硅酸钠对纸机滤水及系统沉积物的影响

2015-11-04杜伟民

造纸化学品 2015年5期

硅酸钠对纸机滤水及系统沉积物的影响

由于硅酸钠具有与多价金属离子络合等性能，因而在废纸脱墨及常规过氧化氢漂白中被广泛应用；然而，硅酸钠在应用中也存在着不足，如在设备和管道内易产生沉积/结垢等问题，影响纸机正常运行，降低生产效率。该文首先讨论了在废纸脱墨过程中不使用硅酸钠时的助留剂和使用助留剂+硅微粒子的助留/助滤方案对滤水性的影响，然后利用硅酸钠与黏度存在的依存关系，结合黏度的测定，阐述硅酸钠与形成对纸机运行有潜在危害的沉积物的纸张涂料之间的相互影响。

1　序言

近年来，影响纸机脱水效果、造成沉积物原因之一的是作为生产原料的废纸中的硅酸钠残留物。实践证明，硅酸钠除了在浮选法脱墨过程中作为漂白助剂外，还有其他方面的好处；但硅酸钠在应用中也存在着不足，有报告认为，纸机由此产生的一些问题，情况令人担忧：试图增加废纸浆用量、节约清水用量的造纸厂都经历了分散性胶体状溶解物增加给纸机操作带来困难；同时，造成问题原因之一的胶体稳定性变得无法控制等。这些物质通常被称为阴离子垃圾，其成分为黏性粒子/黏着物、油墨、染料、生物有机体、金属、盐类、脂肪酸和硅酸钠等。

2　硅酸钠在脱墨过程中的应用

2.1在脱墨过程中应用硅酸钠的优点

硅酸钠作为化学品之一被用于过氧化氢漂白，通过与多价金属离子形成络合物，能够稳定过氧化氢周围的环境。废新闻纸脱墨时，在过氧化氢中添加1%～3%的硅酸钠，就能提高ISO白度4.5～9百分点。另外，在其他试验中，添加0.5%～3.5%的硅酸钠，在不用螯合剂的情况下，只用1%过氧化氢就能提高ISO白度2～4.5百分点；而添加螯合剂时最多只能提高2百分点。

在采用50%废新闻纸（ONP），50%废杂志纸（OMG）为生产原料进行的试验中，添加硅酸钠提高了漂白效果，ISO白度提高了2～4百分点。在分别添加2.5%和5%硅酸钠的应用中，白度均能再提高2百分点，改善了脱墨性能；但是，在100%高档涂布文化用纸脱墨时，添加硅酸钠使纤维流失量增加，纸的脱墨性下降，同时产生大量油墨微粒，对脱墨性能造成了很大的影响。

研究人员认为，硅酸钠和钙的络合是发挥其作为脱墨助剂强大功能的原因。硅酸钠和钙相互作用产生的辅助作用减少了纸浆损失，降低了浮选时抑制填料分离的可溶性钙离子。另外一种解释是，因为硅酸抑制了纤维与飞沫的附着，改善了纤维从泡沫中的排出，减少了纤维损失。硅酸粒子在泡沫中的分散改变了泡沫的性质，控制了水的流失。由于水流失的减少，纤维及微细纤维、填料的损失也变少；不过，油墨去除率变低。

硅酸钠用量每增加1%，碱度相应上升0.11。另外，硅酸钠除了具有作为促进油墨去除的渗透剂功能外，还具有作为碎浆机的分散剂，防止油墨再吸附，与肥皂（脂肪酸盐）一起促进油墨捕集的作用，甚至还有pH缓冲剂的作用。

这些初期研究，是在为了测定影响白度、油墨再吸附及油墨分散良好与否的指标，即油墨微粒子而引进的残留油墨浓度测定法（ERIC）之前进行的。有研究人员在进行缓冲pH、消除硅酸钠对碱度影响的试验时，通过添加2%硅酸钠，碎浆5 min，使油墨的碎化率下降了9%，油墨的再吸附也减少了20%。这证实了以前研究提到的，硅酸钠具有防止油墨再吸附，促进油墨的分离/凝聚的作用。有人认为，其机理是降低了碎浆时纤维间的摩擦。

2.2在脱墨过程中应用硅酸钠存在的问题

据报告，在脱墨过程中使用硅酸钠存在的问题主要有2点：一是在脱墨/碎浆时添加硅酸钠时，出现沉积/结垢问题及对纸机运转的影响；另一个问题是，残留硅酸钠进入纸机，可能降低阳离子聚丙烯酰胺这类助留剂的助滤作用。

用5%～50%的硅酸钠高添加量和助留剂进行了试验，结果存在较大的偏差，但在只使用硅酸钠的情况下，滤水时间最大增加了20%。当硅酸钠用量增加到2%时，助留剂的助滤作用完全消失。图1显示了不添加和添加硅酸钠（1.2%），对各种助留剂滤水性的影响。试验条件：热磨木浆干浆，用软水稀释，不加硫酸铝，pH=5；试验的助留剂有非粒子聚乙烯胺（NI PVAM）、低相对分子质量阳离子聚丙烯酰胺（LMW-CPAM）、中相对分子质量阳离子聚丙烯酰胺（MMW-CPAM）、高相对分子质量阳离子聚丙烯酰胺（HMW-CPAM）、聚季胺（PQ）、聚酰胺-胺（PAMAM）、高阳离子型聚乙烯亚胺（HiCAT PEI）和改性聚乙烯亚胺（Mod PEI）。

图1　添加硅酸钠对各种助留剂滤水性的影响

图2显示了在0.2%～0.4%硅酸钠低用量条件下的试验结果。试验条件：网前箱纸浆，10%亚硫酸盐浆，67%热磨浆，23%漂白化学磨木浆，不加硫酸铝，不加硅酸钠，pH=3.6；试验的助留剂有聚氧化乙烯（PEO）、聚丙烯酰胺（CPAM）和膨润土（Bent）。

根据这一试验可以知道，空白样的脱水时间缩短，膨润土+CPAM组合的脱水时间几乎没有变化，PEO助留剂的脱水时间延长。

有研究表明，如果添加硅酸钠，当硅酸钠残留量超过300×10-6时，还会影响双元助留剂对污水澄清池的处理。另外，如果生产新闻纸的网前箱中的硅酸钠残留量超过90×10-6，只用聚合物助留剂，灰分单程留着率将下降。这是因为残留硅酸钠对助留剂起到了阴离子垃圾的作用，增加了助留剂的负荷。如前所述，这将对聚合物助留剂及澄清用聚合物，特别是PEI及CPAM产生不利影响。

作为［生产设备现场调查·无油墨计划（Free Ink Program）］的一环，图3显示了采用硅钼酸水合物法用分光光度测定仪测定了硅酸残留量，是从生产新闻纸的脱墨车间调查获得的数据曲线（样品为最终的脱墨浆，硅酸钠残留量范围是造纸行业的典型样本）。

图2　硅酸钠低用量条件下对各种助留剂滤水性的影响

图3　在新闻纸脱墨车间测定的硅酸钠残留量

由图3可见，硅酸钠用量低于0.5%时，处理过程结束时的硅酸钠残留量随着硅酸钠用量的增加而增加，而超过这一用量时，除了4个样本外，硅酸钠无论添加多少，过程结束时的最大硅酸钠残留量都在100×10-6～150×10-6之间。

根据各种不同操作，需要考虑硅酸钠在碎浆时对过氧化氢的漂白/保护作用和降低油墨再吸附，抑制油墨碎化，改善浮选时的泡沫等好处和它在生产设备上的沉积以及与在澄清池及纸机上使用的助留剂相互作用之间的平衡。70%的纸厂硅酸钠用量都不超过1.5%，以保证使用硅酸钠带来的好处，减少其负面作用。根据纸厂的报告，在只添加肥皂的情况下，硅酸钠大用量能促进油墨的分离与去除（在不使用非离子表面活性剂的情况下）。与此正好相反，在只使用非离子表面活性剂的操作条件下，有时候完全不用硅酸钠。虽然未报告限制（使用）硅酸钠的原因，但已经确认，在很多操作中，增加硅酸钠用量是纸机上产生沉积物的原因之一。本文通过分析机构的研究证实了硅酸钠对助留剂的影响，硅酸钠大用量对沉积物表现的影响，以及可能成为纸机沉积物原因的之一。

3　试验

试验采用浮选法脱墨、为测定纸机用浆的差别进行的脱水试验、黏度测定等3部分构成。每批浮选法脱墨50 g，为获得足够的用于脱水试验的纸浆，每种条件下需要进行3次浮选。

分析室浮选使用50 g的70%ONP+30%OMG，在12%浓度下，用搅拌器碎浆10 min，然后稀释到1%供浮选用。采用了以下3种碎浆条件：不添加硅酸钠；为获得相同性质的纸浆，控制排渣在相同排渣率进行碎浆；添加1%或2%的硅酸钠进行碎浆。脱墨过程使用了6 min放射排出脱墨式浮选（FRED）槽，除去油墨，回收排渣，称重，测定灰分。

用动态脱水试验机（DDA），分别测定添加和不添加化学品时的稀浆滤水特性，测定真空条件下的网上纸浆滤水速度。研究者认为，根据这一测定，能够获得使纸浆尽快脱水所需要的化学品种类和用量。在该助留研究中，测定了只用CPAM和同时使用0.5 kg/t硅微粒子的数据。

有关硅酸钠黏度测定结果引用了为重现前人研究时的碎浆机处理条件和黏性物质评价而进行的另一次试验结果。根据这一初期试验结果，硅酸钠与黏度存在着出乎预料的关联，为此进行了追加试验，确认了硅酸钠的添加对黏度的影响。胶体状胶粘物的测定是基于样本分类和对总有机物含量进行的测定。含有丁苯橡胶树脂（SBR）的涂布纸在温度45℃、浓度15%的条件下碎浆20 min，稀释到3.5%浓度，收集滤液，测定黏度和胶体状黏性物质。然后，在80℃温度下加热20 min，确认了在PET（聚酯）试验片上吸收黏性物质时的黏度和黏性物质的变化。

4　结果与分析

如前所述，到目前为止，研究人员已经证实硅酸钠用量对排渣有很大的影响。本次研究的目的是，希望在添加硅酸钠和不添加硅酸钠的情况下，都能保持相同的脱墨性能和固形物损失。如表1所示。

表1　浮选法脱墨的结果

由表1可见：硅酸钠用量从0%～2%，排渣量的变化在50 g之内；通常，这一数值与分析所得的数值接近，生产中看不到这样的数值；白度、排渣的灰分含量也处在添加硅酸钠时看到的数值相同的范围内。除了不添加硅酸钠和添加1%硅酸钠的情况外，浮选时的这种相似性意味着滤水试验时的灰分和纤维量相同。滤水试验只观察了添加1%硅酸钠的情况。

图4显示了硅酸钠对网前箱的纸浆脱水时间的影响。

图4　硅酸钠对网前箱的纸浆脱水时间的影响

由图4可见：不使用助留剂时的滤水速度约为20 s，基本不变；在只使用CPAM的条件下，不添加硅酸钠的滤水时间大约变快5 s；而当添加硅酸钠时，滤水时间变慢，为原时间的4倍；在不加硅酸钠、添加CPAM和硅微粒子的条件下，滤水时间缩短到了10 s；添加硅酸钠时，滤水时间成倍增加到了20 s，与不用助留剂时的滤水时间大体相同。根据这一研究，证实了根据研究初期的考察内容和大规模生产所报告的论点；也就是说，没有硅酸钠的脱墨，给助留剂的性能带来了很大的影响。与此同时，滤液的浊度大幅下降，见图5。

图5　硅酸钠对网前箱的滤液浊度的影响

在测定添加与不添加硅酸钠条件下的黏度时，确认了硅酸钠与黏性物质的相互作用。意外的是，添加硅酸钠显著降低了黏度。这一观点通过在硅酸钠用量为0%～2%时，黏度较低，胶体状胶粘物和浊度变高得到了确认，分别见图6和图7。

图6　硅酸钠对碎浆机中的黏度及胶体状胶粘物量的影响

图7　硅酸钠对碎浆机中的黏度及浊度的影响

由图6可见，硅酸钠用量超过0.5%时，黏度下降。它的下降可能是由于硅酸钠与黏性物质形成了络合，使之失去了黏性。由图7可见，伴随着硅酸钠/ SRB粒子络合物的形成，发现浊度上升，硅酸钠用量从0%增加至0.5%，再增加至1%，浊度每次都上升500 NTU，硅酸钠从1%增加至1.5%时，浊度上升了1 500 NTU。这一现象，和硅酸钠用量超过0.5%后硅酸钠残留量的平衡趋势（图3），以及考虑到系统的污染问题，超过0.5%的用量时硅酸钠将进入纸机系统，诱发系统污染等，都需要充分考虑。基于前人的研究，作为为重现碎浆机处理条件和黏性物质评估而进行的试验的一个环节，将在45℃温度下碎解的纸浆在80℃温度的槽水中浸泡20 min。这一高温促进了黏性物质向置于强制吸收分析装置中的PET薄片的转移。我们进行这一评价的目的是为了了解不同温度对黏度的影响（试验条件：涂布纸碎浆中SBR用量为3.5%）见图8。

图8　添加硅酸钠的情况下温度对黏度的影响

由图8可见，在任何情况下，黏度都随硅酸钠用量的增加而下降；但在硅酸钠用量为2%时，情况大为不同，即45℃温度处理的与80℃温度处理的纸浆相比，黏度成倍增加。这表明，在到达纸机烘缸前，硅酸钠-SBR络合物粒子活性还不大，随着温度上升，络合物分解变成具有黏性的粒子。硅酸钠用量为1.5%时，45℃温度和80℃温度的黏度相同，硅酸钠用量为2.5%时，黏度成倍增加。这就是为什么亚洲的新闻纸生产企业的硅酸钠用量几乎都不超过1.5%的原因。