宋 瑞 侯慶喜 任榮旺 劉 葦

(1.天津科技大學(xué)天津市制漿造紙重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津，300457;2.山東恒安紙業(yè)有限公司，山東濰坊，261206)

造紙工業(yè)是與國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)文明建設(shè)息息相關(guān)的產(chǎn)業(yè)，但也存在著耗水多等問題。為了降低造紙用水成本，回收造紙白水中的細(xì)小纖維［1］，采用物化和生化相結(jié)合的辦法是回收造紙白水的有效途徑［2］。山東某紙業(yè)有限公司采用美卓公司的新月形衛(wèi)生紙機(jī)，以100%原生木漿生產(chǎn)定量為13.0～37.0 g/m2的高檔生活用紙。該紙機(jī)設(shè)計(jì)車速為2000 m/min，成紙寬度為5600 mm，起皺率為 16% ～20%，日產(chǎn)量為160 t，白水排放量為4500 m3/d，固體懸浮物 (SS)為400～600 mg/L。采用淺層平流式氣浮裝置處理白水后，出水中SS穩(wěn)定在30 mg/L以下，基本可以達(dá)到原設(shè)計(jì)的要求。但有時(shí)也出現(xiàn)水質(zhì)不好、運(yùn)行不穩(wěn)定的現(xiàn)象，因此，非常有必要對(duì)其進(jìn)行分析和優(yōu)化，以滿足穩(wěn)定生產(chǎn)的要求。

1 白水回收工藝流程及工作原理

1.1 白水回收工藝流程

圖1為山東某紙業(yè)有限公司目前采用的白水回收工藝流程。流程的一部分為溶氣水的生成與釋放，即在一定壓力條件下，來(lái)自空氣壓縮機(jī)的空氣與回流加壓泵的清濾液，在溶氣罐中進(jìn)行均勻混合，生成溶氣水，然后通過溶氣水專用釋放器均勻地釋放到氣浮裝置前部底端;另一部分為白水的回收處理，來(lái)自白水塔中的白水，首先與聚合氯化鋁 (PAC)在白水塔的出口管處初步混合，經(jīng)過一定化學(xué)反應(yīng)，在進(jìn)氣浮裝置前與聚丙烯酰胺 (PAM)進(jìn)行預(yù)反應(yīng)，使得白水中的懸浮物形成較大的絮團(tuán)，之后在氣浮裝置的進(jìn)水口處與溶氣水均勻混合，溶氣水中的微小氣泡與絮團(tuán)在氣浮裝置接觸區(qū)混合、碰撞、黏附［3］，進(jìn)一步形成較大的絮團(tuán);在氣浮裝置的分離區(qū)將帶氣絮團(tuán)與清濾液進(jìn)行分離，帶氣絮團(tuán)以斜向上的方向緩慢上升，浮至水面，待積聚到一定厚度后，經(jīng)過刮漿板1，平流進(jìn)入氣浮裝置的穩(wěn)定區(qū)，隨后經(jīng)過刮漿板2進(jìn)入回收漿槽，自行流入回收漿池;而清濾液則由氣浮裝置出水管順流至清濾液池，進(jìn)入清濾液池的清濾液一部分送入造紙車間，用于網(wǎng)部扇形高壓水、熱風(fēng)氣罩除塵除濕系統(tǒng)、真空輥低壓噴淋水和衛(wèi)生用水等;另一部分則經(jīng)過自動(dòng)過濾器進(jìn)一步過濾處理，由出水管泵入超清濾液池，送入造紙車間，用于網(wǎng)毯部針形高壓水、網(wǎng)邊高壓水等。經(jīng)過上述處理后大大節(jié)約了新鮮水的使用量。

1.2 白水回收工作原理

根據(jù)斯托克斯定律［4］，在懸浮液中，顆粒的沉降速度，與顆粒和液體的相對(duì)密度之差乘以顆粒直徑的平方之積成正比，而與液體的黏度成反比。即:當(dāng)顆粒和液體的相對(duì)密度之差為正值時(shí)，顆粒的沉降速度為正值，顆粒沉降;當(dāng)顆粒和液體的相對(duì)密度之差為負(fù)值時(shí)，顆粒的沉降速度為負(fù)值，顆粒上浮。因此，當(dāng)大量的微小氣泡吸附于懸浮顆粒表面時(shí)，整個(gè)顆粒的密度就會(huì)大大減小;當(dāng)達(dá)到一定程度時(shí)，懸浮顆粒就會(huì)上浮到水面，從而達(dá)到固-液分離的目的。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)原料與主要設(shè)備

圖1 采用淺層平流式氣浮裝置的白水回收工藝流程

紙機(jī)白水取自山東某紙業(yè)有限公司;PAM，陽(yáng)離子型，相對(duì)分子質(zhì)量為900萬(wàn)～1000萬(wàn)，陽(yáng)離子度為10%～30%，由濰坊中瑞化工科技有限公司生產(chǎn);PAC，分子式為 Aln(OH)mCl3n-m，相對(duì)分子質(zhì)量為174.45，由濰坊中瑞化工科技有限公司生產(chǎn)。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

采用單因素實(shí)驗(yàn)和正交實(shí)驗(yàn)的方法，按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T11901—1989測(cè)定白水、清濾液和回收漿料中的固體懸浮物 (SS)，計(jì)算固體懸浮物 (SS)去除率，從而對(duì)白水氣浮回收系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。

3 結(jié)果與討論

3.1 PAC用量對(duì)白水氣浮處理效果的影響

3.1.1 PAC用量對(duì)白水氣浮懸浮物去除率的影響

在使用普通漿料品種的條件下，當(dāng)PAM用量為3.6 mg/L、進(jìn)氣浮白水量為6945 L/min、氣浮裝置液位為89%、溶氣水進(jìn)水量為765 L/min、溶氣灌液位為50%、溶氣水壓力為0.55 MPa時(shí)，PAC用量對(duì)白水氣浮懸浮物去除率的影響如圖2所示。

圖2 PAC用量對(duì)白水氣浮懸浮物去除率的影響

從圖2可以看出，在PAM用量一定時(shí)，PAC的加入可顯著改善白水氣浮回收處理的效果。隨著PAC用量的逐漸增加，白水氣浮中的懸浮物去除率呈先升高后降低的趨勢(shì)。這是因?yàn)?，隨著PAC用量的逐漸增多，進(jìn)入白水中的Al3+含量隨之增多，白水中絮聚粒子的擴(kuò)散層厚度逐漸減薄，排斥勢(shì)能逐漸降低。相應(yīng)地，吸引勢(shì)能逐漸升高，相撞時(shí)的距離逐漸減小，其合力逐漸由排斥力為主變成以吸引力為主，絮聚粒子迅速凝聚，懸浮物去除效果明顯提高。當(dāng)白水中投入的PAC過量時(shí)，不會(huì)有更多額外的Al3+進(jìn)入白水中絮聚粒子的擴(kuò)散層，即擴(kuò)散層厚度幾乎不發(fā)生變化，Zeta電位也不發(fā)生變化，不可能出現(xiàn)絮聚粒子改變電性而使絮聚粒子脫穩(wěn)的情況。因此，絮凝效果反而下降，甚至出現(xiàn)重新穩(wěn)定的現(xiàn)象。

3.1.2 PAC用量對(duì)回收漿料白度和打漿度的影響

在使用普通漿料品種的條件下，當(dāng)PAM用量為3.6 mg/L、進(jìn)氣浮白水量為6945 L/min、氣浮裝置液位為89%、溶氣水進(jìn)水量為765 L/min、溶氣灌液位為50%、溶氣水壓力為0.55 MPa時(shí)，PAC用量對(duì)回收漿料白度和打漿度的影響如圖3所示。

從圖3可以看出，回收漿料的白度隨著PAC用量的增加，呈逐漸升高而后保持不變最后逐漸下降的趨勢(shì);同時(shí)，回收漿料的打漿度隨著PAC用量的增加基本保持不變。這表明，PAC用量對(duì)回收漿料的白度有一定的影響，而對(duì)回收漿料的打漿度沒有影響;當(dāng)PAC用量大于12.5 mg/L時(shí)，回收漿料白度反而有所降低，且絮凝效果也會(huì)隨之變差。

3.2 PAM用量對(duì)白水氣浮處理效果的影響

3.2.1 PAM用量對(duì)白水氣浮懸浮物去除率的影響

在使用普通漿料品種的條件下，當(dāng)PAC用量為7.5 mg/L，進(jìn)氣浮裝置白水量為6945 L/min，氣浮液位為89%，溶氣水進(jìn)水量為765 L/min，溶氣灌液位為50%，溶氣水壓力為0.55 MPa的條件下，PAM用量對(duì)白水氣浮懸浮物去除率的影響如圖4所示。

從圖4可以看出，白水氣浮懸浮物的去除率隨著PAM用量的增加呈先增加后降低的趨勢(shì)。這是因?yàn)镻AM分子鏈的—NH+2因與白水中絮聚粒子發(fā)生電中和作用而相互吸附，而其分子鏈的其他化學(xué)基團(tuán)除了與附近的絮聚粒子繼續(xù)產(chǎn)生吸附作用之外，還能與另一個(gè)表面有空位的絮聚粒子吸附，起到架橋連接的作用。隨著PAM用量的逐漸增多，與白水中絮聚粒子發(fā)生吸附電中和作用的分子鏈逐漸增多，絮粒能借助PAM的橋聯(lián)作用彼此吸附并發(fā)生絮聚。但當(dāng)白水中投入的PAM過量時(shí)，PAM的伸展部分粘連不到附近的絮聚粒子，反而還會(huì)吸附在原先絮聚粒子的其他部位上，因此起不到架橋連接的作用，反而使得絮聚粒子表面飽和產(chǎn)生“再穩(wěn)現(xiàn)象”，出現(xiàn)了懸浮物去除率驟降的現(xiàn)象。

3.2.2 PAM用量對(duì)回收漿料白度和打漿度的影響

在使用普通漿料品種的條件下，當(dāng)PAC用量為7.5 mg/L、進(jìn)氣浮裝置白水量為6945 L/min、氣浮液位為89%、溶氣水進(jìn)水量為765 L/min、溶氣灌液位為50%、溶氣水壓力為0.55 MPa時(shí)，PAM用量對(duì)回收漿料白度和打漿度的影響如圖5所示。

從圖5可以看出，隨著PAM用量的增加，回收漿料的打漿度基本保持不變，白度變化不大。

3.3 白水氣浮工藝條件中PAM和PAC用量的確定

通過單因素實(shí)驗(yàn)可以看出，在其他因素保持不變的條件下，PAM和PAC的用量對(duì)白水氣浮處理效果有一定的影響。為進(jìn)一步考察上述因素對(duì)白水氣浮處理效果的影響，尋求白水氣浮處理的較優(yōu)條件［5］，本實(shí)驗(yàn)采用了2因素4水平 (L4(2))的正交實(shí)驗(yàn)確定白水氣浮處理效果的工藝條件，設(shè)計(jì)方案見表1，正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果和極差分析分別見表2和表3。

由表2和表3可知，在使用普通漿料品種的條件下，PAM和PAC用量對(duì)白水中懸浮物的去除率和回收漿料的白度影響較大，而對(duì)清濾液pH值和回收漿料的打漿度幾乎沒有影響。

表1 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

表2 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表3 各因素水平與氣浮白水處理效果的極差分析結(jié)果

由表2和表3還可知，在PAM用量為2.5 mg/L、PAC用量為12.5 mg/L時(shí)，白水氣浮處理的效果較好。

3.4 回流比對(duì)氣浮白水回收效果的影響

回流比是指進(jìn)氣浮裝置白水量與溶氣水進(jìn)水量的百分比。在氣浮凈水工藝中，回流比的確定直接影響溶氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、氣浮效果、設(shè)備投資及系統(tǒng)運(yùn)行能耗。而影響回流比的因素有很多，包括溶氣壓力、溫度、溶氣條件、微氣泡的大小、溶氣水水質(zhì)等［6］。在使用普通漿料品種的條件下，當(dāng)PAM用量為2.5 mg/L、PAC用量為12.5 mg/L、氣浮液位為89%、溶氣灌液位為50%、溶氣水壓力為0.55 MPa時(shí)，本實(shí)驗(yàn)考察了不同回流比對(duì)淺層平流式氣浮裝置白水回收效果的影響［4］，結(jié)果如圖6所示。

圖6 回流比對(duì)白水懸浮物去除率的影響

通過實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)分析，結(jié)合圖6可以看出，在淺層平流式氣浮裝置實(shí)驗(yàn)中，白水的懸浮物去除率隨著回流比的逐漸增大呈現(xiàn)先迅速增加，而后緩慢增加，最后迅速下降的趨勢(shì);在回流比為13.5%時(shí)，白水的懸浮物去除率達(dá)到最大值93.7%。當(dāng)回流比為10.5%～13.5%時(shí)，白水的懸浮物去除率可穩(wěn)定地保持在91.5%～93.7%?？紤]到實(shí)際生產(chǎn)中回流比的波動(dòng)及其對(duì)生產(chǎn)穩(wěn)定性的影響，建議采用回流比為10.5% ～13.5%。

3.5 漿料化學(xué)成分對(duì)白水回收效果的影響

通過大量的生產(chǎn)實(shí)踐表明，在保證紙機(jī)正常運(yùn)行的前提下，闊葉木漂白硫酸鹽漿LBKP(2)的使用量超過一定比例時(shí)，網(wǎng)下白水坑、白水盤以及淺層平流式氣浮裝置會(huì)產(chǎn)生大量泡沫。而這些泡沫的產(chǎn)生，有時(shí)會(huì)導(dǎo)致紙機(jī)生產(chǎn)和氣浮裝置運(yùn)行不穩(wěn)定，甚至影響整個(gè)造紙機(jī)的正常生產(chǎn)，白水氣浮回收效果變差。因此，對(duì)兩種闊葉木漂白硫酸鹽漿LBKP(1)和LBKP(2)的化學(xué)組分進(jìn)行了詳盡的分析，發(fā)現(xiàn)兩種漿的二氯甲烷抽提物含量有明顯差異，結(jié)果如圖7所示。

眾所周知，闊葉木中的有機(jī)溶劑抽提物含量相對(duì)較少 (＜1%)，主要存在于薄壁細(xì)胞中［7］，它對(duì)制漿造紙會(huì)產(chǎn)生一定的影響。從圖7可以看出，兩種闊葉木漂白硫酸鹽漿LBKP(1)和LBKP(2)的二氯甲烷抽提物含量均保持在1%以下，但LBKP(2)的二氯甲烷抽提物含量偏高，幾乎是LBKP(1)的2.3倍。

圖7 LBKP(1)和LBKP(2)的二氯甲烷抽提物含量的比較

一般來(lái)說，形成泡沫必須具備兩大因素:一是白水中混入游離空氣;二是白水中含有一定量的表面活性物質(zhì)，即有機(jī)溶劑抽提物［8］或者吸附在氣-液界面上的微細(xì)固體顆粒［9-11］，兩者缺一不可。氣浮裝置正常運(yùn)行時(shí)需通入溶氣水，即有大量微空氣泡存在，且大都以游離狀態(tài)存在，這樣為泡沫的形成提供了有利條件;而白水中的表面活性物質(zhì)或微細(xì)固體顆粒存在于氣-液界面，且表面層分子定向排列，其余的在液體內(nèi)形成層狀或棒狀的膠團(tuán)，這層薄膜和液體內(nèi)部的膠團(tuán)與白水中的微空氣泡混合［12］，形成泡沫。隨著表面活性物質(zhì)或微細(xì)固體顆粒的增多，液體表面積增大，白水的表面張力降低，從而促進(jìn)泡沫的形成，并且延長(zhǎng)泡沫持續(xù)的時(shí)間［8］。因此推斷，LBKP(2)的二氯甲烷抽提物含量偏高可能是造成氣浮裝置產(chǎn)生大量泡沫的原因之一。

4 結(jié)論

4.1 在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過正交實(shí)驗(yàn)確定了PAM和PAC的最佳用量，即在普通漿料品種使用條件下，PAM用量為2.5 mg/L、PAC用量為12.5 mg/L時(shí)，白水氣浮處理效果較好。

4.2 回流比對(duì)淺層平流式氣浮裝置白水處理效果影響較大，當(dāng)回流比為10.5% ～13.5%時(shí)，白水氣浮處理效果較好。

4.3 闊葉木漂白硫酸鹽漿的二氯甲烷抽提物含量偏高，可能是造成氣浮裝置產(chǎn)生大量泡沫的原因之一。

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