糖厂滤泥作为造纸填料的研究

陈宝娣 李 宁 杨瑞丰 郭继强，*

(1.大连工业大学生物工程学院，辽宁大连，116034;

2.大连工业大学辽宁省制浆造纸工程重点实验室，辽宁大连，116034)

糖厂滤泥是糖厂生产后的大宗废物，我国每年在生产上千万吨糖的同时，也会产生上百万吨滤泥，若处理不当会造成水体和空气严重污染［1］。干滤泥中含有少量的有机和无机杂质，但其CaCO3含量可达80%以上且粒度较细。CaCO3作为一种重要的无机化工产品，广泛应用于造纸、橡胶、塑料等领域［2］。若滤泥中的CaCO3能用于糖厂的下游企业，不仅减少环境污染而且还会大大降低制品成本，还可省去开采、破碎等各项费用［3］，使糖厂滤泥变废为宝。造纸过程中需要添加大量填料，CaCO3作为造纸填料具有成本低、来源广等优点，是造纸行业中用量最大的无机填料［4-6］。造纸工业对填料 CaCO3的纯度、白度、粒径等各项指标均有严格要求，符合要求的Ca-CO3才能用于造纸工艺中生产合格产品［7］。

本实验对糖厂滤泥 (以下简称滤泥)在造纸加填中的应用进行了初步探讨。滤泥在造纸加填中的应用还未见文献报道，这将为我国造纸工业以及制糖工业的低碳可持续发展开辟新途径。针对滤泥中CaCO3纯度和白度较低的特点，本实验首先从净化和漂白两方面对滤泥进行预处理，利用霉菌和碱净化滤泥，用漂白剂漂白滤泥，以期提高滤泥在造纸中加填应用的可能性，然后探讨滤泥用量对纸张性能的影响，最后与商品轻质碳酸钙 (PCC)加填纸的性能进行对比，初步探讨滤泥在造纸加填中的应用性能。

1 实验

1.1 实验原料

滤泥，取自林西岭山糖业有限责任公司;漂白苇浆，白度为78%，取自振兴纸业;供试菌种Ⅰ (根毛霉属菌)、菌种Ⅱ (曲霉属菌)，从供试滤泥中筛选而得;阳离子聚丙烯酰胺 (CPAM)、阳离子淀粉、PCC、NaOH，均为分析纯，天津市科密欧化学试剂有限公司。保险粉 (PL1)、强力还原剂 (PL2)，青岛凯胜化学制品有限公司。

1.2 实验仪器

UV-2000型紫外可见分光光度计，龙尼柯 (上海)仪器有限公司;微量凯氏定氮仪，上海分析仪器厂;JAPAN日立180-80塞曼原子吸收光谱仪，日本日立公司;纸样抄取器，陕西科技大学机械厂制造;Folding Endurance Tester、Burst Tester、Horizontal Tensile Testing Machine、Elmendorf Tearing Tester TS，FRANK-PTI GmbH公司;CTPC白度仪，Technidyne Corporation。

1.3 实验方法

1.3.1 滤泥主要组分测定

采用苯酚硫酸法［8］测定滤泥中的总糖含量。采用凯氏定氮法［9］和考马斯亮蓝法［10］测定滤泥中的总氮含量。采用原子吸收光谱法［11］测定滤泥中Ca元素含量。

1.3.2 滤泥的净化

针对滤泥中含有的部分有机物，先用霉菌对其初步净化，再用一定量的NaOH处理，进一步去除滤泥中有机物并提高滤泥白度。由于滤泥成分复杂，单一菌体对滤泥的净化不能达到理想效果，所以将两种菌复合使用。通过对大量预实验的结果分析，确定供试菌种的复合比例范围，同时考虑到实际操作的可行性。本实验所用菌Ⅰ和菌Ⅱ的复合比例 (体积比)为:1∶4、2∶3、1∶1、3∶2、4∶1。

1.3.3 漂白剂的选择

针对滤泥白度较低的特点，分别选取次氯酸钙、硫代硫酸钠、保险粉 (PL1)、强力还原剂 (PL2)、锌粉对滤泥进行漂白实验。

1.3.4 漂白剂的选择和漂白工艺优化

通过对不同漂白效果的比较，选出对滤泥作用效果最佳的漂白剂，然后从该漂白剂的反应温度、用量、反应时间3个因素进行考查得到其最适反应条件。

1.3.5 纸张抄造

将一定量的漂白苇浆于纤维疏解机中充分疏解，并在疏解后的浆料中加入0.04%的CPAM(相对于绝干浆)和0.5%的阳离子淀粉 (相对于绝干浆)，以提高填料的留着率［12］，最后加入一定量的填料。手抄片在国产抄片器上按GB 7981—1987标准抄造，定量为80 g/m2。

1.3.6 纸张物理性能检测

纸张于恒温恒湿环境下平衡水分24 h后，其物理性能按相应国家标准测定。

2 结果与讨论

2.1 滤泥主要成分分析

经分析可知，滤泥中总氮含量为2.3%，总糖含量为6.4%，说明滤泥中含有供菌体生长的碳源和氮源，为霉菌净化糖厂滤泥提供了依据。滤泥中Ca元素含量为35.8%，为滤泥在造纸中加填应用提供了依据。

2.2 滤泥净化效果分析

在pH值8、温度30℃、接种量6%、转速150 r/min的条件下，对两种菌选取以上复合比例进行3天实验，测菌体的耗糖量和耗蛋白量，结果如图1所示。由图1可知，两种菌的不同比例对净化效果有明显影响。其中V(菌Ⅰ)∶V(菌Ⅱ)=2∶3时，混合菌体对滤泥的耗糖量和耗蛋白量均达到最大。此时，滤泥中剩余有机物含量占滤泥CaCO3含量的1.39%。在此基础上用质量分数为40%的NaOH溶液对滤泥进一步净化，经过该处理后，滤泥中有机物含量仅占滤泥CaCO3含量的0.14%，滤泥白度达到51.5%。

2.3 漂白剂对滤泥CaCO3增白效果的影响

图1 两种菌种复合比例对滤泥净化效果的影响

在温度100℃、时间1 h、用量5%(相对绝干滤泥)的条件下，分别加入次氯酸钙、PL1、PL2、硫代硫酸钠、锌粉对滤泥进行漂白实验，结果如图2所示。由图2可知，在相同条件下，PL2对滤泥的漂白效果最佳，滤泥白度为54.8%。所以，本研究以PL2为漂白剂进行后续实验。

图2 漂白剂种类对滤泥增白效果的影响

2.4 漂白剂的最适反应条件

2.4.1 温度对漂白效果的影响

在漂白剂PL2用量5%、反应时间1 h的条件下进行实验，并测不同温度下滤泥白度，结果如图3所示。由图3所示，随着反应温度的升高，PL2的漂白效果逐渐增强，100℃时滤泥的白度可达到57.2%。这说明高温有利于提高PL2的漂白能力。但在实际生产中若想将温度升高到100℃以上，必须对生产设备进行加压处理，这样会大大增加生产成本。经综合分析，不再考虑更高反应温度下的实验结果。本研究选取100℃为该漂白剂的最适反应温度。

图3 反应温度对漂白效果的影响

2.4.2 漂白剂用量对漂白效果的影响

在反应温度100℃、反应时间1 h的条件下进行实验，并测不同漂白剂用量下滤泥的白度，结果如图4所示。由图4可知，随着PL2用量的升高，滤泥的白度呈先上升后下降的趋势，其中在用量为6%时，滤泥白度达到最大值58.7%。这可能是由于PL2的用量过大会使滤泥中带有颜色的金属离子还原出来，而影响其白度。所以本实验选取PL2的最适用量为6%。

图4 漂白剂用量对漂白效果的影响

2.4.3 反应时间对漂白效果的影响

在反应温度100℃、PL2用量6%的条件下进行实验并测相应条件下的白度值，结果如图5所示。由图5可知，随着反应时间的延长，滤泥的白度呈先上升后下降的趋势，这说明漂白剂对滤泥的漂白需要一定时间，其中反应时间为1.5 h时白度达到最大值59.5%。可能是因为随着反应时间增加漂白剂消耗增多，滤泥中的发色物质可能重新显色，白度下降，因此本实验选取PL2的最适反应时间为1.5 h。

图5 反应时间对漂白效果的影响

2.5 滤泥用量对纸张性能的影响

图6和图7分别为滤泥用量对纸张强度性能的影响。由图6和图7可知，随滤泥用量的增加，纸张的撕裂指数、耐折度、抗张指数、耐破指数均呈下降趋势。总体来看，随滤泥用量的增加，对纸张强度性能会产生不利影响。但在滤泥用量不超过20%时，能满足某些纸张的使用要求。因此在减少成本的基础上可以适当增加滤泥的用量。

图8为滤泥用量对纸张白度的影响。由图8可知，随滤泥用量的增加，纸张白度呈下降趋势，当滤泥用量超过20%时，白度骤降。在实际生产中可以通过将滤泥和商品PCC混合使用来改善纸张白度。

图6 滤泥用量对纸张撕裂指数和耐折度的影响

图7 滤泥用量对纸张抗张指数和耐破指数的影响

图8 滤泥用量对纸张白度的影响

图9为滤泥用量对纸张不透明度和灰分的影响。由图9可知，随滤泥用量的增加，纸张不透明度呈上升趋势，灰分呈先上升后趋于平缓的趋势。当滤泥用量超过20%时，随滤泥用量的增加其纸张的灰分基本不变，即填料留着率几乎不变。

综上所述，若将滤泥用量控制在20%，纸张的各项性能均能满足某些纸张的使用要求，因此从经济角度和生产需要考虑，本研究选取滤泥的最佳用量为20%。另外，还可进一步对工艺进行优化，如添加增强剂或与商品PCC混合使用等方法来改善纸张的各项物理性能。

图9 滤泥用量对纸张不透明度和灰分的影响

2.6 滤泥和商品PCC对纸张性能的影响

在滤泥和商品PCC用量均为20%，纸张定量均为80 g/m2的条件下，将所抄纸张的物理性能进行比较，结果如表1所示。由表1可知，滤泥加填纸的白度较商品PCC加填纸白度低6.3个百分点，撕裂指数低1.59 mN·m2/g，不透明度低1.7个百分点，但其抗张指数、耐破指数、耐折度均较高。综合来看，经过处理的滤泥可用于造纸加填。

3 结论

3.1 混合霉菌和碱对糖厂滤泥的净化效果较好，可使滤泥中残存有机物含量仅占滤泥CaCO3含量的0.14%，滤泥的白度达到51.5%。

3.2 对不同漂白剂漂白效果的比较可知，强力还原剂 (PL2)的漂白效果最佳，其最适反应条件为:反应温度100℃，用量6%，反应时间1.5 h，在此反应条件下获得的滤泥白度可达59.5%。

3.3 将滤泥作为填料对纸张进行加填，随滤泥用量的增加，纸张的各项强度指标和白度均有不同程度的降低，但考虑到既降低生产成本又能满足某些纸种的特定使用要求，本实验滤泥的最佳用量为20%。

3.4 在糖厂滤泥和商品PCC用量均为20%、纸张定量均为80 g/m2的条件下，由所抄纸张物理性能比较可知，糖厂滤泥加填纸的性能除白度、撕裂指数、不透明度稍低外，其抗张指数、耐破指数、耐折度均有所提高。这说明糖厂滤泥可以试探性地应用在造纸工业中，但对于糖厂滤泥在造纸中应用是否具有优势还需进一步探讨。

表1 滤泥和商品PCC对纸张物理性能的比较

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