脫墨工藝水浮選：提高脫墨和生產(chǎn)效率的創(chuàng)新方案

脫墨線工藝水中高濃度且不受控制的表面活性物質(zhì)（SAS）對(duì)浮選脫墨有著很大的負(fù)面影響。SAS在空氣與水以及油墨與水界面處的吸附穩(wěn)定了氣泡和油墨顆粒，減少了浮選過(guò)程中的油墨收集。另外，SAS引起的泡沫穩(wěn)定化減少了泡沫的排水，并因此增加了懸浮固體的損失。采用改進(jìn)后的浮選工藝用水是降低SAS濃度并由此提高浮選脫墨選擇性的有效方式：將脫墨紙漿生產(chǎn)線的第一回路中用于生產(chǎn)新聞紙的透明濾液進(jìn)行水浮選，在穩(wěn)定狀態(tài)下，這種處理方法使第一回路工藝水中SAS濃度降低了20%。在浮選前后對(duì)油墨去除選擇性進(jìn)行評(píng)估，發(fā)現(xiàn)與基準(zhǔn)值相比選擇性有著顯著的改善。在試驗(yàn)期間，工廠可以生產(chǎn)油墨含量較低的紙漿，因此紙漿能夠具有較高的白度，或者當(dāng)白度水平不變時(shí)，產(chǎn)量會(huì)提高1%～2%，成本會(huì)有明顯的降低；此外，還帶來(lái)很多其他有利之處，比如減少了脫墨過(guò)程中化學(xué)品（氫氧化鈉、硅酸鹽和漂白劑）的消耗以及改善了造紙機(jī)運(yùn)行性能，特別是能夠減少由膠粘物而引起的斷紙故障。

在脫墨線中，表面活性物質(zhì)（SAS）的濃度通常較高。這些活性物質(zhì)有很多的來(lái)源，主要來(lái)源于紙漿以及造紙工藝流程中的添加劑，例如脫墨化學(xué)品、分散劑（涂料染料、膠料等）和消泡劑，另外來(lái)源于一些纖維本身所釋放的脂肪酸和樹(shù)脂酸等。機(jī)械漿以及廢紙漿中存在的SAS的量是非常多的。對(duì)于廢紙漿而言，其SAS的存在量取決于廢紙的等級(jí)，另外還取決于回收過(guò)程中的堿用量。

在工藝水中存在的SAS降低油墨的去除率以及纖維產(chǎn)量。圖1表示了浮選中SAS濃度的增加會(huì)降低油墨的去除率。

圖1 SAS濃度對(duì)油墨浮選速率常數(shù)以及泡沫排水系數(shù)的影響

由圖1可見(jiàn)，當(dāng)SAS濃度增加時(shí)，泡沫排水系數(shù)δ也隨之降低，這意味著會(huì)產(chǎn)生更穩(wěn)定的泡沫，從而導(dǎo)致浮選損失的增加。

SAS的不利之處在于SAS吸附在疏水表面時(shí)，會(huì)降低油墨粒子和氣泡的吸附能力，并通過(guò)泡沫穩(wěn)定作用阻止油墨粒子從纖維上徹底剝離從而難以分散在紙漿懸浮液中。

將SAS注入到廢棄的泡沫中能夠降低工藝水（實(shí)驗(yàn)室批次、小試和中試）中的SAS濃度并提高浮選脫墨效率以及選擇性。如圖2所示，根據(jù)所采用的浮選技術(shù)，通過(guò)水浮選方式SAS的去除率可以從35%增加到70%。

圖2 脫墨工藝水浮選過(guò)程中各種浮選池中SAS的去除率比較

在實(shí)驗(yàn)室水平下也對(duì)通過(guò)這種處理工藝水的方法對(duì)浮選脫墨效率所產(chǎn)生的影響進(jìn)行了評(píng)估，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：油墨去除率有所改善，浮選損失也明顯減少。油墨去除效率相當(dāng)于脫墨浮選期間的總損失的固體，通過(guò)2種類型的實(shí)驗(yàn)室浮選池來(lái)表示對(duì)工藝水（未浮選水與浮選水）性質(zhì)的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖 3所示[（a）為 Voith池，（b）為 Klab池]。

圖3 通過(guò)2種類型的實(shí)驗(yàn)室浮選池來(lái)表示對(duì)工藝水（未浮選水與浮選水）性質(zhì)的影響

另有研究報(bào)道了在熱磨機(jī)械漿（TMP）新聞紙廠中實(shí)施的柱浮選長(zhǎng)期工廠試驗(yàn)的結(jié)果。據(jù)稱該方法對(duì)于處理過(guò)的濾液中所含的樹(shù)脂材料（大部分具有類似于SAS的結(jié)構(gòu)）的去除是非常有效的。浮選柱的去除效率在30%～45%。

某研究機(jī)構(gòu)曾經(jīng)強(qiáng)調(diào)過(guò)釋放表面活性物質(zhì)對(duì)油墨浮選選擇性的重要作用，并申請(qǐng)了一項(xiàng)專利，旨在通過(guò)適應(yīng)性的浮選工藝來(lái)從工藝水中去除這些表面活性物質(zhì)。雖然實(shí)驗(yàn)結(jié)果已在實(shí)驗(yàn)室以及中試規(guī)模下進(jìn)行了確定，但是這種處理方式對(duì)工業(yè)流程運(yùn)行的真正影響還沒(méi)有被完全量化。如果能夠完全量化，那么就能夠以工廠規(guī)模來(lái)對(duì)這種處理方法進(jìn)行評(píng)估。本文報(bào)道了這些試驗(yàn)的主要結(jié)果，重點(diǎn)是降低工藝水中的SAS濃度以及提高脫墨選擇性；另外還有化學(xué)品消耗和紙漿運(yùn)行性方面的一些有利影響。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)部分

在生產(chǎn)脫墨漿（DIP）和熱磨機(jī)械漿（TMP）的新聞紙脫墨機(jī)中進(jìn)行試驗(yàn)。該廠擁有2條傳統(tǒng)的雙回路脫墨生產(chǎn)線。2條線中的一條停止后進(jìn)行預(yù)浮選，然后用于處理來(lái)自另一條仍在運(yùn)行的脫墨線的第一回路水的一部分。圖4表示的是工廠試驗(yàn)示意圖（僅用碎漿機(jī)浮選和濃縮進(jìn)行代表）。

圖4 工廠試驗(yàn)示意圖

處理后的第一回路的濾液流量為610 m3/h，相當(dāng)于第一回路中可用水量的25%。產(chǎn)生的泡沫通過(guò)污水處理裝置從工廠中排出，排出的泡沫流量估計(jì)為進(jìn)入量的12%，相當(dāng)于每噸DIP產(chǎn)生額外的2.9 m3廢水。處理水的總懸浮物質(zhì)量濃度為1.2 g/L。

1.2 水浮選過(guò)程的表征方法

基于拉普拉斯定律，采用表面張力測(cè)試儀并使用最大氣泡壓力法測(cè)量表面張力，平均氣泡壽命設(shè)定為15 s。在任何情況下，水溫為25℃時(shí)都會(huì)產(chǎn)生表面張力。該測(cè)量方法用于評(píng)估水中的SAS濃度。

SAS的去除率可以通過(guò)測(cè)量表面張力來(lái)確定。測(cè)量（動(dòng)態(tài)測(cè)量）連續(xù)稀釋的水浮選漿渣（SAS的濃度較高）的表面張力。因此能夠畫(huà)出一條稀釋曲線來(lái)說(shuō)明表面張力隨泡沫稀釋率的變化情況。然后，通過(guò)測(cè)量入口漿和浮選良漿中泡沫的表面張力使我們能夠估計(jì)浮選漿渣中的SAS濃度。SAS的去除率是利用浮選流量平衡時(shí)入口漿、良漿以及漿渣的相對(duì)SAS濃度確定的。通過(guò)測(cè)量入口漿、良漿以及漿渣中的濾液池的灰分來(lái)確定總懸浮固體（TSS）的損失。根據(jù)以下等式進(jìn)行計(jì)算：

1.3 浮選脫墨的表征方法

在試驗(yàn)之前先設(shè)定基線，然后分別在3、16、20和24 h的試驗(yàn)期間觀察浮選前后的油墨去除率以及TSS的損失量。

通過(guò)有效殘余油墨濃度（ERIC）來(lái)判斷油墨去除速率，并且對(duì)試驗(yàn)期間產(chǎn)生的紙漿襯墊進(jìn)行白度測(cè)量。使用ERIC值和TSS質(zhì)量流量來(lái)計(jì)算油墨平衡值。油墨質(zhì)量流率等于有ERIC與紙漿質(zhì)量流率的乘積。

在水浮選的產(chǎn)率計(jì)算方法中已經(jīng)提出，可以使用測(cè)量灰分的方法來(lái)確定TSS的損失量。除了這些實(shí)驗(yàn)室測(cè)量方法之外，也在試驗(yàn)前、后收集了不同工段的ERIC和白度的工廠記錄值。

2 結(jié)果與討論

2.1 水浮選效率

水浮選效率主要由SAS去除率來(lái)決定。測(cè)量入口漿的表面張力以及在試驗(yàn)不同時(shí)間（分別為3、16、20和24 h）的漿渣，基于浮選漿渣來(lái)計(jì)算稀釋曲線。所有測(cè)量的漿渣水流量估計(jì)為12%。

表1顯示了SAS的去除率。在第一回路中，水浮選只能處理總可用水量的25%?？紤]到回流處理后的內(nèi)部回路以及第一回路末端的漿濃，通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的模擬可以發(fā)現(xiàn)與基準(zhǔn)值相比，進(jìn)入預(yù)浮選的SAS的量減少了20%。

表1 在浮選試驗(yàn)期間SAS的去除率

SAS的減少量可以通過(guò)試驗(yàn)期間不同位置測(cè)量的表面張力來(lái)證實(shí)，具體結(jié)果如圖5所示。

圖5 在浮選試驗(yàn)期間浮選前后表面張力的變化

從這些測(cè)量中可以清楚地看出，水浮選一旦開(kāi)始，第一回路和第二回路的表面張力均有所增加，從而也表明SAS的濃度在降低。

2.2 對(duì)脫墨效率的影響

SAS濃度的降低會(huì)改善浮選效率以及油墨選擇性。為了驗(yàn)證這一結(jié)論，在試驗(yàn)期間對(duì)浮選前后進(jìn)行油墨和總懸浮固體（TSS）平衡。

2.3 對(duì)預(yù)浮選的影響

在試驗(yàn)期間測(cè)定油墨去除率以及TSS的損失量，并與基準(zhǔn)期（T0）進(jìn)行比較。圖6顯示了在水浮選過(guò)程中油墨去除率與TSS損失的關(guān)系。

圖6 在水浮選過(guò)程中油墨去除率與TSS損失的關(guān)系

由圖6可知，水處理帶來(lái)了2個(gè)積極影響：

（1）在不同的試驗(yàn)時(shí)間下，油墨去除率均高于無(wú)水浮選情況下所達(dá)到的水平，為65%～66%比62%；

（2）在較短的試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)，同一水平或較低的懸浮固體損失能夠獲得額外的油墨去除率。

此外，當(dāng)浮選產(chǎn)生的懸浮物損失計(jì)入預(yù)浮選損失時(shí)，情況也是如此。

因此，油墨去除率和預(yù)浮選步驟的選擇性得到了改善。圖7表示選擇性因子（油墨去除率/TSS去除率）的變化（表示當(dāng)TSS的損失為1%時(shí)油墨的去除率）。如果同時(shí)考慮到水浮選過(guò)程中產(chǎn)生的損失，則選擇性因子會(huì)從預(yù)浮選中的5增加到6，或者從5增加到5.5。

圖7 在浮選試驗(yàn)期間預(yù)浮選選擇性因子的變化

在這項(xiàng)試驗(yàn)中，第一回路處理水中含有高濃度的懸浮固體（質(zhì)量濃度為1.2 g/L）。盡管如此，但因?yàn)橹饕康氖菫榱巳コ齋AS，所以推薦處理具有較低懸浮固體濃度的水流，因此澄清的濾液應(yīng)該是最合適的。

預(yù)浮選后的脫墨漿的光學(xué)性質(zhì)有了明顯的改善；殘余油墨的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從290×10-6降低到255×10-6，而且白度也有所增加。圖8表示在試驗(yàn)期間收集的紙漿樣品以及在第2次浮選結(jié)束時(shí)通過(guò)工廠的在線傳感器測(cè)量的白度變化，結(jié)果顯示白度增加了1～2百分點(diǎn)[圖8（a）顯示的是在襯墊上進(jìn)行的離線測(cè)量，報(bào)告入口漿到良漿的白度變化；圖8（b）顯示的是第一個(gè)回路結(jié)束時(shí)通過(guò)工廠傳感器測(cè)量的白度值]。

圖8 預(yù)浮選中白度的變化

預(yù)浮選的第2階段可以更好地來(lái)解釋預(yù)浮選過(guò)程中觀察到變化。圖9表示了在試驗(yàn)期間第2階段入口和出口的油墨含量的變化情況。入口漿油墨濃度的增加與初始階段的油墨去除率以及選擇性相一致。而且，盡管入口漿的油墨濃度增加了，但是良漿油墨濃度降低，這表明在第2階段油墨的去除和選擇性更好。由于SAS集中在第2階段，因此這個(gè)階段對(duì)于SAS濃度的變化非常敏感。

圖9 第2階段入口漿和良漿的ERIC變化

2.4 對(duì)浮選后的影響

預(yù)浮選中，在試驗(yàn)期間確定油墨去除率和TSS去除率，并與基準(zhǔn)期進(jìn)行比較，試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。

圖10 在浮選試驗(yàn)中油墨去除率與TSS去除率的關(guān)系

與預(yù)浮選相反，當(dāng)開(kāi)始水浮選時(shí)，油墨去除率稍微降低。這可能是因?yàn)榕菽姆€(wěn)定性降低，但是這也有利于油墨顆?；亓鞯綉腋∫褐?。同時(shí)也觀察到TSS損失量的減少?？偟膩?lái)說(shuō)，浮選后的選擇性更好（試驗(yàn)期間的選擇性因子從6.5到7，基準(zhǔn)期從6.1到6.3）。浮選后油墨的去除量可以通過(guò)在第一回路結(jié)束時(shí)達(dá)到的較低的剩余油墨量來(lái)補(bǔ)償，從而導(dǎo)致最終紙漿的光學(xué)性質(zhì)接近基準(zhǔn)期所測(cè)量的值，結(jié)果如圖11所示。

由于浮選前后所產(chǎn)生的損失較低，因此紙漿的產(chǎn)量有所提高。如圖12所示，當(dāng)所生產(chǎn)的紙漿的光學(xué)性質(zhì)相同時(shí)，產(chǎn)量提高了約2%。

2.5 其他影響

水浮選除了提高脫墨效率外，還能減少紙漿中的膠粘物質(zhì)。在基準(zhǔn)期和試驗(yàn)期間測(cè)量紙漿的二氯甲烷提取物的含量，如圖13所示。

圖11 試驗(yàn)期間最終脫墨漿白度與ERIC的關(guān)系

圖12 最終紙漿質(zhì)量（白度和油墨含量）與TSS損失的關(guān)系

圖13 水浮選不同位置紙漿二氯甲烷提取率的變化

在所有測(cè)試樣品（浮選前的入口漿和良漿，浮選后的入口漿和良漿以及最終脫墨漿）中，紙漿中的二氯甲烷提取率均明顯降低。改進(jìn)的結(jié)果是去除了工藝用水中的微小黏附劑。而且在試驗(yàn)中處理過(guò)的濾液中含有相當(dāng)豐富的懸浮固體（質(zhì)量濃度約為1.2 g/L，主要是填料）。這可以用紙漿質(zhì)量的改善來(lái)解釋試驗(yàn)期間以及試驗(yàn)后造紙機(jī)的運(yùn)行性能的提高。

在試驗(yàn)期間觀察到制漿過(guò)程中的pH有所提高。因此，紙漿廠必須減少碎漿機(jī)中添加的堿源（氫氧化鈉和硅酸鹽），以保持pH在同一范圍內(nèi)，如圖14所示。這可能是因?yàn)樗钠貧?，水的曝氣作用于不同的參?shù)時(shí)能去除二氧化碳和揮發(fā)性脂肪酸，并減少厭氧條件，從而減少細(xì)菌產(chǎn)生揮發(fā)性脂肪酸。另外在碎漿機(jī)出口處會(huì)存在殘余的過(guò)氧化物，雖然在通常的條件下很少會(huì)被觀察到，但這也是一種積極影響。

圖14 在浮選試驗(yàn)期間pH、氫氧化鈉和硅酸鹽用量的變化

3 結(jié)論

（1）浮選工藝是一種降低脫墨線中SAS濃度的有效方法。這個(gè)方法在工業(yè)規(guī)模上獲得了成功的測(cè)試，具體是在用于生產(chǎn)新聞紙的第一回路的清潔濾液進(jìn)行了浮選試驗(yàn)。在穩(wěn)定狀態(tài)下，在第一回路中處理25%的工藝水可使SAS濃度降低20%，而固體損失也非常有限。

（2）漂浮工藝用水對(duì)脫墨線有2個(gè)主要影響：①提高了脫墨選擇性，對(duì)應(yīng)的白度提高了1～2百分點(diǎn)，但產(chǎn)量保持不變；或者產(chǎn)量提高1～2百分點(diǎn)，白度則保持在同一水平。②減少了脫墨和漂白化學(xué)品的消耗量：氫氧化鈉減少了30%，硅酸鹽減少了35%，漂白劑減少了80%。

（3）經(jīng)濟(jì)成本計(jì)算考慮了DIP生產(chǎn)的各個(gè)方面：原材料成本，能源和化學(xué)品消耗，廢渣管理以及產(chǎn)量。根據(jù)工廠的實(shí)際，必須考慮2種情況：①如若工廠希望提高白度，同時(shí)保持產(chǎn)量在同一水平，在這種情況下，當(dāng)增加水浮選時(shí)，估計(jì)增益為1.2歐元/t；②如若工廠希望提高產(chǎn)量，同時(shí)保持白度在同一水平，在這種情況下，增益估計(jì)為3歐元/t。第2種情況似乎更具吸引力，但是第1種情況能夠大幅減少漂白成本，而且可能對(duì)造紙機(jī)的運(yùn)行產(chǎn)生非常積極的影響，然而這些積極影響并沒(méi)有計(jì)算在內(nèi)。