造紙污泥回填紙幅工藝的研究

韓 卿， 阮秀娟， 張 拓

(陜西科技大學(xué) 輕工科學(xué)與工程學(xué)院， 陜西 西安 710021)

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造紙污泥回填紙幅工藝的研究

韓 卿， 阮秀娟， 張 拓

(陜西科技大學(xué) 輕工科學(xué)與工程學(xué)院， 陜西 西安 710021)

以造紙廢水處理過程中產(chǎn)生的終端污泥為輔料，以酶轉(zhuǎn)化淀粉和羧甲基纖維素鈉為增強劑，分別對污泥在紙幅表面/層間進行回填的應(yīng)用性能進行了研究.結(jié)果表明：紙幅中添加污泥有助于改善成紙物理強度性能，當(dāng)污泥回填量為5.0%時，成紙的主要物理強度可達到最優(yōu)值；以5.0%用量將污泥回填于紙幅層間時，羧甲基纖維素鈉比酶轉(zhuǎn)化淀粉有更好的增強效果，其中羧甲基纖維素鈉的最佳用量為4.0%(對絕干污泥).對紙張表面及Z向結(jié)構(gòu)中污泥粒子分布的掃描電鏡(SEM)觀察分析表明，采用表面/層間回填法利用污泥的過程中大部分污泥粒子在紙幅表面或?qū)娱g集中成層.

造紙污泥； 紙幅回填； 物理強度； 資源化利用

0 引言

造紙污泥是制漿造紙過程中產(chǎn)生的一類大宗固體廢物，具有產(chǎn)量大、含水率高、成分復(fù)雜等特點，對其進行合理處置并綜合利用已成為當(dāng)前造紙行業(yè)內(nèi)亟待研究的環(huán)保難題.近年來，針對造紙污泥的資源化利用問題，國內(nèi)已經(jīng)開展了相關(guān)研究工作[1-3].研究認(rèn)為，造紙污泥主要由纖維有機質(zhì)(纖維素、半纖維素和木質(zhì)素等)以及無機填料粒子等組成[4].因此，將造紙污泥作為一種輔料回用于紙張生產(chǎn)過程在理論上具有可行性.Patrick Huber等[5]研究了傳統(tǒng)漿內(nèi)加填法利用造紙污泥的技術(shù)問題，認(rèn)為造紙污泥在紙漿中的添加量不宜超過1.0%，否則會導(dǎo)致紙張強度性能的嚴(yán)重下降.

本文提出了紙幅回填法利用造紙污泥的技術(shù)思路，即將污泥配制成一定濃度的漿液施加于濕紙幅的表面或?qū)娱g.與漿內(nèi)加填法相比，采用紙幅回填法利用造紙污泥具有諸多優(yōu)點，如有利于提高污泥粒子在紙幅中的保留率和降低白水濁度，從而有利于清潔抄紙濕部化學(xué)環(huán)境；同時，有利于調(diào)控污泥粒子在紙幅網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的分布特性，以解決由于污泥粒子在紙幅中均勻分布可能對纖維間結(jié)合強度造成的不利影響.本文研究旨在為紙幅回填法利用造紙污泥技術(shù)的實現(xiàn)提供必要的實驗依據(jù).

1 實驗部分

1.1 原料

(1)纖維原料：以舊瓦楞箱紙制備紙漿纖維，控制打漿度為23 °SR，纖維數(shù)均長度：663μm，重均長度：1 070μm.

(2)造紙污泥：取之于陜西某造紙企業(yè)，為廢水處理場產(chǎn)生的終端混合污泥(含生化污泥)，外觀為褐灰色，含水率為70.59%，污泥粒子中位徑為27.43μm.

(3)酶轉(zhuǎn)化淀粉：以用量為0.04%(對淀粉)的α-淀粉酶對市售玉米淀粉進行糊化制得，漿液濃度為1.0%.

(4)羧甲基纖維素鈉：市售，粘度為260～300 mPa·s，使用前預(yù)先配制成濃度為1.0%的漿液.

1.2 實驗設(shè)備/儀器與測試方法

1.2.1 實驗設(shè)備/儀器

紙樣抄取器，TD10-200；槽式打漿機，ZQS2-23；油壓機，TD11-41；環(huán)境掃描電子顯微鏡+能譜儀，F(xiàn)EI Q45+EDAX Octane Prime.

1.2.2 測試方法

紙張抗張強度按GB/T 453-2002測定；紙張撕裂強度按GB/T 455.1-1989測定；紙張環(huán)壓強度按GB/T 2679.8-1995測定；紙張內(nèi)結(jié)合強度按TAPPI UM403標(biāo)準(zhǔn)測定紙板的Scott內(nèi)結(jié)合強度.

1.3 造紙污泥回填紙幅的工藝流程

造紙污泥回填紙幅的工藝流程如圖1所示.

圖1 污泥回填紙幅的工藝流程

2 結(jié)果與討論

2.1 污泥用量對成紙物理強度性能的影響

考慮到本實驗所采用的污泥粒子中位徑為27.43μm，而抄紙成形網(wǎng)孔為198～246μm[6]，所以污泥粒子在采用常規(guī)漿內(nèi)添加法作為造紙?zhí)盍蠒r依靠機械截留及吸附作用難以實現(xiàn)污泥粒子較高的留著率.本論文提出了紙幅回填法利用污泥的技術(shù)方案，即將污泥配成適當(dāng)濃度的漿液后將其均勻施加于濕紙幅的表面或?qū)娱g.以紙幅表面加填法抄造100 g/m2定量的瓦楞原紙，考察污泥用量對成紙抗張指數(shù)、撕裂指數(shù)、環(huán)壓指數(shù)的影響情況，結(jié)果如表1所示.

施工程序按實際荷載加載步驟進行：①所有鋼結(jié)構(gòu)單元安裝；②橋面板重量加載；③橋面系縱、橫梁與橋面板聯(lián)合截面形成；④二期恒載加載；⑤運營階段荷載加載、組合。

表1 污泥用量對瓦楞原紙物理強度的影響

以層間加填法抄造200 g/m2定量的箱紙板，考察污泥用量對成紙抗張指數(shù)、撕裂指數(shù)、環(huán)壓指數(shù)及內(nèi)結(jié)合強度性能的影響情況，結(jié)果如表2所示.

表2 污泥用量對箱板紙物理強度的影響

由表1和表2中的實驗數(shù)據(jù)可以看出，無論是紙幅表面還是層間加填，成紙的物理強度隨污泥回填量的增加呈現(xiàn)出先增大后減少的變化趨勢.當(dāng)污泥回填量為5.0%時，紙張的各項物理強度均可達到最大值.污泥用量對成紙物理強度性能的具體影響如下所述.

2.1.1 對抗張強度的影響

成紙抗張強度不僅受纖維平均長度的影響，也受到纖維間結(jié)合強度等因素的影響[7].在污泥回填紙幅過程中，一部分污泥粒子會在紙幅表面或?qū)娱g集中成層，另一部分污泥粒子由于濕紙幅的真空脫水和壓榨而“滲透遷移”到紙幅纖維網(wǎng)絡(luò)的孔隙中.集中成層的污泥粒子會對成紙抗張強度產(chǎn)生正面影響，而“滲透遷移”的污泥粒子根據(jù)其滲透遷移量不同，對成紙抗張強度會有不同的作用效果.當(dāng)滲透遷移量少(如污泥用量≤5.0%)時，污泥中含有的部分氫鍵官能團可能有助于污泥與纖維間的結(jié)合，從而有助于成紙抗張強度的改善；而當(dāng)滲透遷移量進一步增大(如污泥用量>5.0%)時，污泥中含有的大量礦物填料可能會對纖維間的有效結(jié)合產(chǎn)生一定的“阻隔”作用而對成紙抗張強度產(chǎn)生一定的負(fù)面影響.

回填有污泥粒子的紙張，其抗張強度不僅反映了克服拉斷纖維所需的能量功，也反映了克服纖維與污泥粒子以及污泥粒子間的結(jié)合力(摩擦力)所做的功[8].當(dāng)污泥用量較低(如污泥用量≤5.0%)時，紙幅中污泥的存在對成紙抗張強度呈正向影響性，具體表現(xiàn)為成紙抗張強度的提高，而當(dāng)污泥加填量進一步增大時，“滲透遷移”在紙幅纖維網(wǎng)絡(luò)中的污泥粒子對纖維間有效結(jié)合的“阻隔”作用可能會影響成紙抗張強度的形成，具體表現(xiàn)為成紙抗張強度的下降.

2.1.2 對環(huán)壓強度的影響

環(huán)壓強度是瓦楞原紙和箱紙板重要的應(yīng)用性能.由表1和表2可知，無論是表面加填還是層間加填，紙張的環(huán)壓強度隨污泥用量的增加呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，當(dāng)污泥用量為5.0%時達到最大值，較空白紙樣的增幅分別為13.41%和14.63%.回填污泥對成紙環(huán)壓強度的影響可以做如下解釋：在適當(dāng)?shù)奈勰嘤昧?如5.0%)下，紙幅表面或?qū)娱g回填的污泥粒子大多在紙張表面或Z向結(jié)構(gòu)中集中成層，經(jīng)脫水干燥后會形成具有一定環(huán)壓強度的干污泥層，對成紙環(huán)壓強度的提高做出了貢獻；但當(dāng)污泥用量進一步增大(如>5.0%)時，可能是由于污泥粒子在纖維網(wǎng)絡(luò)中“滲透遷移”量的增大加大了對纖維間結(jié)合性的“干擾破壞”，致使回填污泥對成紙環(huán)壓強度的正向影響性有所減弱.

2.1.3 對內(nèi)結(jié)合強度的影響

內(nèi)結(jié)合強度是紙板類產(chǎn)品重要的應(yīng)用性能.由表2可知，采用層間加填法利用污泥的過程中，隨著污泥用量的增加，成紙內(nèi)結(jié)合強度呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢.當(dāng)污泥用量為2.5%～10.0%時，成紙的內(nèi)結(jié)合強度呈現(xiàn)出不同程度的增幅，其中，當(dāng)污泥用量為5.0%時，成紙內(nèi)結(jié)合強度可達到最高值，較空白樣的增幅為24.81%.紙幅中添加污泥對成紙內(nèi)結(jié)合強度的影響可以做如下解釋：污泥中含有的纖維質(zhì)、生物菌體等有機大分子結(jié)構(gòu)上含有的氫鍵官能團使污泥本身具有一定的水和性和黏結(jié)性，經(jīng)干燥后可以使污泥粒子間、污泥與纖維間產(chǎn)生一定的氫鍵結(jié)合和黏結(jié)強度，從而對成紙內(nèi)結(jié)合強度的形成產(chǎn)生了積極的促進作用.但當(dāng)污泥用量進一步提高時，污泥粒子對成紙內(nèi)結(jié)合強度的正向影響性有所減弱，相關(guān)作用機理還有待進一步研究.

2.2 增強劑對成紙物理強度性能的協(xié)同影響性

(a)增強劑用量對成紙抗張指數(shù)的影響

(b)增強劑用量對成紙撕裂指數(shù)的影響

(c)增強劑用量對成紙環(huán)壓指數(shù)的影響

(d)增強劑用量對成紙內(nèi)結(jié)合強度的影響圖2 增強劑用量對成紙物理強度性能的影響

相比于其他增強性助劑，酶轉(zhuǎn)化淀粉和羧甲基纖維素鈉均具有漿液粘度較低、成本較低、流動性和對紙張增強效果較好等特點，因而被廣泛應(yīng)用于造紙工業(yè)[9].為進一步改善回填污泥紙張的物理強度性能，在以5.0%的污泥用量進行紙幅層間回填的過程中，研究了羧甲基纖維素鈉和酶轉(zhuǎn)化淀粉作為增強劑對定量為200 g/m2的箱紙板物理強度的影響性，結(jié)果如圖2所示.由圖2可知，隨著增強劑用量的增加，紙張的環(huán)壓指數(shù)、抗張指數(shù)、撕裂指數(shù)、內(nèi)結(jié)合強度都呈現(xiàn)出逐漸上升的趨勢.當(dāng)增強劑用量為4.0%(對絕干污泥)時，添加酶轉(zhuǎn)化淀粉紙張的抗張強度、撕裂強度、環(huán)壓強度、內(nèi)結(jié)合強度較空白樣(污泥填加量為5.0%的紙樣，下同)分別提高了10.14%、12.0%、12.24%和10.22%；添加羧甲基纖維素鈉紙張的抗張強度、撕裂強度、環(huán)壓強度、內(nèi)結(jié)合強度較空白樣分別提高了11.73%、15.27%、17.45%和32.95%.由此可見，在相同用量情況下，羧甲基纖維素鈉較酶轉(zhuǎn)化淀粉對回填污泥紙幅具有更優(yōu)的增強效果.同時發(fā)現(xiàn)，當(dāng)增強劑用量由4.0%增加到6.0%時，成紙的各項物理強度增幅不大.所以，在以5.0%的污泥用量抄造箱板紙時，上述兩種增強劑的適宜用量可確定為4.0%.

2.3 回填污泥紙張中污泥粒子分布特性的表征

回填污泥(回填量為5.0%)在紙張表面及Z向結(jié)構(gòu)中的分布情況如圖3所示.圖3中，T表示紙張上表面，B表示紙張下表面.

2.3.1 表面回填紙張中污泥粒子的分布

2.3.2 層間回填紙張中污泥粒子的分布

與圖3(a)相比較，從圖3(e)上可看到少量的污泥粒子存在于紙張底面的纖維上，這從側(cè)面反映了少量污泥粒子在紙張Z向結(jié)構(gòu)中發(fā)生“滲透遷移”并轉(zhuǎn)移到成紙底面.與圖3(b)相比較，圖3(f)上可看到大量污泥粒子在紙張Z向結(jié)構(gòu)中呈集中分布的狀態(tài).

由此可以推知，在污泥回填紙幅過程中，大量污泥粒子在紙幅表面和層間的集中成層及少量污泥粒子的“滲透遷移”均有助于改善成紙的相關(guān)物理強度性能.

2.3.3 加填方式對成紙強度性能影響的討論

Jesus A.G. Ochoa de Alda[10]和曾金枝等[11]對傳統(tǒng)的漿內(nèi)加填法利用造紙污泥研究表明，該類方法利用造紙污泥時普遍存在污泥用量較低(1.0%～3.0%)的問題.這可能是由于污泥粒子在紙幅Z向結(jié)構(gòu)中的均勻分布使紙漿纖維間結(jié)合力較差所致.

本文采用紙幅回填法利用造紙污泥，成紙物理強度的改善主要源于以下三個方面：(1)紙幅Z向結(jié)構(gòu)中污泥粒子的非均勻分布減少了污泥粒子對紙漿纖維間有效結(jié)合面積的不利影響；(2)污泥粒子自身成層而產(chǎn)生的強度對成紙物理強度的改善起到了一定的促進作用；(3)增強劑的添加對成紙物理強度的進一步改善起到了協(xié)同補強作用.

(a)未添加污泥紙張表面(T) (b)未添加污泥紙張斷面結(jié)構(gòu)

(c)表面加填紙張表面(T) (d)表面加填紙張斷面結(jié)構(gòu)

(e)層間加填紙張表面(B) (f)層間加填紙張斷面結(jié)構(gòu)圖3 污泥粒子在紙張表面及斷面結(jié)構(gòu)中分布的SEM圖

3 結(jié)論

(1)將適當(dāng)用量的造紙污泥采用紙幅回填法進行利用有助于改善成紙的環(huán)壓強度、內(nèi)結(jié)合強度等性能指標(biāo)；當(dāng)污泥用量為5.0%時，成紙主要物理強度指標(biāo)可達到最優(yōu)值.

(2)層間加填法利用造紙污泥過程中，使用適當(dāng)用量如4.0%的酶轉(zhuǎn)化淀粉和羧甲基纖維素鈉均有助于進一步改善成紙的物理強度性能，但羧甲基纖維素鈉具有更好的協(xié)同增強效果.

(3)紙幅回填法利用造紙污泥的過程中絕大多數(shù)污泥粒子會在紙幅表面或?qū)娱g纖維網(wǎng)絡(luò)中得以留著.

[1] 蔡 彬,檀 笑,彭香琴,等.造紙污泥作為造紙原料資源化利用可行性探索及案例分析[C]//中國環(huán)境科學(xué)學(xué)會學(xué)術(shù)年會.成都：中國環(huán)境科學(xué)學(xué)會,2014:1-6.

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【責(zé)任編輯：陳 佳】

Study on technology of paper sludge backfilling into paper web

HAN Qing， RUAN Xiu-juan， ZHANG Tuo

(College of Bioresources Chemical and Materials Engineering, Shaanxi University of Science & Technology, Xi′an 710021, China)

The backfilling performance of paper sludge was studied in this paper.In this process,terminal sludge generated in papermaking wastewater treatment process was used as filler and enzymatic conversion starch and sodium carboxymethyl cellulose were used as strengthening agent.The results showed that adding sludge into paper web would be helpful to improve physical strength index of paper and a strong physical strength can be obtained when the addition of the sludge was 5.0%.When the loading of the sludge was 5.0% in interlayer filling process,a better effect can be obtained to use sodium carboxymethyl cellulose than to use enzymatic conversion starch and the appropriate amount of sodium carboxymethyl cellulose should be 4.0% (on oven dry sludge weight).Observing the distribution of the sludge particles in the surface and Z-direction structure of the paper by the SEM showed that most sludge particles were retained on the surface or interlayer of the paper and forming a concentrated layer.

paper sludge; paper web backfill; physical strength; resource utilization

2016-06-27

華南理工大學(xué)制漿造紙工程國家重點實驗室開放基金項目(201314)

韓 卿(1965-)，男，青海西寧人，教授，博士，研究方向：清潔生產(chǎn)與資源化利用

1000-5811(2016)06-0024-05

TS79; X793

A