酶处理与磨浆顺序对混合办公废纸脱墨浆性能的影响

酶处理与磨浆顺序对混合办公废纸脱墨浆性能的影响

该文研究了生物酶分别处理磨浆前和磨浆后的浆料对脱墨浆的滤水性能、光学性能和机械性能的影响。实验分别通过在磨浆前或磨浆后添加酶，改变磨浆转数（分别为700转和1 500转），浆料浓度（分别为5%、8%和13%）以及酶的处理时间（分别为20、40和60 min）等因素，探讨了磨浆与酶处理顺序对混合办公废纸脱墨浆性能的影响。实验表明：当磨浆转数一定时，采用先用酶处理再磨浆的流程其纸浆的游离度高于先磨浆后用酶处理的纸浆；但是，采用先磨浆后用酶处理所得纸浆的强度性能更好。此外，光学性能测试结果表明，采用先磨浆后用酶处理的流程可改善纸浆的白度和有效残余油墨浓度（ERIC）。

1　引言

磨浆工艺通过对纤维施加机械和水力的作用来改变纸浆的物理机械性能，因此，纤维的性能会受到分丝帚化、细小组分含量变化以及纤维切断等重要因素的影响。外部细纤维化包括原纤维从纤维表面的分离，进而造成比表面积的增加。内部细纤维化可导致细胞壁内部的分离，从而改善纤维的柔韧性。除此之外，磨浆也会对纤维造成损伤，包括纤维切断和细小组分含量增加，从而导致游离度的降低和脱水困难。

目前，各种各样的酶已经广泛应用于制浆造纸工业。有研究提到不同种类的生物酶已经用于去除树皮、树脂控制、生物制浆、生物漂白、磨浆、脱墨、胶粘物控制和废水处理等。然而，二次纤维特性的变化已经成为了近几年的研究热点。将生物酶与磨浆结合是生物酶应用的一个方面。生物酶可改善浆料的滤水性能。有研究报道生物酶处理浆料可增加纸浆的游离度，与未处理纸浆相比，通过磨浆到达特定游离度所需要的时间会减少。前人的研究表明，细小纤维的水解是造成滤水性能改善的原因，这是因为细小纤维较大的比表面积对滤水和强度性能有影响。通过酶的处理，细小纤维发生水解，从而有助于改善浆料的滤水性能和强度性能；而且，酶的存在可导致纤维长度变短和发生细纤维化。

以上研究表明，在磨浆前对纸浆进行生物酶处理虽然会降低纸张的强度和其他性能，但是可改善纸浆的滤水性能，并且研究认为酶对纤维有切断和细纤维化的作用。生物酶处理浆料后进行磨浆会使这些作用进一步强化，从而影响纸张的最终性能。

因此，本实验主要研究生物酶分别对磨浆前、后的浆料处理对脱墨浆的滤水性能、光学性能和机械性能的影响。

2　实验

2.1原料

实验原料取自伊朗某造纸公司。该公司纸浆原料组成为70%的办公废纸和30%书本纸。纸浆样品浸泡20 min后进行碎浆，其条件为：碎浆30 min，浓度10%，温度为40℃。

纸浆通过80目和400目的筛网过滤获得2种组分：长纤维组分（即被截留在80目筛网上的纤维）和短纤维组分（即通过80筛网的组分和被截留在400目筛网的组分）。同时，保留1份未经筛选过的浆料。实验采用长纤维组分进行实验，并采用2种方法进行处理：（1）采用生物酶进行处理，然后进行磨浆，最后脱墨，即ERD方法；（2）对纸浆进行磨浆，然后再进行生物酶处理，最后脱墨，即RED方法。

2.2酶处理

实验所用生物酶取自德国某公司的Biotouch® C35。该纤维素酶是里氏木霉的衍生物，其活性来自1，4-β-D葡萄糖内切酶。酶活性和处理温度分别为30 U/g和60℃（其中，酶处理温度根据供应商说明书确定；酶的用量根据文献和供应商推荐而确定，因为30 U/g的用量较为普遍）。生物酶处理时间分别为20、40和60 min，浆料浓度分别为5%、8%和13%。通过添加硫酸溶液，调节浆料pH至5.8。

2.3磨浆

生物酶处理前和处理后的磨浆处理采用PFI磨进行，磨浆条件为：30 g绝干浆，磨浆间隙0.2 mm，磨浆浓度为10%，磨浆转数分别为700转和1 500转。

2.4脱墨

对所有处理后的浆料进行脱墨。脱墨采用标准实验浮选槽，实验条件为：浓度1%，浮选10 min，壬基酚聚氧乙烯醚作为表面活性剂，用量为0.5%（相对于绝干浆），浮选温度为40℃。浮选泡沫通过人工去除后，采用400目筛网对良浆进行洗涤。

2.5手抄片的制备与检测

根据TAPPI T 205（1995）方法测定手抄片的机械强度、光学性能以及有效残余油墨（ERIC）。采用TAPPI标准T 227（1999）测定纸浆的游离度；并根据TAPPI T 414（2004）、T 494（2001）、T 403（2002）、T 425（2006）和T 452（2008）标准分别测定纸张的撕裂强度、抗张强度、耐破强度、不透明度和白度。根据Kubelka-Munk理论评价ERIC。采用SPSS软件对测定数据进行分析。

3　结果与讨论

3.1游离度与滤水性能

浆料初始平均游离度（CSF）为620 mL，ERD方法和RED方法结果如下。

3.1.1ERD方法

采用ERD方法时，对经过生物酶处理后浆料测定游离度，酶处理过程中浆料的浓度对浆料游离度有显著影响。图1显示了不同处理浓度下浆料游离度的变化。

图1　ERD方法下浆料浓度和处理时间对游离度的影响

由图1可见，试验结果与其他相关研究结果一致。当浆料浓度分别为5%和8%时，随着酶处理时间的延长游离度有所降低。当浆料浓度为13%时，浆料的游离度最高。在此浓度下，浆料的游离度随着时间的延长先迅速降低而后逐渐提高。

经过生物酶处理后进行磨浆，其结果如图2所示。

图2　采用ERD方法磨浆对纸浆游离度的影响

如图2所示，磨浆700转后浆料游离度迅速降低，这可能是由纤维分丝帚化所致；因此，酶处理可使纤维表面发生强烈的分丝帚化。然而，当磨浆1 500转时，其变化与磨浆700转有所不同。经过磨浆后，纸浆游离度有所提高。这说明在高磨浆转数下，酶对纤维细胞壁的影响造成纤维长度变短；因此，产生了更多的细小纤维，从而可通过游离度测试网，如图3所示［（a）为ERD方法，（b）为RED方法］。

图3　滤液中的细小纤维和切断的纤维

3.1.2RED方法

图4显示了采用RED方法对浆料游离度的影响。

如图4所示，采用RED方法时，磨浆后浆料游离度有所下降，这与ERD方法趋势相反。磨浆后，对浆料进行酶处理，其游离度有所降低，这可能是因为纤维发生分丝帚化。浓度与处理时间对游离度的影响也较为显著。

综上所述，当采用RED方法时浆料游离度呈下降趋势，但是ERD方法却有所不同。经过生物酶处理和磨浆后，采用ERD和RED方法制备的浆料的游离度分别下降了22.2%和12%；因此，可知采用RED方法可使浆料获得更好的滤水性能。

图4　采用RED方法对浆料游离度的影响

3.2机械性能

采用ERD和RED这2种方法所得浆料制备手抄片的机械性能也有所不同，如表1所示。

表1　ERD和RED方法各段手抄片的机械性能对比

2种方法的浆料经过酶处理后对机械性能都有不利影响，即使采用RED方法时，酶对机械性能破坏仍较严重。这主要归因于改善强度性能的细小纤维的损失导致的。

3.2.1撕裂指数

纸张的撕裂指数与纤维长度和细胞壁的破损有关，只要纤维长度和细胞壁完成，纸张撕裂指数通常较高。

采用ERD方法时，由于酶的处理导致纤维切断或纤维变短，因而纸张的撕裂指数下降，而磨浆阶段对撕裂强度的破坏更严重，如表1所示。在脱墨段，撕裂强度并未有明显变化。经过RE段撕裂指数的降低比ER段低15%。采用RED方法时，浆料经过脱墨后，磨浆转数为700转和1500转所得浆料的平均撕裂指数比ERD段分别高28.5%和21.4%。

3.2.2抗张指数

抗张指数与纤维键合有关，无论是采用RED方法还是ERD方法，经过酶处理后，纸张的抗张强度都有所降低，如表1所示。采用RED方法时，经过磨浆后纸张的抗张指数提高约50%，经过酶处理后，抗张指数降低8.2%。采用2种方法时，脱墨过程对纸张抗张强度并未有明显影响。采用RED方法时的抗张指数可提高27.8%，而采用ERD方法时抗张指数仅提高4.7%；因此，采用RED方法所得纸张的抗张强度的提高率比ERD方法高出约6倍。

3.2.3耐破指数

通常，纸张的耐破强度取决于纤维的键合。酶处理可改善纸料的滤水性能但却会降低纸张强度，这主要是因为在酶处理纤维过程中，单根纤维强度有所降低；因此，尽管纤维发生内部细纤维化和外部细纤维化，纸张的机械强度仍会降低。该实验所得结果与前人的研究结果有所不同。值得注意的是，ERD方法的磨浆段造成耐破强度降低约17.6%，而RED方法却导致耐破指数提高了84%。可以看出，在磨浆前对纤维进行生物酶处理会破坏细胞壁，导致纤维变短从而降低成纸强度。

耐破指数结果也表明，与空白样相比，采用RED方法时，成纸强度增加约10.6%；但是ERD方法所得纸张的耐破指数却降低约70%。因此，合理安排浆料处理流程非常重要。

3.3光学性能

实验还测定了纸张的光学性能，如白度、不透明度和ERIC，结果发现2种方法所得浆料的光学性能的变化趋势相同。

3.3.1不透明度

分别经过RED和ERD方法处理所得纸张的不透明度有所降低，如图5所示。

由图5可见：2种方法所得浆料，在脱墨前、后其不透明度未有明显差异；浆料经过酶处理后其不透明度都有所降低。这主要是由于纤维细胞壁的降解和细小纤维的产生。在磨浆过程中，纤维细胞容易压溃，导致不透明度的降低；但需注意，如图5所示，与ERD方法相比，采用RED方法时不透明度降低的速率更慢，尤其是磨浆段后。另外，采用ERD方法所得纸张的不透明度与RED方法相比几乎降低了2倍（约14%）。

图5　RED和ERD方法对纸张不透明度的影响

为了讨论2种方法所得DIP浆料的性能，光学性能，尤其是光散射系数和不透明度尤为重要。如图5所示，磨浆转数越高（1 500转），产生的细小纤维越多，从而会降低纸张的不透明度。细小纤维会增加纸张密度和提高纤维键合，从而使更多的光透过纸张。采用RED方法时，由于磨浆产生的细小纤维量较多，而后续酶的处理使其部分水解；因此，RED方法浆料的不透明度高于ERD方法。另一方面，采用ERD方法时，不透明度在磨浆后快速降低可能意味着纤维被破坏，磨浆会加重此现象，从而使在测定光散射系数和不透明度时光线通过纸张。

纸张的不透明度和松厚度有直接关系，而不透明度和挺度与松厚度有关；因此，采用RED方法时所制备的纸张的松厚度更高。

3.3.2白度

图6显示了RED和ERD方法对纸张白度的影响。

图6　RED和ERD方法对纸张白度的影响

由图6可见，经过酶处理后，2种方法制备的手抄片白度都有所降低。该现象可能是由于酶处理对油墨粒子粒径和油墨从纤维表面去除程度所致。值得注意的是，不同转数对白度有一定影响。采用2种方法磨浆700转时，手抄片白度稍有升高。这可能是由于磨浆过程中填料和灰分的去除所致。然而，在1 500转时，采用ERD方法浆料的白度显著降低，尤其是当浓度升高时更为明显；但是，采用RED方法时磨浆后的白度有所升高。其原因可能是磨浆后对浆料进行生物酶处理，可使更多的油墨粒子从纤维表面去除。如图6所示，与空白样相比，采用RED方法所得手抄片白度大约增加1.5%，而采用ERD方法时白度降低约5%。

3.3.3有效残余油墨浓度

图7和图8分别显示了RED方法和ERD方法对纸浆ERIC变化趋势的影响。

图7　RED方法对纸浆ERIC变化趋势的影响

图8　ERD方法对纸浆ERIC变化趋势的影响

由图7和图8可见：残余油墨浓度的变化与纸张白度变化趋势相反；生物酶和磨浆处理对纸浆ERIC的影响非常显著。ERIC的升高表明，经过酶处理和磨浆后，纸浆中的油墨粒子变得更加分散。2种方法都可造成油墨粒子粒径的降低。采用RED方法时会产生大量自由的小粒径的油墨粒子。其原因主要有2个：第1，磨浆会削弱油墨粒子对纤维表面的吸附；第2，酶处理所导致的水解进一步促进了油墨粒子的脱离。因此，这些自由的油墨粒子很容易在洗涤过程中去除；而采用ERD方法时，在纤维表面的油墨粒子数量较高，从而使油墨粒子保留在纸张中，导致白度的降低和ERIC的升高。

图8表明，与空白样相比，采用ERD方法时，经过ER段处理后纸浆ERIC升高了83%；但是经过脱墨后，ERIC仅降低1%（20×10-6）。采用RED方法时，经过RE段处理的浆料ERIC升高29%（333×10-6），但是经过脱墨后，ERIC降低约5%（92×10-6）。

以上结果表明，采用ERD方法所增加的ERIC会导致2个问题——纸张颜色变黑和油墨粒子粒径降低，进而降低浮选效率；因此，采用RED方法的纸浆的浮选效率比采用ERD方法约高5倍。

表2对比了2种方法制备手抄片最终的成纸性能。

表2　RED和ERD方法所制备手抄片的成纸性能

4　结论

（1）无论采用ERD方法还是RED方法，酶处理都会降低纸张机械性能、光学性能以及纸浆游离度，但会使ERIC升高。与酶处理不同，磨浆顺序的不同（即在酶处理前或酶处理后）会造成纸浆性能变化有所不同。

（2）对酶处理和磨浆过程中纤维细纤维化、细小纤维产生和水解、纤维变短以及表面活化等进行了讨论。RED方法可产生更多细小纤维。其原因，一是因为磨浆产生大量细小纤维，二是因为酶处理阶段细小纤维的水解，从而改善了浆料的滤水性能。除此之外，RED方法还可获得更好的强度性能和光学性能。

（3）采用ERD方法时对纤维和油墨粒子有负面影响。除了抗张强度外，ERD方法的磨浆段会破坏纸张的其他机械性能，且白度、不透明度都会降低，重要的是ERIC显著升高，导致浮选效率的降低。

（4）采用RED方法可获得更好的效果。与ERD方法相比，采用RED方法制备浆料的滤水性能更好。重要的是，磨浆后，不仅所有机械性能都有所增加，而且最终的成纸强度也有所提高；虽然不同磨浆转数对浆料影响不同，但是采用该方法可明显提高纸张的白度。与ERD方法相比，RED方法对纸浆的不透明的影响更小；此外，该方法对ERIC的负面影响也比ERD方法小。同时，采用RED方法的浮选效率比ERD方法高约5倍。

（宋顺喜编译）