（制浆造纸工程专业论文）新闻纸厂湿部系统dcs的化学性质、影响行为及其光学评价方法的研究.pdf

摘要 摘要 新闻纸厂的湿部系统由于采用含机木浆( w o o dc o n t a i n i n g ) 的纸料，从而带入了许 多木材抽出物和溶出物等胶体和溶解的物质( d c s ，d i s s o l v e da n dc o l l o i d a ls u b s t a l l c e s ) 。随着纸机白水封闭循环程度的提高，会引起d c s 的富集，从而影响到纸机的操作和 成纸的性质。为解决这一特殊问题，本文对新闻纸厂的d c s 的来源分布和特性进行了分 析研究，并采用光学方法和装置对d c s 的影响行为进行了较深入的评价和探讨。 本论文分为两个部分： 第一部分主要对d c s 物质的来源、分布、特性及其对造纸过程的影响进行了研究。 论文研究了新闻纸机湿部系统的胶体和溶解的物质( d c s ) 的来源，并利用的水质 参数( 如c o d 、t o c 、电导率和紫外吸光度等) 等指标，表征了d c s 在新闻纸机湿部的 实际分布状况。研究表明，热磨机械浆t m p 和磨石磨木浆g p 是湿部d c s 的主要来源，约 占总来源的8 3 3 ( 以c 0 d 计) 。在新闻纸机湿部这种特定的环境下，紫外吸光度存在表 征过程水质的可能性。 通过采用甲基叔丁基醚( m t b e ) 对来自于纸机过程水样和沉积物以及t m p 制浆系 统的沉积物样品进行抽提，并在硅烷化后对其进行了g c m s 分析，确定了新闻纸厂过程 水和湿部沉积物中的主要成分为树脂酸、脂肪酸、甘油酯和甾醇类物质。此外，过程水 中还含有单糖和降解后的木素类物质，并对这些成分的来源和影响进行探讨。 论文中采用一种机械分散方法制取了三油酸甘油酯、油酸的模拟物c r c ( c o l l o i d a l r e s i nc o m p o n e n t ) ，并以此对新闻纸机湿部系统进行了研究。研究表明，油酸模型物对 p e o p f r 和p e p a m 助留系统的首程留着率的影晌要大于三油酸甘油酯模型物，p e o p f r 助留系统比p e k ：p a m 更适应模型物浓度的增加。这两类模型物浓度的增加会对抗 张指数、撕裂指数、零距抗张强度和光散射系数等纸张物理性质造成负面影响。 第二部分采用基于光学原理的一系列分析方法，较深入地表征和评价了d c s 在新 闻纸湿部系统的影响行为。 针对系统封闭后助留系统的失效问题，本文基于透光脉动的原理，研发了适合研究 填料絮凝的絮凝分析系统，并利用该系统考察了d c s 在不问助留系统对不同的填料体 系( 滑石粉，p c c ) 絮凝尺度的影响。研究表明，在c p a m 胶体硅系统中，d c s 浓度 的增加会造成对滑石粉絮凝尺度的下降，但对p c c 的絮凝尺度却出现上升。对于单组 华南理工大学工学博士学位论文 分的p e o 助留系统，一定程度的d c s 浓度的增加可以显著提高其絮凝尺度，起到了与 c o f 如t o r 相同的作用。 本文还研究了d c s 浓度变化对助留系统中形成的絮团的剪切适应性的影响。在此 基础上，探讨了机浆新闻纸系统中在d c s 浓度较高的情况下助留系统的絮凝尺度与絮 凝机理的对应关系，并利用三方差分析法描述了不同助留系统对不同分散系统的整体适 应能力、剪切适应能力以及适应d c s 浓度变化的能力。 为了研究封闭程度增加后新闻纸系统中出现的树脂和胶粘物问题，文中开发了一种 基于光学原理的评价湿部d c s 中树脂和胶粘物动态析出和沉积的测量装置，并利用该 装置研究和评价了湿部系统剪切速率、阳离子需求量、电导率和p h 值等参数的变化对 d c s 沉积与析出的影响。研究表明，不同的剪切速度造成d c s 中胶体组分的析出量的 不同，剪切速度越大，析出量越多。在本实验条件下p h 值和阳离子需求量的增加都会 导致d c s 沉积和析出量的增加。m ”、c a 2 + 和+ 等浓度的变化会影响白水中d c s 的 稳定性，过程化学品( 如松香胶等) 在系统中的残留也会造成d c s 失稳。 根据d c s 中主要组成部分的吸收光谱特性，提出了一种基于紫夕卜和近红外双波长原 理的d c s 浓度的测试方法，并建立了相关的补偿数学模型，初步解决了实际过程中纤维、 填料以及杂质等对测量过程的干扰问题，为实际生产实现d c s 浓度变化的监控奠定了基 石出。 量 关键词新闻纸；封闭循环；表征参数：g c m s ；d c s ；光学方法；树脂沉积；测 i i a b s t r a c t u s i n gw o o d - c o n 诅i n i n g 矗_ l r l l i s h e si nt l l ew e t e n do fn e w s p a p e fm i l lm a yb r i n gm a n y d i s s 0 1 v e da 1 1 dc o l l o i d a ls u b s t a i l c e s ( d c s ) i n t ot h ew h i t ew a t e rs y s t e m a l o n g 晰t l lm i l l s m o v i n gt o w a r d ss y s t e mc l o s u r e ，t h cc o n c e n t r a t i o no fd c si si n c r e a s i n g ，w h i c hn l a yg r e a t l y a 行e c tm en m a b i l 酊o fp a p c rm a c h j n ea n dp a p e rc h a a c t e r i s t i c s t os o l v et l l i sp r o b l e m ，也e s o u r c e ，d i s m b u t i o na n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fd c si nn e w s p a p e rm i l l 、v e r e 锄a l s i z e di nt | l i s d i s s 翻t a t i o n m o r e o v e r t l l ei n n u e n c ea 1 1 db e h a v i o ro fd c sa n di t sm e c h a n i s mw e r ee v a l u a t e d a 1 1 df i m h e rd i s c u s s e db ym e a n so f o p t i c a li n e a s t l r e a i l a l y s i sm e m o d t h i sr e s e a r c hc o n s i s t st w op a n s f i 删y ，c e n a i np a r 锄e t e r s ，i n c l u d i n gc o d ，t o c ， c o n d u c t j v i l ya n du vs p c c t r i n ，w e r ei n l m d u c e dh e 陀t oi n v e s 廿g a l en l es o u r c e 锄dd i s 埘b u l i o n o fd c si nc l o s e dw h i t ew a t e fs y s t e mo fn e w s p 印e rm i i l s r e s u l t sd e m o n s 仃a t e dt 1 1 a tt h e r m o m e c h a n i c a lp u l p ( t m p ) 趾ds t o n eg r o u n dw o o dp u l p ( g p ) w e r em em a i ns o u r c eo fd c s i t w a sf b u l l dt 量l a tu vs p e c 讯哪c 札b eu s e da sat o k e np a 娜n 曲盯f o rp r o c e s sw a t e ri nw e t c n do f an e w s p r i mm a c h i n e t ba s c e r t a mm em a i nc o m p o n e t so ft h ep r e c i p i t a t e s 厅o mb o 血m e p r o c e s sw a t e r 觚dw e t e n do f m ep a p e rm a c h m ei nn e w s p r i m1 1 1 i l l ，m t b e 啪su s e dt oe x t r 8 c t t 1 1 es a m p l e sc o l l e c t e df b mm ep r o c e s sw a t e ra i l dw e t e n d t 圮c o r r e s p o n d i n ge x 廿a c t i v e s w e r et r i m e l l l y l s i l y l a t c da i l ds u b s e q u c n n ya n a l y z e db yg c - m s t h e nt 1 1 em a i nc o m p o n c m so f t l l ep r e c i p i t a t e sw e r ec o n f i m e dt ob er e s i na c i d s ，f h t 眵a c i d s ，g l y c e r i d e sa n dp h ”o s t e r o l s a d d i t i o n a l 锄a l lq u a n t 蚵o f m o n o s a c c 嘶d e 趾dd c c o m p o s e dl i 部曲w e r ea l s of o u n d c o i l s i d e r i n g t l l a tm ec o m p o n e n t so fd c si n 缸n i s h e sm a ya 圩tt h e 、v e t e n d c h a r a c t e r i s t i co fp 印e rt i l a l c l l i n e 锄dt l l e p h y s i c a lp r o p e n i e so fp a p e r ，am e m o d 、v a s i t l 仃o u d u c e dt 0o b 诅i nt h cc o l l o i d a lr e s i nc o m p o n e n t ss i m u l a c m m s ( c r c ) o f 砸o i e i na n d o l e i ca c i db yal l 主g h s p e e dd i s p e r s i o ni n 咖腓e m i tw 髂f o u n dm a tm ee 骶c to fo l e i ca c i d m o d e lo nf i r s tp a s sr e t e n t i o no fp e o p f ra n dp e i c p a ma r cm o r ea d a p t i v et l l a l lt h a to f m o l e i nr n o d e l ，a i l dp e o p f rr e n t e n t i o ns y s t e mc a i lb em o r er e a d i l ya c c o m m o d a t e st om e e n h a n c e dc o n c e 响眦i o no fc r ct 1 1 a j lp e i ，c p a m i n c r e 踮垴gn 坞c o n c c n t m t i o no ft h et w o m o d e l sm a yr e s u 儿j nn e g a t i v ee 符b c to nt | l ep h y s j c a lp r o p e n i e so f p a p s u c h 船t e n s i l ei n d e x ， t e a ri n d e x ，z e ms p a t lt e n s i l es 灯e n g t l l 趿dl i g h ts c a t t e r i n gc o e m c i e n t ，、v c r ea l s oe x 锄i 1 1 e d t h es e c o n dp a no ft l l i sr e s e a r c hw o r kw a sa i m e da tb e t t e re s t i m a t i n ga i l d 缸恤e r 【 华南理工大学工学博士学位论文 s n i d y i n go nd c sa l l di t si n n u c n c i n gb e h a v i o li nm i sw o r k ，am e t h o df o re v a l u a t i n ga n d e x p 陀s s i n gd c sb 船c do no 埘c s 砸n c i p l e 、v a se x p l o r e d t ow e l li n v e s t i g a t ct h ef l o c c u l a t i o n o f t h ef i i i e r s ，as e to f f l o c c u l a t i o l l - a i l a l y s i se q u i p m e n tw 鹊d e s i g n e db a s e do nt h ep r i n c i p l eo f t r a n s i tl i g h tf l u c t l i a t i o na n dt h ea c t i l a lc o n d i t i o n so fc u r r e n tn e w s p a p e r m i l l s u b s e q u e n t ly ，t h e e f r e c to fv a r i o u sr e t e l l t i o ns y s t e m so nt l l ef l o cs i z eo fd i 矗1 e r c mf i l l e rs y s t e m s ( t a l co rp c c ) w a ss t u d i e du s i n gt h i sa i l a l y t i c a ls y s t e m w h e nt h ec o n c e 呲m t i o no fd c sw a si n c r e a s e d ，m e c p a m c o l l o i ds i l i c o ns y s t e mm a yr c d u c e 出en o cs i z eo f t a l cb u ti n c r e a s et h a to f p c c ，f o rt h e s i n g l ec o 唧o n e n t 柚dp e o p f rs y s t e m s ，t l l ed c si n c r e a s i n gc a t la l s o 擎e a t l yi n c r e a s et h e n o cs i z e n l ee 腩c to fd c sc o n c e 曲a t i o no nm es h e a ra d a p 诅b i l 时o f t h en o cf o n n e di n m o s ef i l l e rs y s t c m s 、a sa l s oi n v e s t i g a t e d o nt l eb a s i so fa b o v er e s u l 弧t t l er e l a t i o n s h i po f n o cs i z e 诵t l ln o c c u l a t i o nm e c h a n i s mo ff i l l e rs y s t e m s 洫ac o n c e n t r a t e dd c ss y s t e mw a s h e r e i nd i s c u s s e d m e a i l t i m e ，t h r e es t a n d a r dd e v i a t i o nv a l u e sw e r eu s e dt od e s c r i b et 1 1 es y s t e m a d 印t a b i l i t yw h e nm es h c a rf o r c ea i l dt h ed c sc o n c e n t r a t i o nc h a i l g e d t od c a l 、v i t l lt h e p r o b l e mc a u s e db yr e s i na n ds t i c b e sa f b rc l o s u r e ，ar i l e a s u r e m e n td e v i c eb a s e do no p t i c s p r i n c i p l ew 船d e v e l o p e d ，a i l di tc a nb eu s e df o rd y n a i i l i c a i l ye s t i m a t i n g 协ed c p o s m o no f r e s i n sa t l ds t i c k i e s s u p p o 毗db yt l i sd e v i c e ，t l l ee 脏c to fs o m ei n l p o n a n tf 如t o r s ( s u c ha s w e t - e n ds h e a rr a t e ，c a t i o n i cc l l a r g ed e m 姐d ，c o n d u c t i v i 毋a n dp 均o nm ed e p o s i t i o no fd c s w e r ee x 啪i n c d v h r y i i l g 血es h e a rr a t em a yl e a dt ot 1 1 ec h a n g eo fd e p o s i t sq u a n t i t yo fd c s t h ch i g h e rm es h e a rr a t e ，t i l em o r et i l ed e p l o s i t s u n d c rt h ep r c s e n te x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n ， m c r e a s i n gb o mp hv a l u c 趾dc a t i o l l i cc h a 唱ed e m a i l dc a np r o m o t et h ed e p o s i t i o no fd c s f o r s o m ei o l l 8 ，i n c l u d i n ga l 、c a 2 + a n dn a + ，t l ec h a n g e so fm e i rc o n c e r 心吐i o nm a ya 腩c tt h e s 协b i l i t yo f d c sm w h i t ew a t e r a n ds od o e sp m c e s sc h e m i c a l ss u c ha sr c s i ns i z i f l ga g e n t t om e e tt l e p r a c t i c a ld e m a n d si nt h eo p e r a t i n gp r o c e s sau s e 凡1m e t h o d 、a sa l s o d e v e l o p e df o rs i m p l ya n dr a p i d l ym e a s l j r i n gn l cd c sc o n c e n 锄岫o i l i ti sb a do nt h eu v 、，i s s p e c m l mc h a r t e r i s t i co fm em a i nc o m p o n e n t si nd c s b e s i d c s ，ac o m p e n s a t o r ym a t h e m a t i c i n o d e lw a sa l s 0e s t a b l i s t l e dt 0a v o i dm ei n t e m 崩l c ec a u s e db yt h ee x i s t i n g 劢e r s ，f i l l e r sa i l d o t l l e ri m p u r i t i e s f u n l l e 咖o r e ，t 1 1 ed e s i g n 町l dm 锄u f 犯n l r eo fas c n s o rf o rd c sm e a s u r i n g w a sp r e l i m i n a r i l yd i s c u s s e di nt l l i sd i s s c n 砒i o n a b s n 丑c t k e yw o r d s ： n e w s p a p e r ； w h i t e w a t c rc l o s u r e ；p a r a n l e t e r s ；g c m s ：d c s ；o p t i c s m e t h o d ：r e s i nd e p o s i t ；m e a 涨 v 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进 行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：勘锄日期：舸年二月搋 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密吼 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：起勿多日期；? 刊每么月厮 导师签名： 饧绛日期：珲月撕 第一章绪论 第一章绪论 1 _ 1 造纸工业的清洁生产与纸机的白水封闭循环 1 1 1 白水封闭循环产生的背景 制浆造纸工业是我国国民经济发展中的重要的、必不可少的行业，纸及纸板的消费 水平也己成为衡量一个国家现代化水平和文明程度的重要标志之一。中国是造纸技术的 发源地，两千年来，造纸作为一个行业一直与人们和谐共存。然而，如今我国的造纸业 在造出纸张、传承文明的同时，对可持续发展的生态文明也构成了严峻挑战。我国加入 w t o 世界贸易组织后，这一传统工业面临着日益严峻的挑战，同时也迎来了新一轮的发 展机遇。 中国纸业目前正经历一个需求量高速增长的时期。2 0 0 3 年中国纸和纸板产量为4 3 0 0 万，消费量达4 8 0 6 万吨，人均消费量为3 7 公斤，产量与消费量均居世界第二位【1 1 。根据 专家预测，到2 0 1 0 年中国纸和纸板消费总量将达到7 0 0 0 8 0 0 0 万吨，市场潜力巨大。但 国内生产能力的扩大将受到多方面的影响，其中一个主要制约条件是水资源。正如联合 国水资源大会所指出的，我们正进入了“一个新的水资源紧缺时代”，水资源的短缺，已 经成为不但是我国，也是当今国际制浆造纸工业可持续发展亟待解决的重要问题。据国 家有关部门报道：中国的人均水资源量只有2 2 0 0m 3 ，仅为世界平均水平的l 4 ，解决缺 水已成为中国经济发展中的一个重大问题【2 l 。虽然我国造纸行业在某些方面已经取得了 很大的进步，但不可否认的是与发达国家相比，总体上还有较大的差距。在世界资源和 环境压力与日俱增的情况下，怎样充分利用我们国家现有资源，特别是水资源，以及减 少造纸业对环境的压力都是值得我们深入研究和解决的问题。 由于国情和历史的原因。我国目前的造纸企业还有相当数量的中小企业，其中一些 企业设备陈旧、工艺落后、规模较小，吨纸取水量都在1 0 0 吨以上，吨浆取水量高达2 0 0 吨，不但造成了水资源的大量浪费，而且对环境造成了恶劣的影响，这主要体现在废水 的排放及其对水体所造成的的污染。因此，国家对制浆造纸工业企业的法规约束也越来 越严厉，2 0 0 3 年1 月6 日，原国家经贸委、国家标准化委员会召开重点行业取水定额新闻 发布会，会上公布了6 项国家标准，其中涉及造纸行业有2 项标准，即工业企业产品取 水定额编制通则和造纸产品取水定额，如表1 1 所示。从取水定额指标来看，比以 华南理丁大学工学博十学位论文 前进步了很多，但是与欧美等发达国家相比，尚有不小的差距，估计目前只有极少数企 业达到了国际先进水平，达到该标准的企业仅为2 0 ，其余的企业还需要大大增强节水 意识，自觉采取先进节水技术和节水经验【3 1 。 表卜l 造纸产品取水量定额指标( 心t 纸) 3 1 t a b l el 一1s 趔型! ! 业! ! ! 罂竺垡i ! 翌! 翌鲤! ：幽u c t i o n ( m 3 t ) 标准分级a 级b 级 在国外，制浆造纸企业在二十世纪的五六十年代的用水量也是相当高的，但随着对 环保的重视、对自然资源节约的社会要求的增加以及目益严厉的政府环保法规的出台， 用水量已经有了显著的下降。美国1 9 5 9 年的硫酸盐木浆厂生产过程吨浆取水量高达2 4 0 m 3 ，1 9 8 8 年已下降到3 6m 3 ，国外最新设计的浆厂已下降到1 3m 3 ，新闻纸的耗水量也由 过去的5 0 6 0m 3 下降到l om 3 以内，部分以不脱墨废纸为原料的工厂，已达到零排放的标 准【3 l 。这些进步均得益于过程水回用尤其是封闭循环技术的发展和应用。 1 1 2 白水封闭循环的意义 白水封闭循环不仅能提高经济效益，而且能解决排水的公害问题，故在造纸厂实行 白水封闭循环有着极其重要的意义，造纸厂的白水循环使用目前已成为共识。实行白水 封闭循环的意义具体如下： 能够节约清水用量，同时还可减少用水的净化设备和费用，这对工业用水价格高 第一章绪论 的工厂尤其有着很大的经济意义。 - 由于工厂排水量的减少，降低了含有化学品的浆料的流失，减少了对水源的污染， 同时还减少了排水的处理设备和费用以及企业的排污费。 可以有效地利用白水中含有的热量并节约纤维原料。 增加使用白水代替清水，可以提高细小纤维的留着率，改善纸页的匀度。 白水直接循环使用，可以减轻白水回收设备的负荷，降低能源的消耗。 1 1 - 3 过程水封闭循环技术发展的国内外现状 在国外，制浆造纸工业水系统封闭循环概念的产生可以回溯到上个世纪3 0 年代的加 拿大封闭循环技术起步于5 0 年代和6 0 年代。在当时，为了改善对环境的影响，一些造 纸企业开始设置污水处理厂，为了减小污水处理厂的规模，这些工厂采取一些措施对纸 机进行封闭，包括采用清污分流，对回用水使用在线过滤器进行处理等，而且通过改善 助留，将原材料的利用率提高到了9 7 ，这一时期用水量降低到了5 0 m 3 t ( 文化纸) h 。 在7 0 年代和8 0 年代，封闭循环技术又有了进一步的改进和发展，主要体现在污水处理方 法的改进上，如加装了u a s b 反应器( u p n o w a n a e r o b i cs l u d g eb l a n k e tr e a c t o r ) ，可利 用其中产生的沼气，提高了污水处理厂的经济性1 1 9 】。而第一次尝试真正意义上的“完全 零排放”是于1 9 7 7 年在著名的大潮森林产品公司( g r e a 主l a k e sp r o d u c tl t d ，t h u n d e rb a y ， o m ) 的硫酸盐漂白浆厂所进行的工厂试验。但此浆厂在运行数年后，出现了众多的问 题，加之当时尚有许多技术问题未完善，而被迫放弃封闭【5 l 。 表卜2 国外某典型纸厂变化总览“9 t a b k1 - 2s u 删瑚r yo f m i l lc h 眦g e s 从国外的情况来看，目前已经实现封闭循环的纸厂，主要是采用o c c ( 废瓦楞纸) 华南理工大学工学博士学位论文 和o n p ( 废新闻纸) 废纸为原料生产瓦楞纸或纸板的工厂。美国e p a c ( 环境保护局) 明确规定，非脱墨再生纸厂( 指用废纸生产瓦楞纸和各种纸板的纸厂) 必须实行零排放， 该局对2 5 家非脱墨再生纸厂进行了调查，其中1 0 家已达到了环保局的零排放要求，其他 1 5 家接近达到零排放要求，绝大多数非脱墨再生纸厂已实现零排放【1 6 j 。9 0 年代，由于i s o 1 4 0 0 1 、e m a s ( e u s e c o m a n a 辨m e m a n d a u d i t s c h e m e ) 等的出台，造纸工业受到越来 越严厉的环境压力，因而投入更多的人力和物力发展封闭循环的相关技术 1 9 】。 相对于使用废纸生产瓦楞纸和各种纸板的纸厂来说，由于机械木浆中含有大量的抽 出物组分和木素，而且对产品的质量要求较高，所以以含机木浆为原料的纸厂的封闭要 困难的多，直到1 9 9 0 年7 月，美国h e n n e p i n 造纸公司才成为了第一个以含机木浆为原料 而试行零排放的纸厂。该厂以磨木浆为原料生产特种纸封闭后出现了很多问题，发现 总悬浮固体物和孳生的微生物大大超出了预期的水平，此外，白水中电导率的增长加重 了设备的腐蚀【”。在加拿大，l o u i s a i l ap a c i 丘c 公司下属的b c p 浆厂和m i l l 扑w e s t e m 纸厂2 个机械木浆厂已经实现零排放，目前正在运行。但是实现封闭循环后，由于污水 处理系统中引入细菌的大量繁殖滋生，管道中生成很多粘状物容易使其堵塞【2 i 】。 国内在这方面的研究起步较晚，在生产文化用纸的工厂中，国内还没有一家实现造 纸废水的“零排放”。直到近年来，国家大力倡导和推进清洁生产，国内一些大型的制浆 造纸工业企业才开始加大这方面的投入。国内的一些企业，如山东日照，福建邵武，四 川雅安，山东华泰、晨鸣等从国外引进先进的制浆造纸技术和装备，木材制浆过程取水 量已降低到6 0 8 0m 3 t 浆，草浆也降低到接近1 0 0m 3 t 浆。福建南纸、上海泛亚潜力等 纸业公司新闻纸车间水循环利用率已提高到7 7 7 9 1 3 】。据报道国内少数的生产包装用 纸和生活用纸的工厂已经实现了造纸废水的“零排放”，如广东中山联合鸿兴纸业公司和 广州莲花山造纸厂都对造纸车间的废水进行了厂内处理，初步实现了生产过程用水的封 闭循环，但是存在的问题是处理费用较高，并且很大程度上受其它因素的影响，得到的 回用水水质不稳定等等【5 l 。 目前的新闻纸生产中，多采用机械木浆和废纸脱墨浆为生产原料，而新闻纸又是一 种对成纸的质量要求较高的纸种，造成了新闻纸机白水系统封闭的难度要远远的大于生 产瓦楞纸和纸板的纸机。对新闻纸机白水封闭循环相关技术对策和机理的研究已成为国 际上制浆造纸工业界和学术界进行研究的热点问题。 1 1 4 白水系统封闭对纸机所造成的影响 4 第一章绪论 纸机的白水系统封闭后，白水循环系统中各种物质的浓度会增加，这些物质主要包 括抽出物、木素、淀粉和半纤维素等有机胶体物质和溶解的物质( d c s ) ，以及硫酸盐、 钙盐和碳酸盐等离子。其中这些d c s 组分在封闭循环后浓度的剧增，是造成白水封闭循 环后出现的各种问题的根源。 1 1 。4 1 自水封闭会造成非过程元素的大量积累 系统封闭后，进入的清水量和排除的废水量会大大减少，在没有内置的净化处理设 备的情况下，非过程元素将会大量的积累，表l 一3 反映了采用1 0 0 o c c 为原料的某纸板 厂纸机系统封闭前后白水中各组分的浓度变化，表1 4 则显示了不同纸厂封闭后白水中 各组分浓度，可以看出封闭后这些非过程的浓度都有急尉的增加。这些非过程元素的积 累会造成如设备结垢、助留系统失效、泡沫和树脂沉积等一系列的问题，下文将予以详 述【6 l0 1 。 表卜3 纸机系统( 1 0 0 o c c ) 封l 孤前后白水组分浓度的变化。 t a b l e1 3c h a i l g e so fw h i t e - w a t e r sc o n t e n t sc o n s i s t e n c yb e f o r e 锄da f t e rc l o s u r ei n 2 翌竺翌竺些兰 组分( p p m )开放系统剪闭歪堑堕堕旦王 1 1 4 2 助留系统失效 系统封闭后的白水系统内积累了大量的非过程元素，包括大量的无机盐类、制浆漂 白过程中引入的阴离子垃圾( a l l i o n j c t r a s h ) 等，这些物质会对湿部添加助留系统产生严 重的影响。这是因为目前采用的助留系统多为高分子聚合物，盐离子浓度的增高，会使 华南理工大学工学博十学位论文 高分子助留系统的分子链收缩，减少了与细小纤维、纤维以及填料的接触面积，造成助 留系统失效，见图1 1 ；此外，体系内的阴离子垃圾与带正电性的阳离子高分子聚合物 发生作用也会使助留系统失效，因而对纸机的湿部化学性质和生产效率产生影响。3 1 。 表卜4 四个封闭循环纸厂的水质分析 t a ! ! ! ! ：兰竺型z 曼! ! 堡1 2 1 1 型1 2 呈! ! 塑! 竺堡! 垫! ! 竺! ! ! ! ! 璺翌；l l s 工厂abcd 曲畸明睁 瓤蚺i - - 1 棚b 甘馘一帕分 誊：柚 韵蚪曩撼下寅l 瞩毒静辩 图卜l 离子浓度的增加对高分子助剂有效体积的影响 f i g 1 一lt h ee 仃e c to f i o nc o n c e n 打a t i o no na v a i l a b l ea i dv o l 啪e 1 1 4 _ 3 设备、管道的腐蚀和结垢问题 系统封闭后，纸机白水系统中硫酸盐和氯化物的浓度会大大增加，系统的p h 值则降 低，因而大大加重了设备和管道的腐蚀状况1 1 4 l 。b o w e r s 等研究结果表明系统内有机酸含 6 第一章绪论 量的增加也会加重设备的腐蚀，而且白水在流速高的地方腐蚀率也会增高。结垢主要 成分是碱土金属离子的有机或无机盐的沉淀物。由于大量的钙和钡随木材原料进入制浆 系统，与在制浆和漂白过程中生成碳酸根离子、草酸根离子，酸化过程中产生硫酸根离 子发生反应，相应生成如草酸钙、碳酸钙和硫酸钡等难溶性的物质，这些物质沉积到管 道和设备上就形成了结垢。系统封闭后，钙、钡等非过程元素的浓度会大大增加，导致 结垢的现象加剧，严重影响设备的正常运行。此外，腐蚀的增加会降低设备的使用寿命， 增加系统封闭的成本。 1 1 4 4 微生物的擎生和气昧问题 纸机的臼水系统封闭后，由于清水用量和热损失减少，系统内的温度较高，一般来 说可增加到4 0 5 5 0 c ，最高可达6 0 以上。温度的增加会导致微生物的生长活性的增加， 导致封闭系统中厌氧菌大量繁殖，在设备和管壁上产生大量的粘状物积累，影响设备的 正常运行，此外还会导致腐浆增多、浆料变臭，并产生有毒气体( h 2 s ) 或易爆气体( h 2 ) 1 6 1 表卜5 白水封闭前后微生物性质的变化“ r a b l e1 5c h a n g e so f m i c r o b i a lc h a r a c t e r i s t i c sb e f o r c 趾da f t e r 也ew i l i t c - 、v a t e rc l o s u r e 茁类开放系统封闭系统 好氧菌 2 9 1 0 1 1 1 0 7 厌氧菌 1 5x 1 0 。9 2 叭l 酽 真菌 2 3 09 0 1 1 4 5 泡沫问题 系统封闭后，木质素、溶解粒子、悬浮粒子、施胶剂和淀粉等表面改性物质组分增 加，使得纸机湿部系统失去平衡，同时封闭后抽出物组分( 如脂肪酸等) 和白水中的一 些非过程元素( 如钙、镁等) 离子的浓度会大大增加，二者可生成皂化物，会产生大量 的泡沫，这些泡沫在发生崩溃后往往会沉积在设备的表面，影响设备的正常运行l 。 1 1 4 6 白水封闭对成纸性质的影响 d o b b j n s 等人在实验用长网纸机上模拟了白水封闭系统，抄造半漂白磨木浆未涂布 商用目录纸，其研究结果表明，当白水( 流浆箱) 中溶解盐含量超过2 0 ，o o o p p m 后( 此 值为1 0 0 封闭的白水系统的盐含量水平) ，除了耐破指数和不透明度外，主要的物理和 光学性能指标均略有降低【3 2 6 9 】。s p r i n g e r 等人在实验室的模拟结果表明白水中溶解固含 量的增加对纸页的抗张强度有一定负面影响吲。g i l b e n 和v e n d r i e s 分别采用动态成形器 华南理工大学工学博士学位论文 ( f o 册e n ed ”a m i q u es h e e tf o 肋e r ) 研究了系统封闭对挂面纸板物理性质的影响，结果 表明系统封闭会造成纸板强度下降，并且该现象与白水中有机物含量增高有关【3 4 ，”。 1 1 4 7 树脂和胶粘物问题 纸机白水系统封闭后，树脂和胶粘物问题是影响系统正常运行的一个重要因素。树 脂主要来源于木材中的抽出杨组分，而胶粘物则主要是由于使用二次纤维引入的杂质。 这些成分一般成胶体状分散在浆料中，当其浓度达到一定程度，在流体剪切力和其它外 界因素作用下，就会发生析出和沉积，产生树脂障碍和胶粘物问题，这些问题通常会出 现在纸机的湿部，影响纸机的正常运行和产品的质量，该问题在主要是以机木浆和脱墨 浆为原料的新闻纸系统中表现的尤为突出l l 7 ”j 。 1 2 新闻纸机白水系统封闭循环 新闻纸是文化生活和传媒的主要用纸，新闻纸厂是我国造纸工业的主要生产厂家， 而新闻纸厂的装备水平代表了我国造纸工业的最高水平，因此，对新闻纸厂白水系统封 闭循环的研究对其它纸类产品的具有较高的指导意义。 1 2 1 新闻纸机的湿部特点 许多研究表明术材原料中的有机物质是d c s 的主要来源，且随着木材材种和制浆 方法的不同，纸浆滤液中的d c s 物质的种类和含量也有较大的差异。新闻纸浆料的配 比中机械浆占了相当大的比例，而在各种纸浆中，机械浆系统白水中的d c s 含量最大。 因此新闻纸白水中的d c s 组分含量比较高并且成分复杂。随着目前二次纤维回用的增 加，废纸脱墨浆( d i p ) 成为新闻纸机的主要原料之一，来自于废纸涂布纸中涂料中的 成分( 各种涂布添加剂) 、印刷油墨和各种杂质，随着脱墨浆一起被引入到纸机湿部， 造成新闻纸机自水中d c s 浓度的增加，成分变得更加复杂。 目前，现代化新闻纸厂中新闻纸机运行车速可以达到1 ，5 0 0 耐m i n 以上，浆料在上网 流送过程中，会受到冲浆泵、旋翼筛、流浆箱网部脱水元件的强烈的水力剪切作用。高 速新闻纸机一般采用夹网或顶网成形器，脱水条件非常剧烈，首程留着率( f i 呔p a s s r e 蜘t i o n ) 往往较低，为了提高纤维和填料的留着率，降低成本和消耗，在湿部添加助 留系统也是必须的。 与其它纸机的湿部相比，新闻纸机湿部主要有这样的特点；复杂( 或者是不洁净) 的浆料体系、强烈的水力剪切以及低首程留着率( 在不加助留系统的情况下) 。上述的特 第一章绪论 点造成新闻纸机白水系统的封闭的困难程度远远超过了其它纸机系统。 1 2 2 针对新闻纸机封闭循环的主要问题乒斥开展的工作 与其它纸机的白水封闭循环相比，新闻纸机在封闭的过程中遇到更严重的树脂和胶 粘物问题、助留系统失效问题、设备腐蚀和结垢问题以及气味和泡沫等问题。目前对新 闻纸机白水封闭过程中所遇到问题的研究主要体现在以下几个方面。 1 2 2 1 水系统管理及水质评价参数的研究 对新闻纸机的白水系统进行封闭，目前常用的策略是采用“瓶颈技术”( p i n c h t e c l h l o i o g y ) 理论对纸机水系统进行科学的优化和管理，在满足不同工艺流程所用水质 要求的情况下尽量使过程水得以回用，并且找出回用水的瓶颈所在旧。“。在过程水回用 的过程中涉及到一个水质评价的问题，也就是要寻找一些合适的参数对回用水质进行界 定，确定回用过程中不同的工艺流程的用水和排水“边界条件”( b o u n d a r yc o n d i t i o n s ) 。 j o o r e 等采用c o d ( 化学需氧量) 和电导率作为评价参数，对不同类型纸张的一些工艺条件 下所用水质的要求作了界定，如表1 6 所示脚1 。除了c o d 和电导率外，目前常采用的参 数还有b o d ( 生化需氧量) ，1 d c ( 总有机碳) ，p h 值，浊度等，但这些参数各有特点 和不足，有的测量简单但是不够全面( 如电导率) ，有的测量方法繁琐，不能及时用于 指导生产，目前还没能找到一组适当的评价参数可以表征回用水质。 表卜6 不同纸张生产中的一些边界条件3 1