造纸白泥资源化利用的可行性途径初探

2018-09-21张会芝刘纪峰连跃宗

三明学院学报 2018年4期

张会芝，刘纪峰，连跃宗

（1.三明学院建筑工程学院，福建三明，365004；2.工程材料与结构加固福建省高等学校重点实验室（三明学院），福建三明，365004）

造纸白泥是制浆造纸过程中采用碱回收技术处理后的副产品，具有资源化利用价值，不少学者对其在建材行业的应用进行了研究，刘一山等[1]将白泥作为钙质原料应用于硅酸盐材料；马艾华[2]研究利用造纸白泥生产CaO捕集工业尾气中的CO2；王传贵等[3]探讨了造纸白泥在复合材料中的应用途径；郝翊翔等[4]研究了造纸白泥制备碳酸钙的方法；张礼华等[5]利用造纸白泥制备蒸压灰砂砌块；刘来宝等[6]研究了造纸白泥在新型墙体材料中的应用；S.Y,Zhang等[7]用竹浆造纸白泥生产保温板；G.Goel和A.S.Kalamdhad[8]调查了造纸白泥在制砖行业中的应用。

福建三明某大型造纸企业，生产过程中排放大量的白泥，多采用露天堆放的方式处理，既占用土地，又需要投入大量资金修建专门的堆放库以防止溃库，同时还有污染环境的潜在风险（图1）。如能实现对造纸白泥的资源化利用，能达到节约土体、节省资金等经济、社会和环保效益，值得深入探讨。

在前人研究的基础上，对造纸白泥试样进行成分分析、筛分析、水洗、热重-热差分析和X射线衍射分析等测试，并基于试验结果，探讨其资源化利用的可行性途径。

1 试验测试

为测试白泥的成分、颗粒分布和相关物理力学性质，对堆场采集的试样进行了成分分析试验、筛分试验（见表1）、pH值测试及水洗对pH值影响试验等。

堆场取两份造纸白泥样品进行成分分析试验。

为分析白泥的粒径组成，取5 000 g堆场白泥样品进行筛分析试验（图2），各层筛子的网眼尺寸见表2。

为测试清洗遍数对pH值的影响，取300 mL松散体积的堆场白泥样品进行水洗试验，每次加水量600 mL，清洗过程中溶液上部漂浮一层灰色有机质，试验进行3组，取3组pH值的平均值进行统计分析，见图3。

为研究造纸白泥的热解特性和组成成分，分别取生产现场和堆场白泥进行热重-热差分析（TG-DTA）分析，并对生产现场和堆场白泥及其热分析残渣进行了X射线衍射（XRD）试验。

2 试验结果分析

成分分析试验结果见表1，由表1可知，两份样品的烧失量分别为41.8%和41.96%，说明造纸白泥中有机质含量较高；SiO2、Al2O3和Fe2O3的含量较少，分别在2%、1%和0.24%左右，但两份样品的CaCO3含量均较多，分别达51.27%和52.65%，说明白泥的碱性较大，其资源化利用主要考虑有机质含量和CaCO3成分的应用。筛分析试验结果见表2和图3，可知造纸白泥的粒径主要分布在0.05～0.6 mm区间，其中0.065～0.1 mm粒径占比达62.93%，说明白泥主要以细颗粒为主。对筛分的各粒组样品溶液的pH值进行了测试，结果表明，相同质量各粒组样品在加水量相同时（即溶液浓度相同），其溶液pH值变化不大，说明用筛分这种物理方式处理白泥行不通。

表1 造纸白泥的成分分析结果

图2 造纸白泥的筛分析试验

图3 造纸白泥的粒径分布曲线

表2 造纸白泥的筛分析试验结果

清洗遍数对pH值影响的测试结果如图4所示。由图4可知，白泥松散体积和加水量1∶2的条件下，溶液pH值随着清洗遍数的增加而降低，初始溶液pH值12.7，清洗6次才降到10.3，随清洗次数增加，溶液pH值降低的幅度减小，清洗次数和溶液pH值的二阶指数衰减拟合公式如式（1），为获得碱性较低的 CaCO3，需要消耗较多的清水，如实际生产需要考虑清洗水的循环利用问题。

生产现场和堆场白泥热重-热差分析（TG-DTA）分析试验结果如图5～6所示，表明：生产现场的白泥，随着Ca(OH)2和CaCO3的热分解，产生吸热反应，质量减少；但堆场白泥，随着Ca(OH)2的脱水，达到吸热高峰，同时质量减少，分析认为还需要进一步的商榷，因为吸热高峰与质量减少关系还没被人们所认知，一般认为堆场白泥基本不含有机质，而是其中的Ca(OH)2和空气中CO2反应生成了CaCO3所致。

生产现场和堆场白泥及其热分析残渣的X射线衍射（XRD）试验结果见图7～10，图7显示，低角度时，只能观测到很小的CaCO3峰值，其它的小峰值能否被观测到还不能确定；图8表明生产现场白泥热分析残渣有明显的CaO峰值；图9说明堆场白泥有明显的CaCO3峰值；图10表明生产堆场白泥热分析残渣有明显的CaO峰值。和TG-DTA试验一致，XRD试验结果也验证了堆场白泥成分由Ca(OH)2和空气中CO2反应生成了 CaCO3。

图4 白泥清洗次数与溶液pH值关系

图5 生产现场白泥的TG-DTA试验结果

图6 堆场白泥的TG-DTA试验结果

图7 生产现场白泥的XRD试验结果图

图8 生产现场白泥热分析残渣的XRD试验结果

图9 堆场白泥的XRD试验结果图

图10 堆场白泥热分析残渣的XRD试验结果

3 白泥综合利用可行性分析

基于以上研究，并参考前人研究成果，提出造纸白泥的以下4种资源化利用途径。

可行性途径一：建材或肥料行业利用[4-21]。XRD试验结果表明，白泥主要成分为CaCO3，对其高温煅烧以后可形成CaO，因此可以将造纸白泥添加到水泥原料中进行利用；可将白泥添加到墙体粉刷材料中，但如作为罩面材料应用，要处理其白度不够的问题；可将白泥与高岭土、黏土、树脂等粘结剂混合、造粒、固化，作为保水剂、消臭剂、吸附剂、调湿剂、冷暖房填充剂等使用；可将碱性浆液应用于碱激发地质聚合物原材料，碱激发金属尾矿或钢渣生产自保温砌块；或者将白泥与肥料成分混合造粒，作为肥料进行利用。

可行性途径二：合成人工沸石。人造沸石是由有碳酸钠、苛性钾、长石、高岭石等混合并熔融后制得的具有不规则结构的产物，因此，如将NaOH溶液中混合造纸白泥，调制成悬浮液，在90～100°C加热反应，可生成具有规则空洞和分子级别细孔的人工沸石，该材料具有吸附机能，能吸附大气中的有害物质或者恶臭；具有触媒机能，能促进堆肥熟成并提高其品质；具有阳离子交换机能，可进行污水处理，排除水中的铵离子，具有酸性土壤的中和作用，合成人工沸石的物理化学性质见表3。

表3 人工沸石物理化学性质

可行性途径三：若造纸白泥中含有氟（F）元素，可先进行造纸白泥的固液分离，然后在液体中添加CaO生产CaF2，CaF2可应用于钢铁生产过程中的脱磷（P）材料，本地有大型钢铁企业福建三钢集团，可较多应用CaF2；另一方面，在固体残渣中添加CaO/Ca(OH)2，经1000°C左右温度煅烧形成钙矾石（3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O），煅烧中的钙矾石含有水泥的成分，在液相中可以和重金属离子交换，起到固化重金属离子的作用。若造纸白泥中不含氟（F）元素，可直接添加CaO/Ca(OH)2煅烧形成钙矾石。脱氟后的液体可将NaOH进行浓缩回收，液体可作为再生水在造纸工业中循环利用。

可行性途径四：生产固化剂。根据吸收水分中和反应及Pozzolanic反应，可生产钙矾石并使其团粒化，可将造纸白泥作为主要原料生产固化剂，可吸附重金属等有害物质，可抑制硫化氢或氨臭等气味，可高吸水并停止氮化硼反应时的再溶出，这种固化剂可广泛应用于池塘、河流、海底等淤泥的处理以及路基、地基等的土体改良、酸性板结等土地的中性化处理等[18]。