。长纤维级分的洗涤是可行的，因为超速洗涤前，浆料已经进行了筛分，而且只对长纤维级分进行了超速洗涤，并且得率损失也是较小的（小于5%）。留着率仍然很高是因为长纤维级分中没有细小纤维可以被冲洗掉，而且只有部分纤维浆料（35%）得到了洗涤。如果使用工业生产规模的压力筛，筛分时浓缩效果较好，因此与实验结果相比，将得到更好的效果。

对于筛分，洗涤设备的选择比筛子的选择重要的多。然而，对于油墨去除效率，浮选是一个限制性因素。当浆料进行浮选时，适宜的浓度是1.4%，因此短纤维级分浮选时，鼓励采用较高的浓度。用压力筛筛分时，短纤维级分的浓度可调节至高于洗涤时浆料的浓度。浆料的流速也较易调节。

表4显示了传统2级脱墨工艺和附有筛分处理的脱墨工艺各工序的能耗。

表4 传统2级脱墨工艺和附有筛分处理的脱墨工艺各工序的能耗 kW·h/t

图9和图10分别为传统脱墨方式流程和附有筛分处理的脱墨工艺流程示意图。

图9 传统2级脱墨工艺流程

图10 附有筛分处理的脱墨工艺流程

尽管附有筛分的脱墨方式增加了额外的筛分能耗，但是，分开处理长、短纤维级分降低了总能耗。因此，浮选和分离前先进行筛分可以降低能耗达50～90 kW·h/t。而且还可以节约蒸气及化学品用量，节约生产成本。

附有筛分处理的脱墨方式有多种，图10所示的流程图为附有筛分处理的脱墨方式的一种。因此，附有筛分处理的最优脱墨方式还有待进一步研究。长纤维级分包括大尺寸杂质、附着的油墨以及一些游离油墨，因此长纤维级分的后续处理，如筛选、洗涤等还是必须满足所需的成纸质量。长纤维级分的洗涤可以有效除去游离油墨，并保持较高的得率，同时通过筛选或分离除去大量大尺寸杂质。在洗涤阶段，通过使长纤维级分预先覆盖在网部，使短纤维级分的脱水和长纤维级分的洗涤同时完成也是可行的。

脱墨前，先进行筛分，而后只对短纤维级分进行浮选，对长纤维级分进行分离是可行的，与传统的脱墨浆生产工艺相比，可以降低能源、蒸气以及化学品的用量。然而，仍有许多问题有待解决，如筛分时最佳浆料流速是多少以及每一级筛分的最佳工艺条件等。

4 结论

用压力筛进行筛分可以使小尺寸的杂质，如灰分和游离油墨混合进入短纤维级分，而大尺寸杂质混合进入长纤维级分。由于纤维级分包含不同的成分，因此以最优的方式处理纤维级分是合理的，如只对长纤维级分进行分离、只对短纤维级分进行浮选。残余油墨分离时的可选择性是通过率的函数：通过率越小，可选择性越好。对于设定的浆料流速，通过控制筛渣率可以降低通过率。附着在纤维表面的油墨在某种程度上限制了可选择性，因为缝筛中纤维的可选择性是有限的，即使像本研究使用较窄筛缝的筛板。

（马倩倩 编译）