阳离子木薯渣二元助留助滤体系的应用研究

刘文静 武书彬，*

(1.华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室，广东广州，510641;2.华南理工大学轻工与食品学院，广东广州，510641)

木薯素有“地下粮仓”、“淀粉之王”和“特用作物”之誉称，与甘薯、马铃薯并称为世界三大薯类。用木薯制备淀粉、酒精等物质后产生的剩余产物即为木薯渣，每年的产量约为80万～120万t［1］。目前木薯渣的主要用途为制作有机肥、饲料、燃料、造纸以及用于生产工业包装或一次性花盘等环保产品［2］。大量的木薯渣剩余堆积下来会对环境造成较大污染，所含废水会对植被、土壤造成较大破坏，腐烂过程中产生的毒气会污染大气，进一步给人和动物带来健康隐患［3-4］。木薯渣的主要成分是淀粉和纤维素，经过醚化反应改性后可作为助留助滤剂［5］。随着造纸技术的进步与发展，传统的一元助留助滤体系已不再适应工艺要求，其存在的缺陷主要有:聚阳离子助留剂诱导的絮凝经高剪切力破坏后不能有效地重聚，导致助留效率下降;细小组分的絮凝明显地受到体系离子强度的影响。为了满足现代高速造纸机及高度白水循环利用，不同的二元复合助留系统应运而生。

改性木薯渣用作造纸助留助滤剂已有初步研究［6］，但是单独添加阳离子改性木薯渣存在过阳离子化的风险，而且用量比较高，成本较大。本研究主要探讨阳离子木薯渣与多种助留剂搭配使用时对废纸脱墨浆 (DIP)助留助滤和成纸性能的影响，探讨阳离子木薯渣对DIP达到最佳助留助滤效果的二元复合体系。

1 实验

1.1 实验原料

阳离子改性木薯渣 (CPCD):实验室自制［7］;DIP:广州造纸集团有限公司 (未加填料);细小纤维的质量分数 (通过孔径为 75 μm的筛网)为26.7%;沉淀碳酸钙 (PCC)、膨润土、阳离子淀粉(CS)、阳离子聚丙烯酰胺 (CPAM):广州造纸集团有限公司;聚合氯化铝 (PAC):任丘市北方化工有限公司。其中PAC、膨润土、CS、CPAM、CPCD的物理性质如表1所示。

表1 助剂的物理性质

1.2 实验仪器

DFR 04mμ TEK动态滤水仪，瑞典BTG公司;S-3100紫外分光光度计;PTI标准纤维疏解机;Sartorius PB-2 pH计;712数显电导率仪，Metrohm(瑞士);MESSMER 255标准纸页手动抄片机。

1.3 实验方法

1.3.1 纸浆中细小组分单程留着率和动态滤水的测定方法

本实验采用TEK动态滤水仪 (简称DDJ)测量细小组分单程留着率 (FPR)和浆料的滤水性能。配制一定浓度的浆料 (0.3%～0.5%)调节好pH值和电导率，加入用量为30%(对绝干浆)的PCC，然后把浆料倒入DDJ，设定转速为750 r/min，开动搅拌器，在一定速度下搅拌一定时间后打开阀门，测定60 s滤水时间内的滤液质量，并用该质量表征浆料的滤水性能。同时用紫外分光光度计测定滤液的浊度［8］，通过浓度与浊度的标准曲线计算出滤液的浓度，进而求出细小组分的FPR。测得滤液浓度 (C)与浊度 (A)的标准曲线是C=(A+0.038)/34.79。细小组分FPR是指浆料通过造纸网留在纸幅上的细小组分与浆料中总细小组分的百分比，计算公式为:

1.3.2 纸张物理性能测定

取计算好的浆料于高速搅拌疏解机中疏解3 min，将疏解后的浆料倒入烧杯中，添加所需的助剂，搅拌吸附一定时间后加入纸样抄片器，抄造手抄片。将抄好的纸张烘干后在 (23±1)℃、(50±2)%的恒温恒湿条件下处理24 h，然后测定其物理性能。分别按GB/T 453—2002、 GB/T 455—2002、 GB/T 454—2002测定和计算纸张抗张强度、撕裂度、耐破度。

2 结果与讨论

2.1 PAC-CPCD二元助留助滤体系对DIP留着及滤水性能的影响

PAC可作为阴离子垃圾固着剂对浆料进行预处理，以净化造纸体系中的溶解和胶体物质 (DCS)，并增强CPCD的助留助滤效果。PAC不仅pH值适用范围广，在中碱性条件下作为阴离子垃圾捕集剂的效果最好，而且它首先中和阴离子胶体物质，其次是细小纤维［9］。单独添加PAC对浆料助留助滤性能的影响如图1所示。

图1 PAC用量对浆料留着和滤水性能的影响

由图1可以看出，添加了PAC后浆料的留着及滤水性能呈现先增加后趋于平缓的趋势，在PAC用量为0.4%的时候FPR最高，60 s滤液的质量比较高，助留助滤效果最好。由图1可知，考虑到助留助滤效果和生产成本，PAC的用量为0.4%～0.8%比较合适。为了优化助剂的使用效果，先固定PAC用量为0.6%，分别添加不同用量的CPCD，观察CPCD对PAC-CPCD二元助留助滤体系的影响，结果见图2。

由图2(a)可以看出，添加了0.6%PAC的二元助留助滤体系随着CPCD用量的增加，FPR先上升后下降。FPR在CPCD的用量为0.4%时达到了最大值，比单独添加CPCD的一元助留助滤体系增加了11.4个百分点。由图2(b)可以看出，在CPCD用量为0.4%时，60 s滤液质量也达到了最大值，为294.4 g，比CPCD一元助留助滤体系增加了3.1%。其原因是PAC能够促进纤维的凝聚，导致纤维的比表面积降低，形成大的凝聚体，加快了脱水作用，提高了浆料的滤水速度。当CPCD用量超过0.4%时，60 s滤液质量略有降低。综上所述，添加PAC后可以在CPCD用量很小的情况下达到与CPCD用量大的情况下相同的助留效果，所以在PAC-CPCD二元助留助滤体系中，选择PAC用量为0.6%，CPCD用量为0.4%～0.6%，浆料的留着及滤水性能较好。

图2 CPCD用量对PAC-CPCD助留助滤体系的影响

图3 CPCD用量对CPCD-膨润土助留助滤体系的影响

2.2 CPCD-膨润土二元助留助滤体系对DIP留着及滤水性能的影响

目前微粒助留助滤体系在造纸中获得大量的应用，表现出诸多优点，如高的抗剪切力性、高的抗电解质性和再絮凝性;成纸的高透气性;网部及压榨部的高脱水性等。与双元聚合系统相比，在相同絮凝条件下，微粒系统有中等尺寸的絮聚体，因此即使达到高的助留效果，该系统也有较好的匀度。CPCD在实际应用时容易导致阳离子电荷过量的危险，针对这一情况，本实验探索CPCD和膨润土组成微粒助留助滤体系，开发出一种既不会导致浆料中阳电荷过量，又可以降低生产成本的微粒助留助滤体系［10］。为了优化助剂的使用效果，固定膨润土用量为0.4%，分别添加不同用量的CPCD，研究CPCD用量对CPCD-膨润土二元助留助滤体系的影响，结果见图3。

由图3(a)可以看出，在CPCD-膨润土二元助留助滤体系中，随着CPCD用量的增加，FPR逐渐增加，在CPCD用量为0.4%之后，FPR增加的趋势变缓。当CPCD用量为0.4%时，FPR比单独添加CPCD的一元助留助滤体系增加了8.89个百分点，这可能是由于加入CPCD后，其以桥联机理引起浆料各组分的初始絮聚，经高剪切作用破坏后暴露出更多的CPCD链段，为带负电荷的膨润土提供更多的吸附点，当加入带负电荷的膨润土后靠静电中和作用及氢键作用吸附于CPCD的链圈链尾之间，将破碎后的小絮聚体重新桥联起来或将细小纤维的絮聚体直接桥联到纤维上，形成尺寸更小的微小絮聚体，提高留着率。由图3(b)可以看出，CPCD-膨润土二元助留助滤体系中，随着CPCD用量的增加，60 s滤液质量略微有增加的趋势，最高值可达285.6 g，与CPCD一元助留助滤体系相比改善了浆料的滤水性能。综上所述，考虑到助留助滤效果和生产成本，在膨润土用量为0.4%的条件下，CPCD的用量为0.4% ～0.8%最佳。

2.3 不同助留助滤体系对浆料阳离子需求量的影响

图4为单独 CPCD、PAC-CPCD二元助留助滤体系和CPCD-膨润土二元助留助滤体系 (此3种助留助滤体系中CPCD是变量)对浆料阳离子需求量的影响。

图4 不同助留助滤体系对浆料阳离子需求量的影响

由图4可以看出，二元助留助滤体系浆料的阳离子需求量均较CPCD一元助留助滤体系有所减小;二元助留助滤体系PAC-CPCD浆料的阳离子需求量下降的幅度较小;而且在CPCD不同用量下PAC-CPCD二元助留助滤体系的阳离子需求量变化不是特别明显。其原因是在PAC-CPCD二元助留助滤体系中PAC带阳电荷，中和了浆料中的部分负电荷，所以比CPCD一元助留助滤体系阳电荷需求量小。综上所述，添加了PAC之后再添加CPCD，减少了浆料的阴离子垃圾，有利于CPCD发挥助留作用。

2.4 不同助留助滤体系对DIP的留着、滤水性能的影响

本实验将不同种类的助留剂分别加入DIP中，观察它们对浆料留着和滤水性能的影响，实验结果如图5所示。

图5 不同助留助滤体系对浆料留着和滤水性能的影响

由图5可以看出，助留助滤体系的种类对DIP的留着和滤水性能有一定影响。在不同的阳离子助剂中，CPCD-CPAM组成的二元助留助滤体系对DIP的留着效果优于其他的阳离子助剂搭配使用效果。其次，PAC和CPCD搭配使用对浆料的留着效果较好，这种搭配也具有优良的助滤效果，出于对生产成本和助留助滤效果的考虑，可选择PAC-CPCD作为DIP的二元复合助留助滤体系。

2.5 二元助留助滤体系对纸张性能的影响

2.5.1 对匀度和紧度的影响

图6为添加不同助剂对纸张匀度和紧度的影响。由图6可以看出，与不加助剂相比，4种助剂纸张的匀度指数都有所增加，紧度都有所减小。因为加入助留剂后增加了浆料的絮聚程度，所以使得纸张的匀度变差，紧度变小。在4种助剂搭配体系中，CPAM单独使用时其匀度指数最大，可见，CPAM对纸张的匀度影响最大。而CPCD-膨润土加入浆料后，纸张的匀度指数比较低，紧度较大，在这4种助剂搭配体系中其对纸张的匀度影响最小。原因是膨润土可以与浆料形成结构更致密的微小絮聚体，所以对匀度和紧度的影响比较小。同时还可以看出，添加了CPCD-CPAM二元助留助滤体系的成纸的匀度和紧度比CPAM一元助留助滤体系得到改善。综上所述，采用CPCD和膨润土组成的微粒助留助滤体系对纸张的匀度影响较小，在提高FPR的同时，纸张还具有较好的匀度和紧度。

图6 不同助留助滤体系对纸张匀度和紧度的影响

2.5.2 对纸张强度的影响

表2为不同助留助滤体系对纸张强度性能的影响。从表2可以看出，与一元助留助滤体系相比，二元助留助滤体系可以提高纸张的强度。对于PACCPCD助留助滤体系来说，随着PAC用量的增加，纸张的各项强度指标大体呈先增加后减小的趋势;当PAC用量为0.6%时，其抗张指数、撕裂指数、耐破指数达到最大值，分别比CPCD一元助留助滤体系增加了7.52%、19.0%、5.33%。对于 CPCD-膨润土助留助滤体系来说，膨润土用量为0.2%时，抗张指数最高，在膨润土用量为0.8%时，其撕裂指数和耐破指数比较高。从降低生产成本来看，选择膨润土的用量为0.2%比较好，此时其抗张指数比CPCD一元助留助滤体系增加了14.5%。

表2 不同助留助滤体系对纸张强度的影响

3 结论

本实验研究了由阳离子木薯渣 (CPCD)与聚合氯化铝 (PAC)、膨润土等组成的二元助留助滤体系对废纸脱墨浆 (DIP)留着、滤水性能及对纸张物理性能的影响。

3.1 在PAC-CPCD助留助滤体系中，PAC的用量为0.6%、CPCD的用量为0.4%时，细小组分单程留着率 (FPR)比CPCD一元助留助滤体系增加了11.4个百分点，同时60 s滤液质量达294.4 g，比CPCD一元助留助滤体系增加了3.1%。

3.2 在CPCD-膨润土助留助滤体系中，CPCD用量为0.4%、膨润土用量为0.4%时，FPR比CPCD一元助留助滤体系增加了8.89个百分点，所以在CPCD-膨润土助留助滤体系中膨润土用量为0.4%时，CPCD的用量为0.4% ～0.8%最佳。

3.3 在不同的助留助滤体系中，添加PAC-CPCD后，浆料的阳离子需求量比较小，FPR和60 s滤液质量都比较高，作为DIP的助留助滤剂比较好。

3.4 在PAC-CPCD助留助滤体系中，当PAC用量为0.6%、CPCD用量为0.5%时，纸张抗张指数、撕裂指数、耐破指数达到了最大值，分别比CPCD一元助留助滤体系增加了7.52%、19.0%、5.33%。在CPCD-膨润土微粒助留助滤体系中，膨润土用量为0.2%、CPCD用量为0.5%时，纸张的强度效果比较好，此时纸张抗张指数比CPCD一元助留助滤体系增加了14.5%，而且CPCD-膨润土微粒助留助滤体系对纸张匀度影响较小，在提高FPR的同时，纸张具有较好的匀度和紧度。

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