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聚合氯化鋁在造紙中的應用

2018-11-19 宇清凈水 1885

長期以來,作為一種高效的絮凝劑,聚合氯化鋁一直廣泛用于水處理過程中。近些年來,聚合氯化鋁也越來越多地應用于造紙工業。八十年代初,歐洲率先開發了分散松香膠(DRS) / 聚合氯化鋁(PAC)中性施膠系統,用聚合氯化鋁代替硫酸鋁成功地實現了松香中性施膠。與此同時,聚合氯化鋁在造紙濕部還能起到良好的助留、助濾作用[1]。


1、PAC 在造紙工業中的應用
聚合氯化鋁在造紙工業中除部分用于污水和清水處理(造紙中)外,其主要用途是用于松香中性施膠沉淀劑和助留、助濾劑,此外,它還可用于控制樹脂障礙和作為陰離子雜質的捕捉劑等等。
(1)聚合氯化鋁用于松香中性施膠沉淀劑
由于全球范圍內的資源緊缺,造紙用原料變得越來越寶貴,用更廉價的CaCO3 填料來盡可能多地替代纖維變得更為實際,因此歐洲于八十年代中期率先采用松香中性施膠技術生產中性紙張,該生產過程可用 CaCO3 作為填料,這項技術成功的關鍵之一是用聚合氯化鋁代替傳統的明礬作為施膠沉淀劑。由于聚合氯化鋁可在中性甚至堿性范圍內仍能保持較高的正電性,而不像 Al2(SO4)3 那樣很快形成 Al(OH)3 沉淀,而且由于聚合氯化鋁的預水解,它不像 Al2(SO4)3 那樣把系統的 pH 值降得很低,所以,聚合氯化鋁是十分理想的進行中性施膠的新型鋁源,其施膠 pH 值可達到 7.5。繼歐洲之后,北美和其他許多地區的紙廠都相繼采用了這項技術變酸性造紙為中性造紙。利用這種方法進行中性施膠不僅大大降低了生產成本,同時也克服了用合成膠料(如 AKD 等)進行中性施膠時存在的一些難以避免的缺點(如打滑、施膠度難以控制等)。即使如此,由于聚合氯化鋁是一種處于亞穩狀態下的、復雜的無機高分子聚合物,因此,在使用過程中還存在著能否合理選用及其產品本身的穩定性等諸多問題,這還有待于在今后的研究和開發中進一步得到解決。
(2) 聚合氯化鋁用作助留、助濾劑
濕部化學是研究在脫水、成形過程中,紙料中的各種細小組分、添加劑以及纖維之間相互作用的表面及膠體化學的規律。在過去的十幾年當中,濕部化學的主要發展趨勢是造紙過程由酸性向中、堿性環境的過渡,而近些年來,另一種發展趨勢是在造紙濕部廣泛使用各種各樣的化學添加劑及添加系統。我國造紙工業以非木材纖維原料為主,其中又以禾本科植物纖維原料為主,由于草漿本身存在纖維短,雜細胞含量高,造成紙張強度差,抄紙過程中濾水困難,因而研究其在中、堿性條件下抄紙及利用各種助劑提高留著、濾水性能是適合我國國情的濕部化學的研究方向。
a、助留劑
目前,許多學說都認為,細小纖維和填料等在紙頁中的留著主要通過兩種方式作用,即機械截留和膠體絮凝作用來實現的,而隨著對留著機理不斷深入的研究,認為后一種作用更為重要。機械截留作用主要是顆粒機械地留著在逐漸形成的紙頁結構中,這種機理類似于過濾作用,它僅僅適用于紙料中的較長纖維部分,無法說明細小組分留著率高的原因,也無法解釋助留劑的助留效果。
當前,越來越多的研究集中于有關細小纖維及填料的留著機理,這些研究建立了許多不同的概念和模型,為解釋和發展留著機理、優化工藝過程提供了理論基礎。膠體絮聚作用包括凝聚作用(coagulation)和絮凝作用(flocculation)。凝聚作用(coagulation)指用無機鹽或分子量小、電荷密度較高的聚合物使膠體懸浮液失去穩定性而發生絮聚的作用,所產生的絮聚物是細小而緊密聚集的沉淀物,它主要是通過電荷中和、異相凝聚和補綴作用幾種形式來實現的。
絮凝作用(flocculation)指用一長鏈聚合物將膠體結合在一起,使膠體懸浮液失去穩定性而發生絮聚的作用,所產生的絮凝物為粗大、疏松、多孔的團塊。絮凝作用主要通過橋聯絮凝作用和網絡絮凝作用兩種形式來實現。
   b、助濾劑
由于紙料的脫水過程會直接影響紙張的質量和紙機的運行性能,而且濾水性能的提高可以提高生產率,改善紙頁成形,降低干燥部能耗等,所以提高紙料的濾水性能是濕部化學研究的重要內容之一。在通常情況下,幾乎所有的助留劑和電荷中和劑均兼有助濾功能,所以硫酸鋁、聚合氯化鋁、陰離子淀粉、聚電解質以及微粒助留系統都可以起到助濾作用。
(3) 聚合氯化鋁的其他用途
隨著造紙過程逐漸由酸性轉向中、堿性范圍,白水封閉程度不斷提高,高得率漿及涂布損紙數量的增加,紙漿中的陰離子雜質問題就越來越突出,若得不到及時處理,它將會嚴重影響到紙機操作及成紙質量。實踐證明,本身帶有較高陽電荷的聚合氯化鋁是一種良好的雜質捕捉劑,它能與這些陰離子雜質結合并將其沉積到纖維上,從而不僅控制了陰離子雜質在紙漿中的干擾作用,也改善了紙漿的濾水性能,因為即使少量的陰離子纖維降解產物也會大大影響紙料的濾水作用。
與此同時,聚合氯化鋁可以很容易地吸附到纖維表面,還可以吸附帶有負電荷的填料和細小纖維,使它們更多地留著在紙頁內部;與其他有機聚合物的協同作用可以有效地提高細料的留著率,并改善漿料的濾水性能。
此外,聚合氯化鋁還可以有效地控制樹脂障礙,其原理與消除陰離子雜質相同。與 Al2(SO4)3 相比,聚合氯化鋁可以更有效地將樹脂固著在纖維上,同時聚合氯化鋁的使用可以大大減少 BaSO4 等不溶物的沉積。

4、展望
目前我國聚氯化鋁生產廠約上百家,但大多數廠家的規模及工業化程度不高,工業技術也落后,產品質量不穩定,這在一定程度上影響了這一優質絮凝劑的應用與發展,隨著近年來對無機高分子絮凝劑應用基礎理論研究的重視與發展,一些生產廠已開始向現代化生產規模和國際產品質量過渡,這會促使聚合鋁在我國的進一步推廣與應用。
聚合氯化鋁在歐洲和北美等地區已經成為環境及造紙工作者不可缺少的得力“助手”之一,它的作用幾乎涉及到水處理及造紙濕部化學的每一個方面。因此,只有在進行深入研究、分析的基礎上,合理地選用不同性能的聚合氯化鋁產品,優化其使用條件和操作環境,才能真正發揮這一新型高效鋁源的潛在作用。

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