脂肪酸皂与脱墨浆接触时间对浮选效率和成本的影响

脂肪酸皂与脱墨浆接触时间对浮选效率和成本的影响

随着废纸浆质量的下降和生产成本的增加，废纸浆厂都在寻找可以降低生产成本和优化废纸浆生产的方法。该文探索了延长脂肪酸皂和纸浆的接触时间是否可以改善浮选效率，进而改善脱墨浆（DIP）的质量，降低生产成本。研究在工厂A和工厂B等2家新闻纸生产厂进行，所用原料为脱墨浆和热磨机械浆。研究结果发现：改变脂肪酸皂添加点来增加脂肪酸皂与脱墨浆的接触时间可提高浮选效率；在维持DIP浆料的目标白度时，工厂A可有效降低皂用量；而工厂B改善了DIP浆料的最终白度并降低漂白化学品用量，同时还降低了从浮选槽出口浆料的脂肪酸皂的携带量，并改善了纸张的摩擦系数（COF）。

对于大部分脱墨浆厂而言，脂肪酸皂通常添加于碎浆机或者浮选槽的入口；尽管二者都是合理加入位置，但前者主要是为了使脂肪酸皂与浆料有足够的混合接触时间以改善油墨捕集效果；而后者有利于减少浆料泡沫，但是这种添加位置却可增加浮选损失。

脂肪酸皂在脱墨过程中主要发生如下作用，即脂肪酸基团的分解；与钙离子反应形成高度不溶的钙皂；可溶的和沉淀的皂对油墨颗粒的吸附以增加絮聚团的疏水性；最后通过浮选法去除油墨。在一般脱墨条件下，脱墨过程速度并不快。本研究通过在2家新闻纸生产厂研究了延长脂肪酸皂和纸浆的接触时间是否可以改善浮选效率，进而改善脱墨浆的质量，降低生产成本。

1　材料与方法

1.1脂肪酸皂的添加位置

图1为工厂A的2条脱墨浮选生产线。

图1　工厂A脱墨线1和脱墨线2的工艺流程图

工厂A生产新闻纸，其原料为35%～60%的DIP和40%～65%的热磨机械浆（TMP）。脱墨线1（L1）为1台Lamort浮选槽，包括1台初级浮选槽和1台二级浮选槽，日产量可达200 t，当产量较高时，启用该生产线。脱墨线2（L2）主要由5台福伊特初级浮选槽（P1～P5）和1台二级浮选槽（S1）组成，日产量为400 t。

阴离子脂肪酸皂由凯米拉公司提供，现场进行皂化作为单独的脱墨剂。该脱墨剂添加在浮选槽前，添加量为5.2 kg/t。这样脂肪酸皂与浆料的接触时间少于1 min［根据脂肪酸皂的添加位置（图中虚线位置）估计脂肪酸皂与浆料的接触时间，下同］。采用电感耦合等离子体原子发射光谱法测定溶解钙离子浓度，结果为质量分数（160±26）×10-6。

在该厂进行了2组实验，其目的是通过改变阴离子捕集剂的添加位置来延长脂肪酸皂与浆料的接触时间，如图1所示。第1个添加位置为卸料池的入口，可将浆料与脂肪酸皂的接触时间增加至5～15 min。根据产量的变化，其接触时间也有所不同。当产量高时，浆料分支进入2个卸料池，而后直接进入给料槽，如图2所示。第2个添加位置是鼓式碎浆机的入口。

图2　工厂A所用脂肪酸皂的添加位置

2个脱墨浆厂在浮选前后均配备了白度和有效残余油墨（ERIC）传感器。虽然传感器并不能反映出DIP浆料真实白度和ERIC，但却可反映出浆料性能的趋势变化。工厂A的白度和ERIC在线测量传感器安装在浮选槽喂料口（a）和良浆口（1b和2b）。

图3显示了工厂B的脱墨线1和脱墨线2的工艺流程图。

图3　工厂B的脱墨线1和脱墨线2的工艺流程图

工厂B主要采用30%～65%的DIP和35%～70%的TMP为原料生产新闻纸。脱墨线L1由7台平行排列的初级Black Clawson浮选槽组成（BC1～BC7）。当产量较高时，启用第2条浮选脱墨线——由6台安德里茨浮选槽组成（P1～P6）。所有Black Clawson浮选槽和安德里茨浮选槽P1中的浆料组分和化学助剂均相同。工厂B新闻纸的产量为450～600 t/d，其中Black Clawson浮选槽生产量约占总产量的三分之二。

在现场对阴离子脂肪酸皂进行皂化后作为单独的脱墨剂，实验过程中其用量保持不变。脂肪酸皂的添加位置在给料槽与浮选线L1和L2之间，使得浆料在浮选前与脂肪酸皂的接触时间控制在1 min之内。电感耦合等离子体原子发射光谱法测定的溶解钙离子浓度为250×10-6～265×10-6。试验时，通过将脂肪酸皂的添加点向鼓式碎浆机方向移动来增加脂肪酸皂与浆料的接触时间，如图3所示（脂肪酸皂与浆料的接触时间最终可增加到60 min）。

工厂B的白度和ERIC值在线测量传感器安装在浮选槽喂料口（a）和良浆口（b）。手抄片的白度和ERIC值的测定使用Black Clawson浮选槽（BC1～BC7）的良浆和安德里茨浮选槽P6的浆料。

1.2DIP浆料的光学性能

为了校准传感器白度与ERIC值的读数，根据PAPTAC标准方法E.1《纸浆、纸张和纸板的白度》通过加入CPAM（B厂）或未加入（A厂）制备DIP浆料。对于工厂B，从浮选设备前后收集浆料。对浮选前的样品进行充分洗涤以估计不可浮选出去的或者与纤维键合的油墨浓度。

1.3浮选槽的空气含量

实验前，对工厂B所用的Black Clawson和安德里茨浮选槽的空气喷射器进行修理，以防止堵塞。FPMonitAir探头插入工厂A的福伊特2号脱墨线P3槽中（图1）和工厂B的1号脱墨线浮选槽（BC1，BC2）和2号脱墨线P1～P6，以读取空气含量的变化。在安德里茨浮选槽中，探针每10 s读取1次数据，连续采集10 min的数据。除此之外，脂肪酸皂添加点的变化也会造成泡沫池液位的变化，从而反映出空气含量的变化。

1.4硬脂酸和软脂酸分析

在工厂A，混合样品来源于压榨过的TMP、DIP以及从3台纸机（PM1、PM2和PM3）取下来的纸样的混合物。在工厂B，混合样品取自2台新闻纸机（PM3和PM4）。样品采用二氯甲烷进行索式抽提前进行冷冻干燥。采用重氮甲烷对抽提物改性，而后通过气相色谱分析进行分离。

1.5纸张的摩擦系数（COF）与皱褶指数

采用TAPPI测试方法T 549-om-13《采用平行方法测定未涂布纸张和打印纸的静态和动态摩擦系数》对工厂A中取自PM1、PM2和PM3纸机的混合纸样每星期测定2次纸张的COF。试验后，COF的测试仍继续进行，只是测定频率减少，直至试验结束后的1年半。需要注意的是，在工厂试验过程中，COF的测定虽然采用了同样的方法，但是在不同测试设备上完成的。为了降低不同设备之间的差异，对数据进行标准化。皱褶指数的测定由负责检查卷纸部的工人完成。

2　结果与讨论

2个工厂的试验都有相同的目的，即降低成本，改善浮选脱墨效率和DIP浆料质量，降低纸机部分脂肪酸皂的含量从而改善纸张的COF、减少纸张皱褶的发生。在工厂A中，前期曾尝试将浮选捕集剂添加在碎浆机的入口，结果导致泡沫从泡沫池和福伊特浮选槽中溢流出来。在改变脂肪酸皂添加点的1 h内，大量的泡沫使得3级和4级浮选槽的泵以及将泡沫浆池泵送至循环浆渣的泵失去压力，造成泵无法工作。基于此，设计了新的试验，逐渐移动捕集剂的添加点至碎浆机的出口，最终至鼓式碎浆机的入口。在2个工厂的试验中，尽量选择容易实现的脂肪酸皂的添加点。

2.1工厂A

为了阻止过量泡沫的形成，对脂肪酸皂的添加点逐步改变，分别将加入到浮选混合槽中20%和30%的脂肪酸皂加入到卸料池以增加5～15 min与纸浆的接触时间。加入的脂肪酸皂转移30 min后得到空气含量的变化趋势。图4显示了工厂A中L1线和L2线的空气含量随脂肪酸皂转移的变化图。

图4　工厂A中L1线和L2线的空气含量随脂肪酸皂转移的变化图

图4表明浮选混合槽入口脂肪酸皂剂用量由20%逐渐增加到30%，其P3福伊特浮选槽的空气含量和泡沫槽的液位也在增加；而随着浮选槽入口脂肪酸皂用量的降低，空气含量逐渐升高了5百分点，达到20%。随后，当卸料池中脂肪酸皂用量为30%时，空气含量逐渐降低至17%～18%；而此时，浮选槽泡沫含量增加至25%，泡沫槽的液位达到检测上线105%。为了避免泡沫溢出，临时关掉了从P2到P3的浆泵约30 min，浮选脂肪酸皂返回至浮选槽的入口。这些方法都导致福伊特浮选槽中的空气含量和泡沫槽液位的降低。这些数据在实验室曾得到证实，当脂肪酸皂添加到浮选槽中，泡沫直径开始变大；而随着空气含量的增加，泡沫直径逐渐变小。显然，脂肪酸皂在较短混合时间时具有消泡的作用。

截止试验第2天早上，浮选槽中的空气含量又回到最初的15%。工厂注意到，在试验的第1天，脱墨车间的产量较低，因此可判断脂肪酸皂与浆料接触时间为15 min而不是5 min（图2）。延长脂肪酸皂与浆料的接触时间有助于形成小而稳定的气泡，进而使脂肪酸皂失去了消泡的作用。脱墨线L1中的Lamort浮选槽并未出现同样的问题，反而气泡稳定性更好；由于仅有一个可供使用的测量探针，因此无法在线测定该浮选设备的空气含量。我们猜测与福伊特浮选槽的停留时间（5 min）相比，在Lamort槽中较长的停留时间（10 min）可部分解释此现象，即该槽通过较长的脂肪酸皂的接触时间和较为稳定的小气泡，已经适应了泡沫的影响。其他因素也可以解释2种类型浮选槽在布气方面的不同，这包括较差的布气的Lamort浮选槽和另一种具有高湍流的浮选槽。

第3天进行了重复试验，将加入到浮选混合槽中20%脂肪酸皂加入到卸料池以增加5～15 min的接触时间。随着脂肪酸皂接触时间的增加，DIP的白度也随着增加，见图5。

图5　工厂A中L1线和L2线的20%的脂肪酸皂转移后DIP浆料白度的增加值的变化

图5表明，采用工厂白度传感器测定的L1和L2浮选线良浆白度有所增加。作为比较，该图也包括了原始浆料的白度。需要注意的是，在试验过程中，产量有所下降，因此L1脱墨线停止生产，从而也停止了白度的测量。当卸料池脂肪酸皂的用量为0%时，L1和L2线良浆的白度相近，但当20%的脂肪酸皂添加于卸料池后，L2线白度增加3.5。由于从进浆到良浆生产出来白度的变化需要6 h，添加于卸料池的脂肪酸皂用量减少5%，使得剩余的95%的脂肪酸皂中的80%的加入浮选槽入口，15%加入到卸料池。在接下来的几星期，浮选脂肪酸皂逐渐以同样方式转移浮选槽需要更长的时间来平衡这些改变。同时，通过降低在卸料池而非浮选槽中脂肪酸皂用量，其消泡作用会降低福伊特浮选槽和泡沫槽的空气含量。

2条脱墨线浆料白度的增加与通过改善通气条件而得到的更小尺寸的泡沫有关，正因为如此，提高了气泡的比表面积，增加了浮选速率常数。气泡收集油墨的效率增加造成速率常数的增加。延长脂肪酸皂的接触时间不仅有利于加强油墨从纤维表面的分离；而且，在钙离子存在的情况下，提高了钙离子与脂肪酸皂的絮聚，进而增加了油墨的絮聚，但絮聚往往较慢。随着越来越多的钙离子与脂肪酸皂和油墨进行反应，提高了复合物的憎水性，进而有利于絮聚团吸附在气泡上，最终通过浮选去除。实际上，油墨去除效率的改善通过Lamort初级浮选设备的气泡颜色也可观察出，与较短的皂化时间而得到的浅灰色的气泡相比，其颜色几乎为黑色；而且，脂肪酸皂在DIP浆料和纸张中的含量也有所减少。白度、ERIC以及油墨去除率的改善效果通过每天6次的测试数据所证实；虽然试验检测所得到的数值与传感器上的读数不同，但测试期间2种方法所得到的白度增加值和油墨去除率是相同的。

在第1次试验（trail 1）期间，工厂A逐渐将脂肪酸皂的添加点从浮选槽向前挪位以期达到降低脂肪酸皂的用量，维持目标白度的目的。

图6　工厂A控制和试验阶段脂肪酸皂含量

图6表明，在工厂维持L1和L2脱墨线良浆的目标白度的基础上，脂肪酸皂的总用量降低了25%。前期发现，增加皂化时间可改善浮选效率，降低脂肪酸皂的用量；因此第2组试验需要探究是否继续增加脂肪酸皂的接触时间（30 min）来进一步改善油墨去除率。在碎浆机入口添加脂肪酸皂粉末，而取代在卸料池添加脂肪酸皂。结果发现，白度传感器测得的纸浆白度下降了0.8。从我们前期实验室研究中发现，浮选效率的改善主要发生在脂肪酸皂与浆料的接触时间为15 min内，所以我们对于工厂这次试验的结果并不感到奇怪；因此，我们还是将脂肪酸皂的添加点改为卸料池的入口。在该处添加脂肪酸皂的优点以及脂肪酸皂用量的减少都被工厂后续进行的另外2组试验所证实（图6），即脂肪酸皂以原始用量添加到浮选槽的进浆口。脂肪酸皂用量降低25%，可为工厂节约15～32.5万美元/a，这取决于DIP以及其他表面活性剂的用量。

增加通气量会让工厂关注得率损失，试验每天测定压榨后二级浮选的浆渣量。结果发现，经过3个月的测定，纸浆得率并未发生变化。

脂肪酸皂随着纸浆携带到纸机中会降低纸张的COF，在卷曲和复卷过程中会造成起皱。皱褶是很窄的褶皱，会导致纸幅卷曲过程中形成直径更大的纸卷。由于纸卷边缘较高的载荷，因此该纸病经常发生在辊子边缘的下部。该纸病的形成也与厚度较薄、质量较轻类型的纸，如新闻纸，尤其是高DIP含量的新闻纸有关。边缘载荷大小可通过控制纸幅边缘厚度和水分来调控；然而，当纸幅COF较低时，正如1～3号纸机所生产的新闻纸，会造成纸幅层与层之间发生打滑。为了避免复卷过程中发生皱褶纸病以及客户的投诉，工厂通常会在冬季纸幅COF较低时，留下105 mm宽度的线轴（该方法会导致减产）。很多因素可影响纸张的COF，而纸张表面的化学性质是最重要的影响因素。存在于浮选捕集剂中少量的低表面能的物质（如饱和脂肪酸）都会显著降低纸张的COF。对于COF，纸卷之间的滑动以及皱褶的形成都有一个临界值，因此COF很小的变化对于纸张来说都至关重要。通常有2种方法可以降低皱褶的发生：（1）改变纸张原料性能；（2）改变复卷设备及操作。

虽然TMP和DIP浆料中的抽出物都可增加纸张的润滑效果，但是饱和脂肪酸（如硬脂酸和软脂酸）的影响更大。浮选捕集剂是饱和及未饱和脂肪酸的混合物。由于在大量TMP中并未发现饱和脂肪酸，因此测定新闻纸中所含有的捕集剂含量变得相对容易。图7显示了工厂A中TMP、DIP和新闻纸中饱和脂肪酸浓度和浮选脂肪酸皂用量的相关性。

由图7可以看出，从1～3号纸机取得的TMP、DIP和新闻纸的混合样品中，二氯甲烷抽出物所含结合的饱和脂肪酸含量。需要注意的是，工厂目前采用表面活性剂逐渐代替脂肪酸皂，以降低脂肪酸皂用量。当脂肪酸皂用量降低25%时，DIP浆料中饱和脂肪酸含量降低了36%，在纸张中降低了54%。这表明，脂肪酸皂的携带量与脂肪酸皂用量相关；并且，提高脂肪酸皂与浆料的接触时间可使皂化反应充分进行，从而有利于提高浮选效率。

图7　工厂A中TMP、DIP和新闻纸中饱和脂肪酸浓度和浮选脂肪酸皂用量的相关性

减少饱和脂肪酸的携带量对纸张COF也有积极影响。在工厂进行试验前，冬季的静摩擦系数从0.38下降到0.37，而动摩擦系数从0.24下降至0.22，冬季纸张的COF会更低。这是因为该季节木材中的树脂和脂肪酸含量偏高。可以看出COF数据变化很小，因此很难证明原因所在，同时工厂对COF的测定频率很低，就进一步增加了原因的不确定性；虽然很难预测抽出物含量变化何时发生，但是我们试验开始于冬季的12月1日，即当COF看似开始降低的时候进行的。另外，也选择第2年的3月8日记录数据，即改变脂肪酸皂用量的前3天。图8显示了这些时间数据的变化（图中：柱状图是从1～3号纸机取出的新闻纸的秋季、冬季和脂肪酸皂化后的COF；数字百分比是低于最低值0.35的百分比）。

与真实测定值相比，我们更加关注的是数据的变化量以及COF下降到小于0.35时的频率。在秋季，纸张COF小于0.35的频率占26%；而冬季，即当年的12月至第2年的3月，达到了57%。而在第2年的6月，COF小于0.35的频率下降到7%。在第2年的3月8日，工厂中的操作工人报告说经常出现的皱褶消失了。虽然COF数据更大程度上取决于人工测定，但是操作工也发现皱褶出现的次数在逐渐降低直至第2年的3月消失。同时，虽然工厂在这1年半的时间内更改了复卷操作参数，但部分生产成本的降低与脂肪酸皂的携带量的减少而导致的皱褶的发生频率下降有关。工厂成本的节约来自于卷轴上废纸量的降低（2009年为8 000 t，2011年为3 400 t）和客户投诉的减少。

2.2工厂B

图8　工厂A新闻纸静摩擦系数发生频率随着季节和脂肪酸皂的改变的变化情况

工厂B的DIP白度在过去几年从56%～57%降低到53.5%～54%，于此同时，ERIC增加了20×10-6。造成纸浆白度和浮选效率降低的原因有收集单一低质量的废纸，浮选槽中空气喷射器的老化，碎浆机中化学品的变化，产量的波动影响碎浆机和浮选槽中浆料的停留时间，采用碳酸钙作为造纸填料造成水的硬度升高以及为了降低得率损失而降低浆渣率等。鉴于工厂A的成功案例，我们期望在浮选前增加浆料与脂肪酸皂的接触时间可改善Blank Clawson和安德里茨浮选槽中的油墨去除效率，从而降低漂白化学品的使用成本。图9显示了在皂化前增加脂肪酸皂接触浆料的时间增加了安德里茨初级浮选槽的空气含量（图中：柱状图是10 min内空气含量的变化；柱状图上数字代表在较长的皂化时间空气含量的增加量）。

正如工厂A（图3），脂肪酸皂添加于2条浮选槽前，脂肪酸皂与浆料的接触时间少于1 min。将脂肪酸皂的添加点改在浆池（卸料池），脂肪酸皂与浆料的接触时间可增加至1 h。在改变脂肪酸皂添加点的1 h后，安德里茨浮选槽中的渣浆泡沫颜色变深，而纸浆变得更白。图9表明，在6台安德里茨浮选糟中的空气含量从2.5%增加至5%。实验室通过浮选前后手抄片测定的油墨去除率从72%提高至80%。与安德里茨浮选糟中停留5 min相比，尽管在Black Blawson浮选糟中停留时间为9 min，其浮选效率为78%～80%。Black Blawson浮选糟的浮选效率和白度的增加并没有改善。显然，在浮选设备中停留足够的时间有利于增加脂肪酸皂的接触时间，但超过1 h后对纸浆性能无明显改善。与Black Blawson浮选糟相比，安德里茨浮选糟中低的曝气率和效率使得其对浆料性能的提高非常明显。工厂继续进行了新的添加点试验，发现白度提高1百分点，可节约15万美元的化学品。

图9　在皂化前增加脂肪酸皂接触浆料的时间增加了安德里茨初级浮选槽的空气含量

工厂B同样面临纸张COF较低和皱褶纸病的问题。虽然在试验期间该厂没有测定COF和皱褶，但我们在改变脂肪酸皂的添加点后的3星期测定了从浮选段携带的饱和脂肪酸（硬脂酸和软脂酸）以及未饱和脂肪酸（油酸）含量。图10显示了浮选捕集剂携带到从工厂B的3号和4号新闻纸机的脂肪酸的量的降低率与脂肪酸皂化时间的增加关系。

图10表明，3号和4号新闻纸机的样品中二氯甲烷抽出物3种脂肪酸的含量降低了23%～35%。仅低产量脱墨生产线的浮选效率有所改善而脂肪酸皂用量并未发生变化。很明显，提高浮选捕集剂的反应时间，其优势不仅仅是油墨去除率和白度的改善，而且有利于显著减少DIP浆料中的饱和脂肪酸带入到新闻纸中的量。

图10　浮选捕集剂携带到从工厂B的3号和4号新闻纸机的脂肪酸的量的降低率与脂肪酸皂化时间的增加关系

3　结论

在2个工厂中改变脂肪酸皂的添加点以增加浮选前脂肪酸皂与纸浆的接触时间，有利于改善所采用的4种商业浮选设备的油墨去除率。对于工厂A，更长的接触时间可在节约浮选捕集剂用量的同时，保持相同的浆料白度。工厂B中，增加脂肪酸皂与废纸浆的接触时间可增加3%～5%的空气含量，进而使油墨去除率从72%提高至80%。同时，工厂B中DIP浆料白度还提高了1百分点，从而有利于降低漂白化学品成本。通过延长浮选设备中的停留时间和改变通气顺序并不能改善浮选效率。无论是否在浮选前或者浮选过程中，脂肪酸皂与纸浆的接触时间应安排9～20 min以使浮选效率最大化。浮选前，提高脂肪酸皂的接触时间至45～60 min并不能进一步改善浮选效率。

2个工厂的5台纸机试验结果表明，延长脂肪酸皂的接触时间可降低30%～54%的饱和脂肪酸皂的携带量。工厂A中，较低的脂肪酸皂用量和脂肪酸携带量可降低新闻纸静态COF低于0.35的频率。同时，工厂也发现皱褶纸病的发生次数有所减少。

（宋顺喜编译）