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高取代度阳离子淀粉和瓜尔胶控制废纸浆胶粘物

发布日期:2015-02-08 14:32:37

高取代度阳离子淀粉和瓜尔胶控制废纸浆胶粘物和阳离子淀粉

高取代度阳离子淀粉和瓜尔胶控制废纸浆胶粘物,分别考察了髙取代度阳离子淀粉(HCS)、高取代度阳离子瓜尔胶(HCG)、聚胺(PA)等组成 的单一体系、二元体系以及三元体系控制废纸浆胶粘物的效果。结果发现,单一体系的效果均不理 想,而且HCS与HCG的效果差于PA;在化学品总用童相同条件下,二元体系明显优于单一体系, 三元体系的效果更佳。HCS、HCG和PA具有不同作用机理,尽管HCG的取代度(DS = 0.30)远小 于HCS(DS = 0.94), HCG的效果却好于HCS。电性中和理论能较好地解释浆料滤液阳离子需求童和 COD的变化,但对胶粘物去除效率和滤液浊度的变化等性能则不能完全解释。HCS与HCG控制胶粘 剂的机理可能涉及到与DCS间的氢键结合

在的胶粘物问题比较普遍而 难以解决。胶粘物的去除首先采用机械和物理的方 法,高取代度阳离子淀粉和瓜尔胶控制废纸浆胶粘物,在制浆过程中,优先采用高浓碎浆、新型的净化 设备和筛滤系统,然后再合理利用浮选脱墨和热分散 等工艺以及采用溶气气浮(DAF)等方法。但是即使最 有效的体系也不能将胶粘物杂质完全除去。由此残留 的胶粘物,大多属于微胶粘物(rnicrostickies)以及溶解胶体物质(dissolved & colloidal substances,简称 DCS),通常要借助化学或生物的方法去除或控制,涉 及的原理包括分散稳定、表面钝化、吸附、固定、生 化分解等。其中的化学固定法,在酸性抄纸条件下一 般可利用硫酸铝和聚合氯化铝等;在中碱性抄纸条件 下可利用聚胺、聚二甲基二烯丙基氯化铵、聚乙烯亚 胺等阳电荷密度高、分子质量低的聚合电解质。上述 方法因其使用方便、效果较佳而最被广泛采纳,相应 的这些化学助剂习惯上也已被称为固定剂(fixing agent 或fixative^]。但是目前已经发现使用传统的固定剂 将微胶粘物或DCS物质固定到纸张上,对纸张的物 理性能有不良的影响[2]。加之目前纤维回收利用次数 的增加和工程用水封闭程度的提高,纸的质量必然存 在逐渐变差的趋势,因此有必要寻找既能有效地控制 胶粘物又能抑制纸张质量下降的助剂或技术。已有少 量文献报道高取代度阳离子淀粉(high substituted 其是高取代度瓜尔胶(hi^i substituted cationic guar gum, 写为HCG)作为控制剂的报道则更少。理论上,这两 种天然高分子均具有多羟基结构和类似纤维素的独特 分子构型,决定它们与纸浆纤维有极好的亲和性,对 溶解于水中糖类与果胶类DCS成分也会有很好的 去除作用,甚至可以期待HCS或HCG与糖类或果胶 类DCS成分结合后生成的新产物对纸张有一定的增 强作用。本研究着重考察了 HCS和HCG用于控制废 纸浆胶粘物的效果。
1实验
1.1实验原料
HCS和HCG为本课题组自制产品,制备方法可 参照文献[5],并且经FOSS TECAT0R定氮仪测得 HCS的取代度(DS)为0.94, HCG的取代度为0.30; 聚胺(Polyamine, PA)固定剂由韩国娥林化学株式会社 提供,其阳离子电荷密度为6.8 _l/g固体;阳离 子聚丙烯酰胺(CPAM)助留剂由韩国成昌精密化学公 司提供,其电荷密度为4.8mmol/g固体;脱墨漂白 浆取自天津市今晚报纸厂(未加人胶粘物固定剂以及 任何湿部添加剂)。
1.2胶粘物控制效果评价
cationic starch,写为HCS)被用作树脂或胶粘物控制 
剂[34],但是总体来说这方面的研究还不够深人,尤收稿日期::娜必-29
以使用三元化学品作用系统的情况为例,先称取 100g湿浆料置于烧杯中,高取代度阳离子淀粉和瓜尔胶控制废纸浆胶粘物,加人一定量的PA溶液,搅
拌3 min后加人HCS或HCG溶液,再搅拌3 min后用 蒸馏水将浆浓稀释到0.5%,加人预先溶解成质量分 数0.1%的CPAM助留剂溶液,继续搅拌1 min,用 200目(74 ;im)滤网的动态滤水仪过滤,滤液收集在 烧杯中,然后用装有微滤玻璃纤维膜片的过 滤器过滤,将截留物(1.2~74fim胶体物质,下同) 干燥后称其质量。用Hanna公司的HI98304电导率 仪、MUtek公司的PCD 03pH-S颗粒电荷测定仪、Han¬na 公司的 LP2000-11 台式浊度仪以及 10 min 快速重铬 酸盐法分别测定微滤液的电导率、阳离子需求量、浊 度和COD含量。用上述各指标的变化综合表示胶粘 物的去除效率。
2结果与讨论
2.1单一体系控制胶粘物的效果
实验首先考察了浆料的特性,在此基础上用电性 中和理论计算完全中和水相中的阴离子垃圾物所需阳 离子助剂的用量。从表1可看出,浆料呈微碱性,电 导率较高,具有中等强度的阴离子性。由滤液阳离子 需求量为〇.57mmol/L可以求出,用电荷密度6.S _l/g的PA中和,理论上需要添加绝干浆的 0.20% 〇
表1脱墨漂白浆的特性分析
固含量/%pH值电导率/fiS,cm_1阳离子需求量/_〇1*!^_1
4.27.0521100.57
图1考察了单独使用HCS、HCG与PA时控制胶
粘物的效果。从图1可看出,加人助剂后,从截留物 含量的变化来看,当助剂用量<0.05%时,HCS和 HCG的效果与PA相当;当用量>0.05%时/HCS和 HCG的效果又差于PA。这说明有一部分胶粘物成分 阴离子密度不高,既容易被电荷密度相对较低的HCS 或HCG靠氢键结合除去,也容易被电荷密度较高的 PA靠电性中和除去。但尽管HCG的阳离子取代度远 小于HCS,其性能却好于HCS,说明不能单独用电性 中和理论来解释胶粘物的控制机理。比较合理的解释 是:借助于氢键作用,HCG直链上大部分伯羟基和 仲羟基都处于外侧,半乳糖支链并不遮住醇羟基,因 而HCG具有最大的氢键结合面积,氢键结合距离短、 结合力大;在水溶液中HCS分子比HCG更易形成螺 旋状结构,HCG分子则更多地形成直链结构,因此 HCG的活性基团比HCS更容易接近目标物,效果好 于 HCS。
从浊度的变化来看,优劣顺序也是PA>HCG> HCS,而且当助剂用量<0.05%时,滤液的浊度反而 高于未使用助剂的试样,这说明3种助剂均能和浆料 中的溶解物质发生作用,生成新的尺寸<1.2 fxm的 胶体物质,使浊度有一定程度的上升。这种现象表现 得最为明显的是HCS,HCG居中,PA最轻。
从滤液阳离子需求量的变化来看,PA的效果最 好,HCS次之,HCG最差。这与3种助剂电荷密度的 高低顺序是一致的,说明电性中和理论在考察阳离子 需求量的变化时比较正确。
• 18 •
万方数据
7060504030 V齋设±_併帷
-〇- HCSs ou
-A- HCG
PA540
0 20
\ 8 墨1〇
01
0.040.080.120,160.2
助剂用量/%
注助剂用量均相对于绝干浆,下同 图1单元体系控制胶粘物的效果
China Pulp & Paper Vol • 25,No ♦ 1,2006
滤液COD的变化表明,助剂用量<0.05%时,3种
助剂在除去COD成分方面效果相差不大。这部分 COD物质也可能阴离子密度不高,既容易被HCS或 HCG靠氢键结合等原理除去,也容易被PA靠电性中 和原理除去。但当助剂用量在0.10%以上时,使 COD减少率依次是PA > HCS > HCG,电性中和效果似 乎又占据了主导地位。
总体上,截留物含量和浊度指标比较适合考察胶 粘物的控制效果,高取代度阳离子淀粉和瓜尔胶控制废纸浆胶粘物,但它们的去除机理不能完全由电性 中和理论解释。电性中和理论用于解释阳离子需求量 的变化比较正确;助剂用量较高时,用于解释COD 含量的变化也基本可行。
另外,采用最好的单元体系,即PA单元体系, 当其用量为0.2%时,理论上浆中所有的阴离子杂质 均被中和,此时截留物的去除率在70%左右,滤液 浊度下降84%,阳离子需求量下降67%,COD&含量 下降47%,其控制胶粘物的效果总体上不够理想。 与PA相比,HCS或HCG的效果更差一些。
2.2二元体系控制胶粘物的效果
通过2.1的分析发现,在胶粘物的去除机理上, PA与HCS、HCG具有不同之处,因此将PA与HCS 或HCG配伍成二元控制体系,考察其对胶粘物的控 制效果,图2为实验结果。从图2可知,当PA用量 为0.1%、HCS或HCG用量为0.10%,即两者的总用 量为0.20%时,理论上并未能中和浆料中的所有阴 离子杂质,但截留物含量减少了 75% ~ 85%,滤液 浊度下降75% ~90%,阳离子需求量下降约56% ~ 59%, «»&含量下降49% ~ 59%,效果好于PA单 一体系在同等化学品总用量(0.2%)下的效果。*
另外,在二元体系中,HCG和HCS效果的差异 与在单元体系中也大致相似。如图2所示,在降低截 留物含量和微滤液浊度上,HCG好于HCS,说明 HCG与PA的配伍,使控制胶粘物的范围更为广谱 化。但在降低阳离子需求量和COD上,HCS又好于 HCG,此时HCS的高电荷性起重要作用。
2.3三元体系控制胶粘物的效果
有文献报道[fr7],利用固定剂与助留剂的协同作 用可以更好地控制胶粘物,因此将PA与HCS、HCG 配伍作为胶粘物固定剂,再将CPAM作为助留剂后构 成三元体系,考察其控制胶粘物的效果。从图3看 到:①三元体系的胶粘物控制效果好于二元体系;② 在三元体系中,HCG控制胶粘物的综合效果好于 HCS,但在降低阳离子需求量和COD上,HCS仍好于 HCG。当PA、HCG和CPAM的用量分别为0.10%, 0.05%和0.05%时,理论上也未将浆料中的所有阴离 子杂质中和,但此时截留物的去除率高达93%,浊 度下降95%,阳离子需求量下降60%, C0D&含量下 降56%,效果较佳。
图4展示的是使用三元控制体系后微滤薄膜上截 留物的照片,高取代度阳离子淀粉和瓜尔胶控制废纸浆胶粘物,从中可以更直观地看到利用HCS和 HCG的三元体系控制胶粘物的效果。
.1单一体系用于胶粘物控制的效果不甚理想,而 且HCS和HCG差于PA;二元体系的效果好于单一体
系;三元体系的效果更佳。另外,尽管HCG的阳离 子取代度远小于HCS, HCG的效果却好于HCS。
3.2胶粘物控制剂作用时,浆料滤液的阳离子需求 量和COD含量的变化规律基本符合电性中和理论, 但胶体物含量和浊度的变化规律不能完全由电性中和 理论解释。合理的胶粘物控制机理应综合考虑助剂的 分子构型、电荷密度、分子质量大小与分布以及助剂 与胶粘物成分间包括电性中和、补丁、架桥,甚至氢 键结合等多种作用方式。
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