硅酸鈉對(duì)紙機(jī)濾水及系統(tǒng)沉積物的影響

由于硅酸鈉具有與多價(jià)金屬離子絡(luò)合等性能，因而在廢紙脫墨及常規(guī)過氧化氫漂白中被廣泛應(yīng)用；然而，硅酸鈉在應(yīng)用中也存在著不足，如在設(shè)備和管道內(nèi)易產(chǎn)生沉積/結(jié)垢等問題，影響紙機(jī)正常運(yùn)行，降低生產(chǎn)效率。該文首先討論了在廢紙脫墨過程中不使用硅酸鈉時(shí)的助留劑和使用助留劑+硅微粒子的助留/助濾方案對(duì)濾水性的影響，然后利用硅酸鈉與黏度存在的依存關(guān)系，結(jié)合黏度的測(cè)定，闡述硅酸鈉與形成對(duì)紙機(jī)運(yùn)行有潛在危害的沉積物的紙張涂料之間的相互影響。

1　序言

近年來，影響紙機(jī)脫水效果、造成沉積物原因之一的是作為生產(chǎn)原料的廢紙中的硅酸鈉殘留物。實(shí)踐證明，硅酸鈉除了在浮選法脫墨過程中作為漂白助劑外，還有其他方面的好處；但硅酸鈉在應(yīng)用中也存在著不足，有報(bào)告認(rèn)為，紙機(jī)由此產(chǎn)生的一些問題，情況令人擔(dān)憂：試圖增加廢紙漿用量、節(jié)約清水用量的造紙廠都經(jīng)歷了分散性膠體狀溶解物增加給紙機(jī)操作帶來困難；同時(shí)，造成問題原因之一的膠體穩(wěn)定性變得無法控制等。這些物質(zhì)通常被稱為陰離子垃圾，其成分為黏性粒子/黏著物、油墨、染料、生物有機(jī)體、金屬、鹽類、脂肪酸和硅酸鈉等。

2　硅酸鈉在脫墨過程中的應(yīng)用

2.1在脫墨過程中應(yīng)用硅酸鈉的優(yōu)點(diǎn)

硅酸鈉作為化學(xué)品之一被用于過氧化氫漂白，通過與多價(jià)金屬離子形成絡(luò)合物，能夠穩(wěn)定過氧化氫周圍的環(huán)境。廢新聞紙脫墨時(shí)，在過氧化氫中添加1%～3%的硅酸鈉，就能提高ISO白度4.5～9百分點(diǎn)。另外，在其他試驗(yàn)中，添加0.5%～3.5%的硅酸鈉，在不用螯合劑的情況下，只用1%過氧化氫就能提高ISO白度2～4.5百分點(diǎn)；而添加螯合劑時(shí)最多只能提高2百分點(diǎn)。

在采用50%廢新聞紙（ONP），50%廢雜志紙（OMG）為生產(chǎn)原料進(jìn)行的試驗(yàn)中，添加硅酸鈉提高了漂白效果，ISO白度提高了2～4百分點(diǎn)。在分別添加2.5%和5%硅酸鈉的應(yīng)用中，白度均能再提高2百分點(diǎn)，改善了脫墨性能；但是，在100%高檔涂布文化用紙脫墨時(shí)，添加硅酸鈉使纖維流失量增加，紙的脫墨性下降，同時(shí)產(chǎn)生大量油墨微粒，對(duì)脫墨性能造成了很大的影響。

研究人員認(rèn)為，硅酸鈉和鈣的絡(luò)合是發(fā)揮其作為脫墨助劑強(qiáng)大功能的原因。硅酸鈉和鈣相互作用產(chǎn)生的輔助作用減少了紙漿損失，降低了浮選時(shí)抑制填料分離的可溶性鈣離子。另外一種解釋是，因?yàn)楣杷嵋种屏死w維與飛沫的附著，改善了纖維從泡沫中的排出，減少了纖維損失。硅酸粒子在泡沫中的分散改變了泡沫的性質(zhì)，控制了水的流失。由于水流失的減少，纖維及微細(xì)纖維、填料的損失也變少；不過，油墨去除率變低。

硅酸鈉用量每增加1%，堿度相應(yīng)上升0.11。另外，硅酸鈉除了具有作為促進(jìn)油墨去除的滲透劑功能外，還具有作為碎漿機(jī)的分散劑，防止油墨再吸附，與肥皂（脂肪酸鹽）一起促進(jìn)油墨捕集的作用，甚至還有pH緩沖劑的作用。

這些初期研究，是在為了測(cè)定影響白度、油墨再吸附及油墨分散良好與否的指標(biāo)，即油墨微粒子而引進(jìn)的殘留油墨濃度測(cè)定法（ERIC）之前進(jìn)行的。有研究人員在進(jìn)行緩沖pH、消除硅酸鈉對(duì)堿度影響的試驗(yàn)時(shí)，通過添加2%硅酸鈉，碎漿5 min，使油墨的碎化率下降了9%，油墨的再吸附也減少了20%。這證實(shí)了以前研究提到的，硅酸鈉具有防止油墨再吸附，促進(jìn)油墨的分離/凝聚的作用。有人認(rèn)為，其機(jī)理是降低了碎漿時(shí)纖維間的摩擦。

2.2在脫墨過程中應(yīng)用硅酸鈉存在的問題

據(jù)報(bào)告，在脫墨過程中使用硅酸鈉存在的問題主要有2點(diǎn)：一是在脫墨/碎漿時(shí)添加硅酸鈉時(shí)，出現(xiàn)沉積/結(jié)垢問題及對(duì)紙機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的影響；另一個(gè)問題是，殘留硅酸鈉進(jìn)入紙機(jī)，可能降低陽離子聚丙烯酰胺這類助留劑的助濾作用。

用5%～50%的硅酸鈉高添加量和助留劑進(jìn)行了試驗(yàn)，結(jié)果存在較大的偏差，但在只使用硅酸鈉的情況下，濾水時(shí)間最大增加了20%。當(dāng)硅酸鈉用量增加到2%時(shí)，助留劑的助濾作用完全消失。圖1顯示了不添加和添加硅酸鈉（1.2%），對(duì)各種助留劑濾水性的影響。試驗(yàn)條件：熱磨木漿干漿，用軟水稀釋，不加硫酸鋁，pH=5；試驗(yàn)的助留劑有非粒子聚乙烯胺（NI PVAM）、低相對(duì)分子質(zhì)量陽離子聚丙烯酰胺（LMW-CPAM）、中相對(duì)分子質(zhì)量陽離子聚丙烯酰胺（MMW-CPAM）、高相對(duì)分子質(zhì)量陽離子聚丙烯酰胺（HMW-CPAM）、聚季胺（PQ）、聚酰胺-胺（PAMAM）、高陽離子型聚乙烯亞胺（HiCAT PEI）和改性聚乙烯亞胺（Mod PEI）。

圖1　添加硅酸鈉對(duì)各種助留劑濾水性的影響

圖2顯示了在0.2%～0.4%硅酸鈉低用量條件下的試驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)條件：網(wǎng)前箱紙漿，10%亞硫酸鹽漿，67%熱磨漿，23%漂白化學(xué)磨木漿，不加硫酸鋁，不加硅酸鈉，pH=3.6；試驗(yàn)的助留劑有聚氧化乙烯（PEO）、聚丙烯酰胺（CPAM）和膨潤土（Bent）。

根據(jù)這一試驗(yàn)可以知道，空白樣的脫水時(shí)間縮短，膨潤土+CPAM組合的脫水時(shí)間幾乎沒有變化，PEO助留劑的脫水時(shí)間延長(zhǎng)。

有研究表明，如果添加硅酸鈉，當(dāng)硅酸鈉殘留量超過300×10-6時(shí)，還會(huì)影響雙元助留劑對(duì)污水澄清池的處理。另外，如果生產(chǎn)新聞紙的網(wǎng)前箱中的硅酸鈉殘留量超過90×10-6，只用聚合物助留劑，灰分單程留著率將下降。這是因?yàn)闅埩艄杷徕c對(duì)助留劑起到了陰離子垃圾的作用，增加了助留劑的負(fù)荷。如前所述，這將對(duì)聚合物助留劑及澄清用聚合物，特別是PEI及CPAM產(chǎn)生不利影響。

作為［生產(chǎn)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查·無油墨計(jì)劃（Free Ink Program）］的一環(huán)，圖3顯示了采用硅鉬酸水合物法用分光光度測(cè)定儀測(cè)定了硅酸殘留量，是從生產(chǎn)新聞紙的脫墨車間調(diào)查獲得的數(shù)據(jù)曲線（樣品為最終的脫墨漿，硅酸鈉殘留量范圍是造紙行業(yè)的典型樣本）。

圖2　硅酸鈉低用量條件下對(duì)各種助留劑濾水性的影響

圖3　在新聞紙脫墨車間測(cè)定的硅酸鈉殘留量

由圖3可見，硅酸鈉用量低于0.5%時(shí)，處理過程結(jié)束時(shí)的硅酸鈉殘留量隨著硅酸鈉用量的增加而增加，而超過這一用量時(shí)，除了4個(gè)樣本外，硅酸鈉無論添加多少，過程結(jié)束時(shí)的最大硅酸鈉殘留量都在100×10-6～150×10-6之間。

根據(jù)各種不同操作，需要考慮硅酸鈉在碎漿時(shí)對(duì)過氧化氫的漂白/保護(hù)作用和降低油墨再吸附，抑制油墨碎化，改善浮選時(shí)的泡沫等好處和它在生產(chǎn)設(shè)備上的沉積以及與在澄清池及紙機(jī)上使用的助留劑相互作用之間的平衡。70%的紙廠硅酸鈉用量都不超過1.5%，以保證使用硅酸鈉帶來的好處，減少其負(fù)面作用。根據(jù)紙廠的報(bào)告，在只添加肥皂的情況下，硅酸鈉大用量能促進(jìn)油墨的分離與去除（在不使用非離子表面活性劑的情況下）。與此正好相反，在只使用非離子表面活性劑的操作條件下，有時(shí)候完全不用硅酸鈉。雖然未報(bào)告限制（使用）硅酸鈉的原因，但已經(jīng)確認(rèn)，在很多操作中，增加硅酸鈉用量是紙機(jī)上產(chǎn)生沉積物的原因之一。本文通過分析機(jī)構(gòu)的研究證實(shí)了硅酸鈉對(duì)助留劑的影響，硅酸鈉大用量對(duì)沉積物表現(xiàn)的影響，以及可能成為紙機(jī)沉積物原因的之一。

3　試驗(yàn)

試驗(yàn)采用浮選法脫墨、為測(cè)定紙機(jī)用漿的差別進(jìn)行的脫水試驗(yàn)、黏度測(cè)定等3部分構(gòu)成。每批浮選法脫墨50 g，為獲得足夠的用于脫水試驗(yàn)的紙漿，每種條件下需要進(jìn)行3次浮選。

分析室浮選使用50 g的70%ONP+30%OMG，在12%濃度下，用攪拌器碎漿10 min，然后稀釋到1%供浮選用。采用了以下3種碎漿條件：不添加硅酸鈉；為獲得相同性質(zhì)的紙漿，控制排渣在相同排渣率進(jìn)行碎漿；添加1%或2%的硅酸鈉進(jìn)行碎漿。脫墨過程使用了6 min放射排出脫墨式浮選（FRED）槽，除去油墨，回收排渣，稱重，測(cè)定灰分。

用動(dòng)態(tài)脫水試驗(yàn)機(jī)（DDA），分別測(cè)定添加和不添加化學(xué)品時(shí)的稀漿濾水特性，測(cè)定真空條件下的網(wǎng)上紙漿濾水速度。研究者認(rèn)為，根據(jù)這一測(cè)定，能夠獲得使紙漿盡快脫水所需要的化學(xué)品種類和用量。在該助留研究中，測(cè)定了只用CPAM和同時(shí)使用0.5 kg/t硅微粒子的數(shù)據(jù)。

有關(guān)硅酸鈉黏度測(cè)定結(jié)果引用了為重現(xiàn)前人研究時(shí)的碎漿機(jī)處理?xiàng)l件和黏性物質(zhì)評(píng)價(jià)而進(jìn)行的另一次試驗(yàn)結(jié)果。根據(jù)這一初期試驗(yàn)結(jié)果，硅酸鈉與黏度存在著出乎預(yù)料的關(guān)聯(lián)，為此進(jìn)行了追加試驗(yàn)，確認(rèn)了硅酸鈉的添加對(duì)黏度的影響。膠體狀膠粘物的測(cè)定是基于樣本分類和對(duì)總有機(jī)物含量進(jìn)行的測(cè)定。含有丁苯橡膠樹脂（SBR）的涂布紙?jiān)跍囟?5℃、濃度15%的條件下碎漿20 min，稀釋到3.5%濃度，收集濾液，測(cè)定黏度和膠體狀黏性物質(zhì)。然后，在80℃溫度下加熱20 min，確認(rèn)了在PET（聚酯）試驗(yàn)片上吸收黏性物質(zhì)時(shí)的黏度和黏性物質(zhì)的變化。

4　結(jié)果與分析

如前所述，到目前為止，研究人員已經(jīng)證實(shí)硅酸鈉用量對(duì)排渣有很大的影響。本次研究的目的是，希望在添加硅酸鈉和不添加硅酸鈉的情況下，都能保持相同的脫墨性能和固形物損失。如表1所示。

表1　浮選法脫墨的結(jié)果

由表1可見：硅酸鈉用量從0%～2%，排渣量的變化在50 g之內(nèi)；通常，這一數(shù)值與分析所得的數(shù)值接近，生產(chǎn)中看不到這樣的數(shù)值；白度、排渣的灰分含量也處在添加硅酸鈉時(shí)看到的數(shù)值相同的范圍內(nèi)。除了不添加硅酸鈉和添加1%硅酸鈉的情況外，浮選時(shí)的這種相似性意味著濾水試驗(yàn)時(shí)的灰分和纖維量相同。濾水試驗(yàn)只觀察了添加1%硅酸鈉的情況。

圖4顯示了硅酸鈉對(duì)網(wǎng)前箱的紙漿脫水時(shí)間的影響。

圖4　硅酸鈉對(duì)網(wǎng)前箱的紙漿脫水時(shí)間的影響

由圖4可見：不使用助留劑時(shí)的濾水速度約為20 s，基本不變；在只使用CPAM的條件下，不添加硅酸鈉的濾水時(shí)間大約變快5 s；而當(dāng)添加硅酸鈉時(shí)，濾水時(shí)間變慢，為原時(shí)間的4倍；在不加硅酸鈉、添加CPAM和硅微粒子的條件下，濾水時(shí)間縮短到了10 s；添加硅酸鈉時(shí)，濾水時(shí)間成倍增加到了20 s，與不用助留劑時(shí)的濾水時(shí)間大體相同。根據(jù)這一研究，證實(shí)了根據(jù)研究初期的考察內(nèi)容和大規(guī)模生產(chǎn)所報(bào)告的論點(diǎn)；也就是說，沒有硅酸鈉的脫墨，給助留劑的性能帶來了很大的影響。與此同時(shí)，濾液的濁度大幅下降，見圖5。

圖5　硅酸鈉對(duì)網(wǎng)前箱的濾液濁度的影響

在測(cè)定添加與不添加硅酸鈉條件下的黏度時(shí)，確認(rèn)了硅酸鈉與黏性物質(zhì)的相互作用。意外的是，添加硅酸鈉顯著降低了黏度。這一觀點(diǎn)通過在硅酸鈉用量為0%～2%時(shí)，黏度較低，膠體狀膠粘物和濁度變高得到了確認(rèn)，分別見圖6和圖7。

圖6　硅酸鈉對(duì)碎漿機(jī)中的黏度及膠體狀膠粘物量的影響

圖7　硅酸鈉對(duì)碎漿機(jī)中的黏度及濁度的影響

由圖6可見，硅酸鈉用量超過0.5%時(shí)，黏度下降。它的下降可能是由于硅酸鈉與黏性物質(zhì)形成了絡(luò)合，使之失去了黏性。由圖7可見，伴隨著硅酸鈉/ SRB粒子絡(luò)合物的形成，發(fā)現(xiàn)濁度上升，硅酸鈉用量從0%增加至0.5%，再增加至1%，濁度每次都上升500 NTU，硅酸鈉從1%增加至1.5%時(shí)，濁度上升了1 500 NTU。這一現(xiàn)象，和硅酸鈉用量超過0.5%后硅酸鈉殘留量的平衡趨勢(shì)（圖3），以及考慮到系統(tǒng)的污染問題，超過0.5%的用量時(shí)硅酸鈉將進(jìn)入紙機(jī)系統(tǒng)，誘發(fā)系統(tǒng)污染等，都需要充分考慮?；谇叭说难芯浚鳛闉橹噩F(xiàn)碎漿機(jī)處理?xiàng)l件和黏性物質(zhì)評(píng)估而進(jìn)行的試驗(yàn)的一個(gè)環(huán)節(jié)，將在45℃溫度下碎解的紙漿在80℃溫度的槽水中浸泡20 min。這一高溫促進(jìn)了黏性物質(zhì)向置于強(qiáng)制吸收分析裝置中的PET薄片的轉(zhuǎn)移。我們進(jìn)行這一評(píng)價(jià)的目的是為了了解不同溫度對(duì)黏度的影響（試驗(yàn)條件：涂布紙碎漿中SBR用量為3.5%）見圖8。

圖8　添加硅酸鈉的情況下溫度對(duì)黏度的影響

由圖8可見，在任何情況下，黏度都隨硅酸鈉用量的增加而下降；但在硅酸鈉用量為2%時(shí)，情況大為不同，即45℃溫度處理的與80℃溫度處理的紙漿相比，黏度成倍增加。這表明，在到達(dá)紙機(jī)烘缸前，硅酸鈉-SBR絡(luò)合物粒子活性還不大，隨著溫度上升，絡(luò)合物分解變成具有黏性的粒子。硅酸鈉用量為1.5%時(shí)，45℃溫度和80℃溫度的黏度相同，硅酸鈉用量為2.5%時(shí)，黏度成倍增加。這就是為什么亞洲的新聞紙生產(chǎn)企業(yè)的硅酸鈉用量幾乎都不超過1.5%的原因。

5　結(jié)論

（1）在用CPAM或者硅微粒子＋CPAN組合作為助留劑的情況下，如脫墨前在碎漿機(jī)內(nèi)添加硅酸鈉時(shí)，濾水速度變慢2～4倍。

（2）不加硅酸鈉，以硅微粒子＋CPAM組合用作助留劑，脫水時(shí)間縮短50%。

（3）硅酸鈉用量為1%時(shí)，濾水的濾液濁度上升40%～130%。

（4）只使用CPAM，硅酸鈉用量為1%時(shí)，濾液濁度僅輕微下降，但脫水速度下降四分之一。

（5）添加硅酸鈉降低了黏度，增加了膠體狀膠粘物的量和濁度，濁度的大幅度提高說明硅酸鈉和SBR形成了絡(luò)合物。

（6）在硅酸鈉用量為0．5%、溫度超過80℃條件下，碎漿后未發(fā)現(xiàn)形成的硅酸鈉-SBR絡(luò)合物粒子對(duì)黏度的影響。

（7）當(dāng)硅酸鈉用量為1．5%時(shí)，無論溫度是45℃還是80℃，硅酸鈉-SBR絡(luò)合物粒子的黏度相同。

（8）當(dāng)硅酸鈉用量為2%時(shí)，黏度比不添加硅酸鈉時(shí)低65%、但在溫度超過80℃時(shí)，黏度成倍增加。其機(jī)理可能是因?yàn)轲ば晕镔|(zhì)在幾乎未檢出前就直接進(jìn)入了抄紙機(jī)，隨著紙機(jī)烘缸溫度的上升，黏度突然增加，形成了膠粘物。

（杜偉民編譯）