酶處理與磨漿順序?qū)旌限k公廢紙脫墨漿性能的影響

該文研究了生物酶分別處理磨漿前和磨漿后的漿料對脫墨漿的濾水性能、光學(xué)性能和機(jī)械性能的影響。實(shí)驗(yàn)分別通過在磨漿前或磨漿后添加酶，改變磨漿轉(zhuǎn)數(shù)（分別為700轉(zhuǎn)和1 500轉(zhuǎn)），漿料濃度（分別為5%、8%和13%）以及酶的處理時間（分別為20、40和60 min）等因素，探討了磨漿與酶處理順序?qū)旌限k公廢紙脫墨漿性能的影響。實(shí)驗(yàn)表明：當(dāng)磨漿轉(zhuǎn)數(shù)一定時，采用先用酶處理再磨漿的流程其紙漿的游離度高于先磨漿后用酶處理的紙漿；但是，采用先磨漿后用酶處理所得紙漿的強(qiáng)度性能更好。此外，光學(xué)性能測試結(jié)果表明，采用先磨漿后用酶處理的流程可改善紙漿的白度和有效殘余油墨濃度（ERIC）。

1　引言

磨漿工藝通過對纖維施加機(jī)械和水力的作用來改變紙漿的物理機(jī)械性能，因此，纖維的性能會受到分絲帚化、細(xì)小組分含量變化以及纖維切斷等重要因素的影響。外部細(xì)纖維化包括原纖維從纖維表面的分離，進(jìn)而造成比表面積的增加。內(nèi)部細(xì)纖維化可導(dǎo)致細(xì)胞壁內(nèi)部的分離，從而改善纖維的柔韌性。除此之外，磨漿也會對纖維造成損傷，包括纖維切斷和細(xì)小組分含量增加，從而導(dǎo)致游離度的降低和脫水困難。

目前，各種各樣的酶已經(jīng)廣泛應(yīng)用于制漿造紙工業(yè)。有研究提到不同種類的生物酶已經(jīng)用于去除樹皮、樹脂控制、生物制漿、生物漂白、磨漿、脫墨、膠粘物控制和廢水處理等。然而，二次纖維特性的變化已經(jīng)成為了近幾年的研究熱點(diǎn)。將生物酶與磨漿結(jié)合是生物酶應(yīng)用的一個方面。生物酶可改善漿料的濾水性能。有研究報道生物酶處理漿料可增加紙漿的游離度，與未處理紙漿相比，通過磨漿到達(dá)特定游離度所需要的時間會減少。前人的研究表明，細(xì)小纖維的水解是造成濾水性能改善的原因，這是因?yàn)榧?xì)小纖維較大的比表面積對濾水和強(qiáng)度性能有影響。通過酶的處理，細(xì)小纖維發(fā)生水解，從而有助于改善漿料的濾水性能和強(qiáng)度性能；而且，酶的存在可導(dǎo)致纖維長度變短和發(fā)生細(xì)纖維化。

以上研究表明，在磨漿前對紙漿進(jìn)行生物酶處理雖然會降低紙張的強(qiáng)度和其他性能，但是可改善紙漿的濾水性能，并且研究認(rèn)為酶對纖維有切斷和細(xì)纖維化的作用。生物酶處理漿料后進(jìn)行磨漿會使這些作用進(jìn)一步強(qiáng)化，從而影響紙張的最終性能。

因此，本實(shí)驗(yàn)主要研究生物酶分別對磨漿前、后的漿料處理對脫墨漿的濾水性能、光學(xué)性能和機(jī)械性能的影響。

2　實(shí)驗(yàn)

2.1原料

實(shí)驗(yàn)原料取自伊朗某造紙公司。該公司紙漿原料組成為70%的辦公廢紙和30%書本紙。紙漿樣品浸泡20 min后進(jìn)行碎漿，其條件為：碎漿30 min，濃度10%，溫度為40℃。

紙漿通過80目和400目的篩網(wǎng)過濾獲得2種組分：長纖維組分（即被截留在80目篩網(wǎng)上的纖維）和短纖維組分（即通過80篩網(wǎng)的組分和被截留在400目篩網(wǎng)的組分）。同時，保留1份未經(jīng)篩選過的漿料。實(shí)驗(yàn)采用長纖維組分進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并采用2種方法進(jìn)行處理：（1）采用生物酶進(jìn)行處理，然后進(jìn)行磨漿，最后脫墨，即ERD方法；（2）對紙漿進(jìn)行磨漿，然后再進(jìn)行生物酶處理，最后脫墨，即RED方法。

2.2酶處理

實(shí)驗(yàn)所用生物酶取自德國某公司的Biotouch? C35。該纖維素酶是里氏木霉的衍生物，其活性來自1，4-β-D葡萄糖內(nèi)切酶。酶活性和處理溫度分別為30 U/g和60℃（其中，酶處理溫度根據(jù)供應(yīng)商說明書確定；酶的用量根據(jù)文獻(xiàn)和供應(yīng)商推薦而確定，因?yàn)?0 U/g的用量較為普遍）。生物酶處理時間分別為20、40和60 min，漿料濃度分別為5%、8%和13%。通過添加硫酸溶液，調(diào)節(jié)漿料pH至5.8。

2.3磨漿

生物酶處理前和處理后的磨漿處理采用PFI磨進(jìn)行，磨漿條件為：30 g絕干漿，磨漿間隙0.2 mm，磨漿濃度為10%，磨漿轉(zhuǎn)數(shù)分別為700轉(zhuǎn)和1 500轉(zhuǎn)。

2.4脫墨

對所有處理后的漿料進(jìn)行脫墨。脫墨采用標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)浮選槽，實(shí)驗(yàn)條件為：濃度1%，浮選10 min，壬基酚聚氧乙烯醚作為表面活性劑，用量為0.5%（相對于絕干漿），浮選溫度為40℃。浮選泡沫通過人工去除后，采用400目篩網(wǎng)對良漿進(jìn)行洗滌。

2.5手抄片的制備與檢測

根據(jù)TAPPI T 205（1995）方法測定手抄片的機(jī)械強(qiáng)度、光學(xué)性能以及有效殘余油墨（ERIC）。采用TAPPI標(biāo)準(zhǔn)T 227（1999）測定紙漿的游離度；并根據(jù)TAPPI T 414（2004）、T 494（2001）、T 403（2002）、T 425（2006）和T 452（2008）標(biāo)準(zhǔn)分別測定紙張的撕裂強(qiáng)度、抗張強(qiáng)度、耐破強(qiáng)度、不透明度和白度。根據(jù)Kubelka-Munk理論評價ERIC。采用SPSS軟件對測定數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

3　結(jié)果與討論

3.1游離度與濾水性能

漿料初始平均游離度（CSF）為620 mL，ERD方法和RED方法結(jié)果如下。

3.1.1ERD方法

采用ERD方法時，對經(jīng)過生物酶處理后漿料測定游離度，酶處理過程中漿料的濃度對漿料游離度有顯著影響。圖1顯示了不同處理濃度下漿料游離度的變化。

圖1　ERD方法下漿料濃度和處理時間對游離度的影響

由圖1可見，試驗(yàn)結(jié)果與其他相關(guān)研究結(jié)果一致。當(dāng)漿料濃度分別為5%和8%時，隨著酶處理時間的延長游離度有所降低。當(dāng)漿料濃度為13%時，漿料的游離度最高。在此濃度下，漿料的游離度隨著時間的延長先迅速降低而后逐漸提高。

經(jīng)過生物酶處理后進(jìn)行磨漿，其結(jié)果如圖2所示。

圖2　采用ERD方法磨漿對紙漿游離度的影響

如圖2所示，磨漿700轉(zhuǎn)后漿料游離度迅速降低，這可能是由纖維分絲帚化所致；因此，酶處理可使纖維表面發(fā)生強(qiáng)烈的分絲帚化。然而，當(dāng)磨漿1 500轉(zhuǎn)時，其變化與磨漿700轉(zhuǎn)有所不同。經(jīng)過磨漿后，紙漿游離度有所提高。這說明在高磨漿轉(zhuǎn)數(shù)下，酶對纖維細(xì)胞壁的影響造成纖維長度變短；因此，產(chǎn)生了更多的細(xì)小纖維，從而可通過游離度測試網(wǎng)，如圖3所示［（a）為ERD方法，（b）為RED方法］。

圖3　濾液中的細(xì)小纖維和切斷的纖維

3.1.2RED方法

圖4顯示了采用RED方法對漿料游離度的影響。

如圖4所示，采用RED方法時，磨漿后漿料游離度有所下降，這與ERD方法趨勢相反。磨漿后，對漿料進(jìn)行酶處理，其游離度有所降低，這可能是因?yàn)槔w維發(fā)生分絲帚化。濃度與處理時間對游離度的影響也較為顯著。

綜上所述，當(dāng)采用RED方法時漿料游離度呈下降趨勢，但是ERD方法卻有所不同。經(jīng)過生物酶處理和磨漿后，采用ERD和RED方法制備的漿料的游離度分別下降了22.2%和12%；因此，可知采用RED方法可使?jié){料獲得更好的濾水性能。

圖4　采用RED方法對漿料游離度的影響

3.2機(jī)械性能

采用ERD和RED這2種方法所得漿料制備手抄片的機(jī)械性能也有所不同，如表1所示。

表1　ERD和RED方法各段手抄片的機(jī)械性能對比

2種方法的漿料經(jīng)過酶處理后對機(jī)械性能都有不利影響，即使采用RED方法時，酶對機(jī)械性能破壞仍較嚴(yán)重。這主要?dú)w因于改善強(qiáng)度性能的細(xì)小纖維的損失導(dǎo)致的。

3.2.1撕裂指數(shù)

紙張的撕裂指數(shù)與纖維長度和細(xì)胞壁的破損有關(guān)，只要纖維長度和細(xì)胞壁完成，紙張撕裂指數(shù)通常較高。

采用ERD方法時，由于酶的處理導(dǎo)致纖維切斷或纖維變短，因而紙張的撕裂指數(shù)下降，而磨漿階段對撕裂強(qiáng)度的破壞更嚴(yán)重，如表1所示。在脫墨段，撕裂強(qiáng)度并未有明顯變化。經(jīng)過RE段撕裂指數(shù)的降低比ER段低15%。采用RED方法時，漿料經(jīng)過脫墨后，磨漿轉(zhuǎn)數(shù)為700轉(zhuǎn)和1500轉(zhuǎn)所得漿料的平均撕裂指數(shù)比ERD段分別高28.5%和21.4%。

3.2.2抗張指數(shù)

抗張指數(shù)與纖維鍵合有關(guān)，無論是采用RED方法還是ERD方法，經(jīng)過酶處理后，紙張的抗張強(qiáng)度都有所降低，如表1所示。采用RED方法時，經(jīng)過磨漿后紙張的抗張指數(shù)提高約50%，經(jīng)過酶處理后，抗張指數(shù)降低8.2%。采用2種方法時，脫墨過程對紙張抗張強(qiáng)度并未有明顯影響。采用RED方法時的抗張指數(shù)可提高27.8%，而采用ERD方法時抗張指數(shù)僅提高4.7%；因此，采用RED方法所得紙張的抗張強(qiáng)度的提高率比ERD方法高出約6倍。

3.2.3耐破指數(shù)

通常，紙張的耐破強(qiáng)度取決于纖維的鍵合。酶處理可改善紙料的濾水性能但卻會降低紙張強(qiáng)度，這主要是因?yàn)樵诿柑幚砝w維過程中，單根纖維強(qiáng)度有所降低；因此，盡管纖維發(fā)生內(nèi)部細(xì)纖維化和外部細(xì)纖維化，紙張的機(jī)械強(qiáng)度仍會降低。該實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果與前人的研究結(jié)果有所不同。值得注意的是，ERD方法的磨漿段造成耐破強(qiáng)度降低約17.6%，而RED方法卻導(dǎo)致耐破指數(shù)提高了84%?？梢钥闯?，在磨漿前對纖維進(jìn)行生物酶處理會破壞細(xì)胞壁，導(dǎo)致纖維變短從而降低成紙強(qiáng)度。

耐破指數(shù)結(jié)果也表明，與空白樣相比，采用RED方法時，成紙強(qiáng)度增加約10.6%；但是ERD方法所得紙張的耐破指數(shù)卻降低約70%。因此，合理安排漿料處理流程非常重要。

3.3光學(xué)性能

實(shí)驗(yàn)還測定了紙張的光學(xué)性能，如白度、不透明度和ERIC，結(jié)果發(fā)現(xiàn)2種方法所得漿料的光學(xué)性能的變化趨勢相同。

3.3.1不透明度

分別經(jīng)過RED和ERD方法處理所得紙張的不透明度有所降低，如圖5所示。

由圖5可見：2種方法所得漿料，在脫墨前、后其不透明度未有明顯差異；漿料經(jīng)過酶處理后其不透明度都有所降低。這主要是由于纖維細(xì)胞壁的降解和細(xì)小纖維的產(chǎn)生。在磨漿過程中，纖維細(xì)胞容易壓潰，導(dǎo)致不透明度的降低；但需注意，如圖5所示，與ERD方法相比，采用RED方法時不透明度降低的速率更慢，尤其是磨漿段后。另外，采用ERD方法所得紙張的不透明度與RED方法相比幾乎降低了2倍（約14%）。

圖5　RED和ERD方法對紙張不透明度的影響

為了討論2種方法所得DIP漿料的性能，光學(xué)性能，尤其是光散射系數(shù)和不透明度尤為重要。如圖5所示，磨漿轉(zhuǎn)數(shù)越高（1 500轉(zhuǎn)），產(chǎn)生的細(xì)小纖維越多，從而會降低紙張的不透明度。細(xì)小纖維會增加紙張密度和提高纖維鍵合，從而使更多的光透過紙張。采用RED方法時，由于磨漿產(chǎn)生的細(xì)小纖維量較多，而后續(xù)酶的處理使其部分水解；因此，RED方法漿料的不透明度高于ERD方法。另一方面，采用ERD方法時，不透明度在磨漿后快速降低可能意味著纖維被破壞，磨漿會加重此現(xiàn)象，從而使在測定光散射系數(shù)和不透明度時光線通過紙張。

紙張的不透明度和松厚度有直接關(guān)系，而不透明度和挺度與松厚度有關(guān)；因此，采用RED方法時所制備的紙張的松厚度更高。

3.3.2白度

圖6顯示了RED和ERD方法對紙張白度的影響。

圖6　RED和ERD方法對紙張白度的影響

由圖6可見，經(jīng)過酶處理后，2種方法制備的手抄片白度都有所降低。該現(xiàn)象可能是由于酶處理對油墨粒子粒徑和油墨從纖維表面去除程度所致。值得注意的是，不同轉(zhuǎn)數(shù)對白度有一定影響。采用2種方法磨漿700轉(zhuǎn)時，手抄片白度稍有升高。這可能是由于磨漿過程中填料和灰分的去除所致。然而，在1 500轉(zhuǎn)時，采用ERD方法漿料的白度顯著降低，尤其是當(dāng)濃度升高時更為明顯；但是，采用RED方法時磨漿后的白度有所升高。其原因可能是磨漿后對漿料進(jìn)行生物酶處理，可使更多的油墨粒子從纖維表面去除。如圖6所示，與空白樣相比，采用RED方法所得手抄片白度大約增加1.5%，而采用ERD方法時白度降低約5%。

3.3.3有效殘余油墨濃度

圖7和圖8分別顯示了RED方法和ERD方法對紙漿ERIC變化趨勢的影響。

圖7　RED方法對紙漿ERIC變化趨勢的影響

圖8　ERD方法對紙漿ERIC變化趨勢的影響

由圖7和圖8可見：殘余油墨濃度的變化與紙張白度變化趨勢相反；生物酶和磨漿處理對紙漿ERIC的影響非常顯著。ERIC的升高表明，經(jīng)過酶處理和磨漿后，紙漿中的油墨粒子變得更加分散。2種方法都可造成油墨粒子粒徑的降低。采用RED方法時會產(chǎn)生大量自由的小粒徑的油墨粒子。其原因主要有2個：第1，磨漿會削弱油墨粒子對纖維表面的吸附；第2，酶處理所導(dǎo)致的水解進(jìn)一步促進(jìn)了油墨粒子的脫離。因此，這些自由的油墨粒子很容易在洗滌過程中去除；而采用ERD方法時，在纖維表面的油墨粒子數(shù)量較高，從而使油墨粒子保留在紙張中，導(dǎo)致白度的降低和ERIC的升高。

圖8表明，與空白樣相比，采用ERD方法時，經(jīng)過ER段處理后紙漿ERIC升高了83%；但是經(jīng)過脫墨后，ERIC僅降低1%（20×10-6）。采用RED方法時，經(jīng)過RE段處理的漿料ERIC升高29%（333×10-6），但是經(jīng)過脫墨后，ERIC降低約5%（92×10-6）。

以上結(jié)果表明，采用ERD方法所增加的ERIC會導(dǎo)致2個問題——紙張顏色變黑和油墨粒子粒徑降低，進(jìn)而降低浮選效率；因此，采用RED方法的紙漿的浮選效率比采用ERD方法約高5倍。

表2對比了2種方法制備手抄片最終的成紙性能。

表2　RED和ERD方法所制備手抄片的成紙性能

4　結(jié)論

（1）無論采用ERD方法還是RED方法，酶處理都會降低紙張機(jī)械性能、光學(xué)性能以及紙漿游離度，但會使ERIC升高。與酶處理不同，磨漿順序的不同（即在酶處理前或酶處理后）會造成紙漿性能變化有所不同。

（2）對酶處理和磨漿過程中纖維細(xì)纖維化、細(xì)小纖維產(chǎn)生和水解、纖維變短以及表面活化等進(jìn)行了討論。RED方法可產(chǎn)生更多細(xì)小纖維。其原因，一是因?yàn)槟{產(chǎn)生大量細(xì)小纖維，二是因?yàn)槊柑幚黼A段細(xì)小纖維的水解，從而改善了漿料的濾水性能。除此之外，RED方法還可獲得更好的強(qiáng)度性能和光學(xué)性能。

（3）采用ERD方法時對纖維和油墨粒子有負(fù)面影響。除了抗張強(qiáng)度外，ERD方法的磨漿段會破壞紙張的其他機(jī)械性能，且白度、不透明度都會降低，重要的是ERIC顯著升高，導(dǎo)致浮選效率的降低。

（4）采用RED方法可獲得更好的效果。與ERD方法相比，采用RED方法制備漿料的濾水性能更好。重要的是，磨漿后，不僅所有機(jī)械性能都有所增加，而且最終的成紙強(qiáng)度也有所提高；雖然不同磨漿轉(zhuǎn)數(shù)對漿料影響不同，但是采用該方法可明顯提高紙張的白度。與ERD方法相比，RED方法對紙漿的不透明的影響更??；此外，該方法對ERIC的負(fù)面影響也比ERD方法小。同時，采用RED方法的浮選效率比ERD方法高約5倍。

（宋順喜編譯）