造纸湿部化学测量与控制及应用

造纸湿部化学测量与控制及应用

张军辉

(黑龙江省有色金属地质勘查局702队,牡丹江157021)

[摘 要] 介绍了造纸湿部化学的基本理论、湿部电荷测量的方法,及如何利用这些方法进行纸机的湿部化学控制。

[关键词] 湿部化学;Zeta电位;胶体滴定

随着现代造纸工业的飞速发展,各种新的生产工艺和化学助剂不断涌现,造纸湿部化学也同时得到了迅速的发展。现在造纸湿部化学的研究也越来越多地引起了人们的重视。造纸湿部化学主要论述造纸浆料中的各种组分如纤维、水、填料、化学助剂等在造纸机网部滤水、留着、成形以及在白水循环过程中产生的相互间反应与作用的规律,其结果直接影响到纸机的运行是否正常和纸产品的质量。造纸湿部化学研究的内容主要包括造纸湿部化学理论,造纸湿部化学品,造纸湿部化学测量与控制及应用。本文主要结合生产现状对造纸湿部化学测量与控制作简单介绍。

1 造纸湿部化学基本理论

1.1 造纸湿部纸料配料组分的胶体化学特性

造纸湿部纸料悬浮液是一个多相性体系,其配料组成的粒子属于粗分散体系,具有胶体大小的尺寸,另外还有高的比表面积和比表自由能,而且大多数反应都发生在这些粒子之间,这是造纸湿部纸料配料的胶体化学重要特性。因此湿部化学的所有理论都是基于这一特性进行展开的。它的基本理论就是运用胶体化学和表面化学的理论来论述造纸配料中的各组分的特性以及作用规律。从热力学观点来讲,胶体可分为两类:亲液胶体和憎液胶体。而造纸湿部纸料配料是以水为介质的,因此造纸湿部纸料可分为亲水体系和疏水体系,疏水体系包括分散在水中的填料固体颗粒、细小纤维、松香胶料等,溶解于水中的淀粉、助留剂、助滤剂、干强剂、湿强剂等则属于亲水体系。亲水体系是大分子溶液,属于亲水的一种稳定体系[1]。而疏水体系是一个高度分散的

收稿日期:2009-12-01多相体系,有很大的比表面积和很高的比表自由能。

1.2 双电层理论

在胶体化学里有一个重要的理论就是双电层理论,它是从电荷的层面来研究胶体化学反应。从电荷的角度来看,悬浮胶体颗粒表面带有相同符号的电荷,界面电荷的存在会影响到造纸纤维悬浮液中离子的分布,胶体表面带有同符号的离子,而反离子分布在它的周围。反离子一方面受胶粒的电吸引,有靠近胶粒的趋势,另一方面因本身的电排斥作用有远离胶粒的趋势。在大多数情况下,一部分反离子和胶粒紧密地联在一起,这部分的反离子和胶粒表面上的离子形成的带电层叫做吸附层,另一部分反离子分布在胶粒的周围,离胶粒越远越稀,形成电荷符号与吸附层相反的另一带电层,叫做扩散层,由吸附层和扩散层所构成的电荷相反的两层叫做双电层。当分散相对分散介质做运动时,在不动的吸附层和可动的扩散层之间就产生电位差,称为动电位,也就是通常所称的Zeta电位,也可以简单地认为是控制胶粒间电排斥的电位。

2 湿部化学测量

由于胶体化学是从电荷层面来研究的,所以造纸湿部化学测量主要是造纸湿部配料的静电荷测量。衡量造纸配料静电荷特性的主要参数是Zeta 电位和溶解电荷量。

2.1 造纸配料中的静电荷

造纸纤维悬浮在水中时,都会产生一定的静电荷。包括纤维、细小纤维、填料及各种助剂等等。不论是分散的颗粒还是溶解的分子都是如此。静电荷包括表面电荷和溶解电荷,两者在湿部化学控制中都起着重要的作用。纸料中分散颗粒(纤维及填料)的表面电荷用纸料系统的Zeta电位进行描述,溶解

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表面电荷,它可以预测纤维、填料与添加助剂的反应性能。测量添加某种助剂添加前后的纸料Zeta电位,如果发生了明显的变化,就可以知道助剂与纤维及填料很好地结合了。由于纸料中大多数的分散颗粒带负电荷,所以纸料系统的Zeta电位一般都是负的。一个正的Zeta电位则表示可能过多地添加了阳离子助剂。三种方法可以用于测量造纸配料颗粒的Zeta电位:微电泳法、流动电位法、AC流动电流法,我公司使用的是流动电位法,这种方法不论是在线测量或实验室测量都很实用。对于纸料Zeta电位的检测我公司现在还无法作到在线检测,可以进行实验室离机测量,所用仪器是当前比较先进的由德国M U TEK Anlytic GmbH生产的SZP06系统Zeta电位仪。在线检测的一个主要应用是确定流浆箱的Zeta电位变化与纸机运行性间的联系,Zeta 电位变化越大,纸机运行性越差。由于Zeta电位是控制胶粒间电排斥的电位,因此理论上认为接近于造纸配料的Zeta电位零时最好,此时纸料中的细小纤维可以产生最好的凝聚。但是在实际生产中如果试图控制Zeta电位到中性,那么将可能导致系统阳离子化,当系统阳离子化时系统将变的不稳定,并且造成助剂的浪费。根据经验[3],人们认为应保持流浆箱中纸料Zeta电位的微负值(0~-5mV),这样对助留助滤效果最好并可以避免加入过多的阳离子助剂。2.3 溶解电荷的测量

由于环境保护方面的要求,需要封闭白水系统和增加纸厂白水的回用,这将导致纸厂的用水系统内溶解和悬浮固体浓度的增加。由于许多溶解物是胶体状的并带有电荷,它们与添加的助剂反应可能降低助剂的效用。这就是俗称的!阴离子垃圾∀或!阳离子垃圾∀,也叫干扰物。因此人们需要测量纸料系统中干扰物的数量,来预测它们对助剂的影响。由于干扰物都带电荷,所以人们就提出可以通过测量纸料滤液中的溶解电荷量来确定干扰物的数量。溶解电荷可以采用胶体滴定的方法测量,胶体滴定是指用标准阳离子或阴离子聚合物,使其与相反电荷的试样部分形成一对一的电荷复合物,终点时可确定出滴定剂的加入量,滴定剂的电荷数量就等于溶解电荷的数量。

3 控制及应用

在抄纸的湿部,使用胶体电荷测定仪(Particle 过程纸料的电性,以此来控制助剂的使用以及生产工艺,是十分科学而有效的。由于这两种仪器都比较昂贵,因此我们现在还无法进行在线测量,只能进行实验室离机测量。对各抄纸机台流浆箱的Zeta 电位进行了实验室观测,从观测结果看除了1#、2#机有时可以保持微负性外,其他机台均不能达到,并且存在Zeta电位不稳定,波动范围大的问题,以4#机为例在生产白水松纸时它的Zeta电位范围是-8.3~-31.7mV,这样的波动范围是不利于生产控制的。在5月20日~31日生产氧化锌原纸期间,对流浆箱的Zeta电位进行了跟踪测量,图1就是其流浆箱纸料Zeta电位变化图。

图1 生产氧化锌原纸Zeta电位变化图

从图1可以看出,在生产期间流浆箱的Zeta电位非常不稳,并且系统已经阳离子化了,这对于纸机稳定运行是非常不利的。此时系统内累积了大量的阳离子垃圾将会导致细小纤维再分散和特性的丧失,影响助剂的使用效果。如果此时加大助剂使用量来弥补,由于这些助剂都是阳离子型的,将会导致系统进一步阳离子化,形成恶性循环,对纸机的助留和运行性产生不利影响。此时,应该清除系统内的这些阳离子干扰物,比如加入阴离子性的电荷中和剂,或将阳离子淀粉改用两性淀粉。

在线电荷测量用在降低进料物流中的流浆箱配料电性参数的变化,King建议对下列参数进行监控[1]:利用Zeta电位在化学添加剂加入前后的变化来确定添加剂与纤维和细小纤维的反应;损纸浆进入设备处理前后的阳离子需求量和Zeta电位的变化;利用填料中的阳离子需要量和Zeta电位来确定分散剂的平均量和表面电荷。这些参数将对生产有指导意义。

虽然不能进行在线测量,但是可以在实验室对一些参数进行测量,同样具有益处。在实验室做了

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