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漿，采用聚焦光束反射測定儀( FBRM)考察漿料中殘余膠體粒子的數量、尺寸及其分布，探討固著劑與助留劑單獨及協同控制溶解與膠體物質( DCS)時的膠體聚集現象。結果表明，實驗所用的PA單獨處理紙漿時，會產生部分不能固著于纖維或被纖維網絡截留的膠體聚集體；CPAM單獨處理紙漿時，其電荷容易被DCS中和，導致其降低紙漿膠體粒子數量的效果明顯下降，但并不產生膠體聚集體；PA-CPAM協同處理紙漿時，CPAM能將PA預處理紙漿時產生的部分膠體聚集體進一步固著到纖維上，達到更好的降低膠體粒子數量的效果，且不產生更大的膠體聚集體。

關鍵詞：固著劑；助留劑；協同作用；聚焦光束反射測定儀；溶解與膠體物質

中圖分類號：TS71⁺3 DOI: 10.11980/j. issn．0254-508X．2016. 05. 001

由于森林資源缺乏，我國造紙行業使用高得率漿和廢紙漿的比例逐年提高。但高得率漿中木素和抽出物含量高，廢紙漿中合成膠黏物成分復雜，這些都將會嚴重影響紙機的正常運行和紙產品的質量。另一方面，為了節約噸紙耗水量，紙機用水循環程度不斷提高，會進一步加劇造紙過程的樹脂與膠黏物沉積問題，給企業造成嚴重的經濟損失。

樹脂與膠黏物在沉積之前常以溶解或膠體的穩定狀態存在。控制溶解與膠體物質( dissolved and col-loidal substances，DCS)含量及其沉積的方法主要有物理法、微生物處理法、化學法等，其中化學固著法最為普遍，其基本原理是采用陽離子電荷密度高、相對分子質量低的聚合電解質對紙漿進行處理，目的是將負電性的DCS固定到纖維上，隨紙張一起被帶出系統，但是僅僅依靠固著劑對DCS的固著作用往往不能很好地將DCS固定在紙張纖維上。一些學者早就指出，有一種與固著劑相匹配的助留劑是有效控制DCS的另一關鍵點；也有一些實驗性的研究對此觀點給予支撐，例如聚二甲基二烯丙基氯化銨( PDADMAC)固著劑和陽離子聚丙烯酰胺(CPAM)助留劑、聚乙烯胺( PVAm) -高陽離子度淀粉( HCS) -CPAM三元體系、陽離子環糊精(C-CDP)固著劑和CPAM-膨潤土(MMT)微粒助留體系控制廢紙漿DCS，均被認為具有協同效果。但是，由于這些研究采用的手段主要都局限于紙漿濾液的濁度、陽離子需求量、化學耗氧量等間接性指標的測量，在揭示固著劑和助留體系協同控制DCS更深層次的現象與原因時均顯不足。

本研究利用聚焦光束反射測定儀( FBRM)可以快速測定出紙漿濾液中膠體粒子的數量、尺寸及其分布的特點，對固著劑．助留劑協同作用控制DCS的過程進行跟蹤，期待從膠體物質是否形成聚集體的角度獲得更詳細的信息，從中得出有益的結論以便于指導生產應用。

1 實驗

1.1 實驗原料

聚胺(PA)：實驗室自制，特性黏度為3. 5830mL/g，陽離子電荷密度為7.50 m mol/g固體，使用前配制成4 g/L的溶液。CPAM:固含量41. 4%，陽離子電荷密度0. 76 m mol/g固體，納爾科（中國）環保技術服務有限提供，產品編號為620101；使用前配制成1g/L的溶液。舊報紙脫墨漿：取自山東某新聞紙生產線的網前箱，儲存于冰箱備用，使用前將漿濃稀釋為4%。

1.2漿料特性考察

分別采用反滴定法和正向滴定測定漿料及其濾液的陽離子需求量。其大致過程是：取30 g漿濃4%的濕漿放人燒杯中，再加入適量的PDADMAC標準陽離子溶液使漿料體系電荷反轉，用玻璃棒攪拌1min后用200目網布過濾收集濾液，取10 m L濾液用PVSK標準液滴定濾液中過量的PDADMAC的正電荷，從兩者之差計算漿料的陽離子需求量。用200目的網布過濾漿料，得到濾液（相當于網下白水），然后濾液再用1.0m的微濾膜過濾，得到的濾液視為DCS水，取2 m L DCS水用PDADMAC標準液滴定，計算DCS的陽離子需求量。

1.3使用FBRM檢測固著劑和助留劑協同作用效果

1. 3.1 實驗方法

稱取4組漿濃為4%的濕漿100 g，按照表1的設計，先加入一定量的PA并攪拌1 min，補加水將漿濃稀釋至0. 5%，再添加一定量的CPAM溶解，攪拌1 min，將漿料用200目網布過濾，采用FBRM對濾液中的粒子進行測定。

固著劑與助留劑協同控制 DCS時的膠體聚集研究（輕工業）2046.png

1.3.2 FBRM檢測

使用FBRM S400型聚焦光束反射測量儀（瑞士，Mettler Toledo公司）測定漿料濾液中粒子的數量、尺寸及其分布。測量時，先將FBRM的探頭清洗干凈，取50 m L漿料濾液，放入100 m L的燒杯中，將FBRM探頭和攪拌槳放入燒杯，設置操作參數為攪拌速度250 r/min，掃描速度2 m/s，掃描間隔2s。待系統穩定后開始采集數據，取2 min時刻的數據進行分析。FBRM操作及相關的數據處理進行。

2結果與討論

2.1漿料特性分析

對于濃度為4.0%的舊報紙脫墨漿，通過反滴定法測得其陽離子需求量為1. 90 m mol/L，通過正向滴定法測定其中DCS的陽離子需求量達1.10 m mol/L，表明該舊報紙脫墨漿高達58 010的負電荷由DCS提供，這從一個側面反映了該紙漿潛在的DCS問題比較嚴重。本實驗綜合考慮膠體滴定的理論計算結果和企業可以接受的生產成本，確定PA單獨作用時的用量為0. 26%，假定PA全部與DCS作用，理論上DCS負電荷量的70%將被中和。CPAM的用量被確定為0. 08%，由于其電荷密度為很小的0.76 m mol/g，最多只能中和漿料DCS總負電的2.4%。因此，在這些助劑確定的作用條件下，漿料的總電荷保持為負電性，不會發生電荷反轉的現象。

2.2固著劑與助留劑單獨以及協同處理對漿料濾液粒子數量和粒度的影響

如實驗所述，漿料經助劑處理后，經200目網過濾得到濾液，然后用FBRM測定濾液中粒子的數量、尺寸及其分布。FBRM用平均弦長表示粒子的尺寸，平均弦長不同于用激光粒度儀測得的平均粒徑，一般來說平均弦長要大于平均粒徑，但被測粒子越接近于球體，則平均弦長越接近于平均粒徑，被測粒子的尺寸越大，其平均弦長與平均粒徑也越接近。FBRM

測得的漿料濾液粒子數量、平均弦長及其分布如圖1~圖3所示；為突出大粒子的貢獻，還可以對粒子的尺寸進行平方加權統計，結果如圖4所示。

圖1是FBRM測定濾液中粒子數量的結果。從圖1中可以發現，粒子的大小主要集中在小于10m的弦長段，其次是10～50m弦長段，50 N150m弦長段有少許，相比之下幾乎可以忽略，150m以上基本沒有。經助劑處理后，漿料中膠體粒子被去除的程度為PA-CPAM>PA>CPAM>空白，其中PA-CPAM協同處理的效果十分明顯，總粒子數下降了87.6%，PA處理使總粒子數下降72.1%，比較意外的是CPAM處理，其總粒子數僅下降31.8%。

另一方面，僅僅考察粒子數量的變化會導致一些錯誤的判斷，因為減少的粒子不一定被固著到纖維上，粒子之間互相聚集產生更大的粒子聚集體但不被纖維留著而落入水中，也會使濾液的粒子總數發生明顯的減少，為此需要考察粒子及粒子聚集體的粒徑。圖2為FBRM測得的用平均弦長表示的濾液中粒子的平均粒徑，結果表明，助劑處理使膠體粒子粒徑增大的順序是PA-CPAM> PA>空白>CPAM。這一結果與助劑減少漿料粒子數量的結果并不完全對應，其中讓人意外的是CPAM并沒有增大粒子的粒徑。

固著劑與助留劑協同控制 DCS時的膠體聚集研究（輕工業）3350.png

圖3是不同處理方式下漿料濾液粒子弦長．數量的數均加權分布圖，該圖提供了圖1和圖2不能表達的連續信息。從圖3可以看出，與未經處理（空白）相比，紙漿經助劑處理后其濾液中的粒子數量均明顯減少，減少的程度為PA-CPAM>PA>CPAM>空白，這與圖1展示的結果顯然是一致的，因為兩者只是表達方式的不同。從圖3還可以看出，CPAM單獨處理的峰形和空白處理的相似，且沒有產生弦長在50fLm以上的粒子聚集體；PA單獨處理和PA-CPAM協同處理的峰形相似，但與空白處理的有所不同，主要表現為產生了一定數量的50m以上的粒子聚集體。圖4對粒子聚集體的貢獻進行了更清楚的表述，即CPAM沒有產生大的聚集體，但PA單獨處理和PA-CPAM協同處理均產生了一定量的大聚集體。與此同時，還可以發現另一個令人意外的現象：PA產生的大聚集體要多于PA-CPAM協同處理的。

2.3 固著劑與助留劑協同控制紙漿DCS時的膠體聚集現象及其分析

綜合分析上述實驗現象，同時結合以往的研究結果，可以認為，PA單獨作用時，有一部分膠體粒子在PA的作用下聚集成更大的粒子，這些大的聚集體有一部分可能在濾水過程中被纖維網絡截留，但也有一部分能通過纖維網絡間的空隙落入到濾液中而被FBRM檢出。

與PA單獨處理相對應，CPAM單獨處理時并沒有發現膠體聚集作用的存在。一般認為，CPAM屬于相對分子質量大、電荷密度低的水溶性聚合物，其特征是以架橋作用機理將膠體物質絮聚在一起，因而容易形成大的絮聚體。顯然，這個觀點與本實驗結果相矛盾。但是，根據本實驗紙漿的實際情況，可以對此現象做更深的分析。如2.1節所述，本實驗所用舊報紙脫墨漿高達58%的負電荷由DCS提供，因此，可以認為，相當于紙漿絕干總量0. 08%的CPAM加入到紙漿并與之混合均勻的過程中，CPAM攜帶的電荷絕大部分將被DCS中和。理論計算表明，上述用量CPAM的正電荷僅能中和DCS陽離子需求量的2.4%，因此可以認為其留著膠體粒子的能力確實會被DCS大大削弱。不過從本次實驗結果特別是圖3的結果看，CPAM作用于大量存在DCS的紙漿并沒有導致其完全失效，即CPAM還是可以將少部分膠體粒子留著到纖維上；另一方面，CPAM與DCS作用并沒有產生大的膠體聚集體殘留到白水中，這可能是因為CPAM優先被溶解物質(DS)中和，產生的是十分微小的CPAM-DS復合物的緣故。據研究，這類復合物太小而不能被FBRM檢出。圖2中CPAM作用后漿料濾液中膠體粒子的平均粒子略小于未經處理的空白樣，圖4中CPAM單獨處理后粒子分布曲線相比于空白樣向左偏移，即粒子尺寸向小方向偏移，這都表明：紙漿經CPAM處理后，濾液中大尺寸粒子數量減少。造成此現象的原因可能是CPAM能夠更好地將大尺寸的粒子保留在漿料中。

PA單獨處理和PA-CPAM協同處理后粒子分布曲線向右偏移，即粒子尺寸向大方向偏移，說明相比于未經處理，這兩種處理均產生“膠體聚集”。但比較兩者發現，PA-CPAM協同處理向右偏移的程度比PA單獨處理的小，說明在PA作用的基礎上，再使用CPAM處理，可將PA引起的膠體粒子聚集體再次留著到纖維上。這在機理上是可以獲得合理解釋的。根據補丁原理，PA作用下形成的膠體聚集體，并不需要遵循等電量作用的原則，即膠體聚集體本質上還是負電性的，因此，負電性的膠體聚集體容易在CPAM助留劑的作用下，通過架橋機理將其留著到纖維上。