廢紙漿纖維篩分級(jí)分的光學(xué)性能研究

廢紙漿纖維篩分級(jí)分的光學(xué)性能研究

脫墨漿生產(chǎn)的趨勢(shì)是通過降低能耗和簡化脫墨工藝以提高效益。然而，鑒于環(huán)境保護(hù)和經(jīng)濟(jì)效益的壓力，以及對(duì)最終產(chǎn)品質(zhì)量要求的提高，卻使得脫墨漿生產(chǎn)工藝越來越復(fù)雜，產(chǎn)品成本不斷增加。基于纖維分級(jí)的脫墨漿生產(chǎn)（將脫墨漿纖維篩分為長纖維級(jí)分和短纖維級(jí)分）或許可以成為改善成紙質(zhì)量、提高脫墨漿生產(chǎn)工藝成本效率的一種方法。該研究通過測(cè)定長、短纖維級(jí)分的白度、油墨及灰分含量以發(fā)現(xiàn)回用纖維漿中纖維的光學(xué)性能變化；纖維級(jí)分的性能用通過率和可選擇性表征。研究表明，廢紙漿脫墨處理前，先用壓力篩將纖維分級(jí)，而后只對(duì)短纖維級(jí)分進(jìn)行浮選，對(duì)長纖維級(jí)分進(jìn)行分離，與傳統(tǒng)的脫墨漿生產(chǎn)工藝相比，可以降低能耗以及化學(xué)品的用量。

在脫墨漿生產(chǎn)過程中，大部分能耗用于分離纖維上的油墨以及浮選、洗滌等后續(xù)工段將其去除。采用高效的篩分方法，通過只分離所需纖維級(jí)分可以降低分離的要求。然而，目前脫墨漿中的纖維分級(jí)處理仍是很少見。

目前的研究旨在通過測(cè)定長、短纖維級(jí)分的白度、油墨和灰分含量以發(fā)現(xiàn)回用纖維漿中纖維的光學(xué)性能變化（回用纖維通過多級(jí)壓力篩篩分后得到長、短纖維級(jí)分）。纖維級(jí)分的性能用通過率（表征了壓力篩的效率）和可選擇性表征，其主要取決于工藝參數(shù)，如體積篩渣率、質(zhì)量篩渣率等。

本研究的結(jié)論基于以下假設(shè)：廢紙漿進(jìn)行脫墨處理前，用壓力篩將纖維分級(jí)，只對(duì)短纖維級(jí)分進(jìn)行浮選處理，長纖維級(jí)分進(jìn)一步分離。此假設(shè)源于先前的研究，研究中考慮了長纖維級(jí)分的潔凈度，以及浮選和分離處理的能耗和得率。

1 原料與方法

1.1 原料

廢紙：本實(shí)驗(yàn)用到的廢紙是新聞紙（ONP）和雜志紙[OMG，由超級(jí)壓光紙（SC）和低定量涂布紙（LWC）組成]的混合廢紙，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)及各自的紙齡和灰分如表1所示。

表1 混合廢紙的物理性能

化學(xué)品：碎漿時(shí)用到了堿性表面活性劑LS 564，使用前先進(jìn)行輕微的分散。化學(xué)品名稱及其用量如表2所示。

表2 化學(xué)品名稱及用量

1.2 操作步驟

廢紙漿的制備是在中試車間完成的。主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備有：碎漿機(jī)、貯漿槽、縫篩（縫寬0.15 mm）、夾網(wǎng)式網(wǎng)壓機(jī)、預(yù)熱器及錐形分散器。

廢紙連續(xù)碎解20 min，漿濃為16%，能耗為20 kW·h/t。實(shí)驗(yàn)所使用水的溫度為50℃。為了縮短漿料制備時(shí)間，實(shí)驗(yàn)同時(shí)使用了3個(gè)碎漿機(jī)，碎解后，用熱的自來水連續(xù)沖洗碎漿機(jī)，并將漿料稀釋至2.3%用于篩分。稀釋后的漿料循環(huán)通過一個(gè)篩板以除去粗大的雜質(zhì)。篩分后的良漿在雙網(wǎng)壓榨機(jī)中增濃至30%。漿料中約25%的絕干物料通過網(wǎng)部進(jìn)入過程水中。但是，此部分過程水用于纖維分級(jí)階段漿料的稀釋，因此該操作過程并無得率損失。增濃后，將漿料分散以去除油墨。分散前將溫度調(diào)至85℃，分散時(shí)漿料濃度約為30%。分散器勻速運(yùn)轉(zhuǎn)，平均能耗為60 kW·h/t。

篩分：篩分用到的設(shè)備有300 L的貯漿槽、泵和壓力篩。篩板的縫寬為0.06 mm。纖維級(jí)分比例為35%長纖維（篩渣）和65%短纖維（良漿）。溫度為25～30℃。Ⅰ級(jí)篩分階段，漿料濃度用過程水稀釋至1.2%；Ⅱ級(jí)和Ⅲ級(jí)篩分階段，用自來水將長纖維級(jí)分稀釋至1.2%。篩分分3步完成，如圖1所示（SF表示短纖維級(jí)分，LF表示長纖維級(jí)分）。

圖1 篩分過程圖

為了測(cè)定光學(xué)性能，如白度、殘余油墨量和塵埃斑點(diǎn)等，實(shí)驗(yàn)制備了絕干質(zhì)量為5 g、厚度為150 mm的手抄片。然后用分光光度計(jì)分析白度和殘余油墨量。對(duì)于殘余油墨量的測(cè)定，所用儀器的光波長為700 nm，散射系數(shù)為55 m2/g。通過對(duì)3張手抄片進(jìn)行DOMAS圖像分析（恒定閾值為150）測(cè)定斑點(diǎn)數(shù)量。由于用稀釋的漿料（篩分后的良漿，短纖維級(jí)分）未能成功制備所需手抄片，所用手抄片通過玻璃纖維濾紙（50 mm）和0.15 g漿料制備得到。

超速洗滌：超速洗滌就是在150網(wǎng)目的篩分設(shè)備上對(duì)漿料（絕干10 g）進(jìn)行洗滌，水流速度為8 L/min，洗滌10 min。留在網(wǎng)篩上的纖維加以收集用于手抄片的制備。

計(jì)算：下列公式是由壓力篩的參數(shù)推導(dǎo)得出的。篩分時(shí)，篩渣是指長纖維級(jí)分，良漿指短纖維級(jí)分。壓力篩篩分效果用篩渣率（RR）表示。篩渣率是指篩渣與原料總量的比率，可以通過體積法[公式（1）]也可以由質(zhì)量法[公式（2）]計(jì)算得到。對(duì)于多級(jí)篩分體系，總篩渣率體積法或質(zhì)量法，公式（3）可以通各級(jí)篩渣率相乘得到。

式中：mr為漿渣的流速，以絕干質(zhì)量表示，t/s；mf為漿料的流速，以絕干質(zhì)量表示，t/s；cr為漿渣的濃度，%；cf為漿料的濃度，%；Vr為漿渣的流速，以干體積表示，m3/s；Vf為漿料的流速，以干體積表示，m3/s。

下列公式用于表征壓力篩的性能。通過率[公式（4）]提供了一種表征壓力篩性能的實(shí)用的方法（篩渣率以小數(shù)而不是百分?jǐn)?shù)表示）。

篩分效率可用篩分指數(shù)[公式（5）]表示，它表征了篩分時(shí)對(duì)纖維的選擇性。篩分系數(shù)定義如下：為了使F I有一個(gè)統(tǒng)一的、有限的范圍，具有較小值X的級(jí)分被定義為級(jí)分I。因此，F(xiàn) I總是介于0和1之間。

式中：XⅠ為Ⅰ級(jí)篩分時(shí)X的平均值；XⅡ?yàn)棰蚣?jí)篩分時(shí)X的平均值。

本研究中，由于待分離油墨尺寸比篩縫縫寬小的多，因此將殘余油墨量作為一種性能單獨(dú)測(cè)定。假設(shè)游離的油墨顆?？梢酝ㄟ^壓力篩。因此長、短纖維級(jí)分中的游離油墨的量[公式（6）]可以分別通過公式（7）和公式（8）從理論上計(jì)算得到。

式中：XRI，Tot為樣品中殘余油墨總量，10-6；XRI，HW為超速洗滌后殘余油墨量，10-6。

式中：XRI，A為良漿中殘余油墨量，10-6；XRI，F(xiàn)為漿料中殘余油墨量，10-6；XRI，R為漿渣中殘余油墨量，10-6。

2 結(jié)果

篩分過程如圖1所示。圖1同時(shí)給出了各階段漿料濃度。原料中，纖維長度為1.3 mm，短纖維級(jí)分纖維長度為0.8 mm，長纖維級(jí)分纖維長度為1.6 mm。超速洗滌只用于洗滌長纖維級(jí)分和原料。本研究的結(jié)果是3個(gè)試驗(yàn)樣品的平均值。

各級(jí)篩分階段白度變化如圖2所示。對(duì)應(yīng)的殘余油墨量變化和灰分含量變化分別如圖3和圖4所示。

由圖2可見，短纖維級(jí)分的白度明顯小于長纖維級(jí)分，原因是短纖維級(jí)分中殘留了較多的油墨。

各級(jí)篩分階段長纖維級(jí)分成紙中直徑范圍為50～200 μm的斑點(diǎn)面積如圖5所示。

圖6為篩分前及各篩分階段纖維級(jí)分成紙中直徑大于200 μm的斑點(diǎn)面積。

由圖6可見，尺寸較大的斑點(diǎn)直徑大于200 μm。隨著篩分的進(jìn)行，小尺寸斑點(diǎn)數(shù)量基本不變，而大尺寸斑點(diǎn)聚集到長纖維級(jí)分中。

圖2 長、短纖維級(jí)分白度變化

圖3 長、短纖維級(jí)分殘余油墨量變化

圖4 長、短纖維級(jí)分灰分變化

圖5 篩分前以及各篩分階段長纖維級(jí)分成紙中斑點(diǎn)面積

圖6 篩分前及各篩分階段長纖維級(jí)分成紙中斑點(diǎn)面積

最終纖維級(jí)分的白度和殘余油墨量如圖7和表3所示（圖7表示篩分前漿的長纖維和短纖維的白度、超速洗滌后漿料的白度以及超洗滌后長纖維級(jí)分的白度；表3列出了相應(yīng)的殘余油墨量）。

圖7 篩分前長、短纖維級(jí)分采用不同方式處理前后的白度

表3 漿料中殘余油墨量 10-6

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，長纖維級(jí)分的白度最大。超速洗滌后長纖維級(jí)分白度略小于篩分前超速洗滌漿料的白度（小0.6%）。篩分時(shí)，仍有較多游離的油墨顆粒殘留在長纖維級(jí)分上（約300×10-6）。超速洗滌階段，長纖維級(jí)分的得率約為87%。

圖8顯示了由篩分指數(shù)F IRI與通過率PP的函數(shù)關(guān)系表示的篩分結(jié)果。

圖8 篩分指數(shù)F IRI與通過率PP的函數(shù)關(guān)系

根據(jù)油墨量計(jì)算得到了3個(gè)篩分指數(shù)：第1個(gè)基于實(shí)驗(yàn)中總殘余油墨量計(jì)算得到；第2個(gè)篩分指數(shù)計(jì)算中，減去了附著油墨的量[見公式（6）]；第3個(gè)表示為根據(jù)公式（7）和（8）計(jì)算得到的理想曲線。假設(shè)篩渣率為35%，漿料中游離的殘余油墨量通過對(duì)3個(gè)樣品取平均值得到，為1 033×10-6。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到的結(jié)果遠(yuǎn)小于理論值。如在計(jì)算中考慮附著油墨量時(shí)，結(jié)果與理論值很接近。

3 討論

長纖維級(jí)分的白度高于短纖維級(jí)分以及篩分前漿料的白度。這一結(jié)果與其他研究得出的結(jié)論是一致的。長纖維級(jí)分白度較高的一個(gè)主要原因是殘余油墨隨漿料流進(jìn)入了短纖維級(jí)分?；曳峙c油墨的性能極為相似，這也不足為奇，因?yàn)榛曳殖叽缭谟湍w粒尺寸范圍內(nèi)。

篩分時(shí)，無論是長纖維級(jí)分還是短纖維級(jí)分，在后續(xù)的各級(jí)篩分階段，白度增加，殘余油墨量減少。這是由于相較于前一級(jí)篩分，后一級(jí)篩分階段原料潔凈度較高。然而，潔凈度增加的幅度間接表明對(duì)篩分的要求以及游離油墨的選擇性也提高了。

理論上，大尺寸雜質(zhì)（大于 200 μm）會(huì)混合進(jìn)入長纖維級(jí)分。視覺觀察到的結(jié)果也證實(shí)了這一點(diǎn)。而相對(duì)較小的雜質(zhì)（50～200 μm）數(shù)量基本保持不變，盡管這些雜質(zhì)應(yīng)該會(huì)混合進(jìn)入長纖維級(jí)分中。這是由于壓力篩的篩縫較窄（60 μm）的緣故。然而，對(duì)短纖維級(jí)分的視覺觀察發(fā)現(xiàn)只有較少的肉眼可見的雜質(zhì)具有較高的分離效率。

對(duì)于游離油墨，通過控制低通過率以達(dá)到高選擇性。若待分離漿料的流速是預(yù)先設(shè)定的，提高選擇性的主要方法是降低篩分系統(tǒng)的篩渣率。在某一級(jí)篩分階段，如果漿料的濃度較小，降低篩渣率是可行的。當(dāng)篩分分幾級(jí)完成時(shí)，降低體系總的篩渣率也不是不可行的。篩板在可選擇性方面起的作用很小，這是由于大部分油墨已被分離，因此尺寸較小的油墨顆粒會(huì)通過篩板。對(duì)于附著在纖維上的油墨，如果通過篩縫的纖維較少，油墨可以選擇性地混合進(jìn)入長纖維級(jí)分中。這可以通過控制篩板的幾何特性進(jìn)行控制，如選擇篩縫較窄的篩板。

結(jié)果表明基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到的篩分指數(shù)接近于理論值。實(shí)驗(yàn)值與理論值之間微小的偏差可能是由于灰分含量敏感性分析的變化所致；當(dāng)測(cè)定殘余油墨量時(shí)，在散射系數(shù)中考慮灰分含量，實(shí)際篩分指數(shù)值可能會(huì)很大，因此更接近于理論值。油墨的可選擇性取決于附著在纖維表面的油墨量以及通過篩縫進(jìn)入短纖維級(jí)分中的油墨量。盡管實(shí)驗(yàn)使用了較小縫寬的篩板及適中的篩分條件，但是仍有較多纖維通過篩縫，因此與理論值相比，具有較小的可選擇性。減少短纖維級(jí)分中纖維含量的一種方法是增加篩渣率，如提高長纖維級(jí)分的流速。如果篩渣率保持不變，可選擇性會(huì)增加。另一種方法是使用孔篩，與縫篩相比，孔篩具有較好的可選擇性。

用中試設(shè)備對(duì)長纖維級(jí)分濃縮，其對(duì)小尺寸雜質(zhì)的洗滌效果是有限的。即使經(jīng)過多級(jí)篩分后，仍有部分游離油墨殘留在長纖維級(jí)分上。然而，長纖維級(jí)分必須濃縮至較高的濃度才能進(jìn)行分離，因此濃縮也可以用于游離油墨的洗滌。長纖維級(jí)分的洗滌是可行的，因?yàn)槌傧礈烨?，漿料已經(jīng)進(jìn)行了篩分，而且只對(duì)長纖維級(jí)分進(jìn)行了超速洗滌，并且得率損失也是較小的（小于5%）。留著率仍然很高是因?yàn)殚L纖維級(jí)分中沒有細(xì)小纖維可以被沖洗掉，而且只有部分纖維漿料（35%）得到了洗滌。如果使用工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的壓力篩，篩分時(shí)濃縮效果較好，因此與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比，將得到更好的效果。

對(duì)于篩分，洗滌設(shè)備的選擇比篩子的選擇重要的多。然而，對(duì)于油墨去除效率，浮選是一個(gè)限制性因素。當(dāng)漿料進(jìn)行浮選時(shí)，適宜的濃度是1.4%，因此短纖維級(jí)分浮選時(shí)，鼓勵(lì)采用較高的濃度。用壓力篩篩分時(shí)，短纖維級(jí)分的濃度可調(diào)節(jié)至高于洗滌時(shí)漿料的濃度。漿料的流速也較易調(diào)節(jié)。

表4顯示了傳統(tǒng)2級(jí)脫墨工藝和附有篩分處理的脫墨工藝各工序的能耗。

表4 傳統(tǒng)2級(jí)脫墨工藝和附有篩分處理的脫墨工藝各工序的能耗 kW·h/t

圖9和圖10分別為傳統(tǒng)脫墨方式流程和附有篩分處理的脫墨工藝流程示意圖。

圖9 傳統(tǒng)2級(jí)脫墨工藝流程

圖10 附有篩分處理的脫墨工藝流程

盡管附有篩分的脫墨方式增加了額外的篩分能耗，但是，分開處理長、短纖維級(jí)分降低了總能耗。因此，浮選和分離前先進(jìn)行篩分可以降低能耗達(dá)50～90 kW·h/t。而且還可以節(jié)約蒸氣及化學(xué)品用量，節(jié)約生產(chǎn)成本。

附有篩分處理的脫墨方式有多種，圖10所示的流程圖為附有篩分處理的脫墨方式的一種。因此，附有篩分處理的最優(yōu)脫墨方式還有待進(jìn)一步研究。長纖維級(jí)分包括大尺寸雜質(zhì)、附著的油墨以及一些游離油墨，因此長纖維級(jí)分的后續(xù)處理，如篩選、洗滌等還是必須滿足所需的成紙質(zhì)量。長纖維級(jí)分的洗滌可以有效除去游離油墨，并保持較高的得率，同時(shí)通過篩選或分離除去大量大尺寸雜質(zhì)。在洗滌階段，通過使長纖維級(jí)分預(yù)先覆蓋在網(wǎng)部，使短纖維級(jí)分的脫水和長纖維級(jí)分的洗滌同時(shí)完成也是可行的。

脫墨前，先進(jìn)行篩分，而后只對(duì)短纖維級(jí)分進(jìn)行浮選，對(duì)長纖維級(jí)分進(jìn)行分離是可行的，與傳統(tǒng)的脫墨漿生產(chǎn)工藝相比，可以降低能源、蒸氣以及化學(xué)品的用量。然而，仍有許多問題有待解決，如篩分時(shí)最佳漿料流速是多少以及每一級(jí)篩分的最佳工藝條件等。

4 結(jié)論

用壓力篩進(jìn)行篩分可以使小尺寸的雜質(zhì)，如灰分和游離油墨混合進(jìn)入短纖維級(jí)分，而大尺寸雜質(zhì)混合進(jìn)入長纖維級(jí)分。由于纖維級(jí)分包含不同的成分，因此以最優(yōu)的方式處理纖維級(jí)分是合理的，如只對(duì)長纖維級(jí)分進(jìn)行分離、只對(duì)短纖維級(jí)分進(jìn)行浮選。殘余油墨分離時(shí)的可選擇性是通過率的函數(shù)：通過率越小，可選擇性越好。對(duì)于設(shè)定的漿料流速，通過控制篩渣率可以降低通過率。附著在纖維表面的油墨在某種程度上限制了可選擇性，因?yàn)榭p篩中纖維的可選擇性是有限的，即使像本研究使用較窄篩縫的篩板。

（馬倩倩 編譯）