造纸白水回用过程中DCS聚集历程与机理

来源 :南京林业大学 | 被引量 : 2次 | 上传用户:guojiaguangdian
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高新鲜水需求量和废水排放量是造纸行业面临的主要环境问题,实行白水循环回用是解决这一现状的有效措施。白水循环程度的提高会导致系统中溶解与胶体物质(Dissolved and Colloidal Substances,简称DCS)以及无机电解质的富集,其中DCS易因外界操作条件变化或与系统中积累的Ca2+等多价金属离子作用而失稳聚集,形成难电离的胶黏物与沉积物,因失去负电性而难以通过常规化学方法去除,严重恶化造纸湿部环境,影响纸机运行性能。掌握不同动力学参数影响下DCS聚集形成胶黏物与沉积物历程中各阶段的特点及机理,对DCS及无机电解质控制与消除技术的开发与应用具有理论指导意义。通过Py-GC-MS技术对文化用纸生产线网下白水中的DCS进行了组成及来源分析,检测了DCS的基本特性及其在无机电解质作用下的稳定性。根据DCS来源分析结果,以自制游离松香酸钠和硬脂酸钠作为胶体物质(colloidal substances,简称CS)模拟物,以聚丙烯酸钠作为溶解物质(dissolved substances,简称DS)模拟物,并以此为原料制得混合CS模拟物及DCS模拟物,通过检测不同动力学参数影响下模拟物与Ca2+反应前后溶液的浊度及Zeta电位,观测胶黏物与沉积物的尺寸及形态,分析胶黏物的结构特征及亲疏水性特点,系统研究了单一CS模拟物、混合CS模拟物以及DCS模拟物由游离态聚集发展成胶黏物与沉积物的历程及机理。并在此基础上,检测了聚乙烯亚胺(polyethyleneimine,简称PEI)在不同条件下对DCS模拟物的固着效果及对纸料湿部性能的影响。结果表明,文化用纸白水中的DCS主要来源于造纸过程中添加的化学助剂以及木材原料的抽出物,其中施胶剂或木材原料树脂所占比例较大。去无机电解质后的DCS呈负电性,以平均粒径为1.656μm的颗粒均匀分散在白水中,在中碱性及低温条件下呈现较好的稳定性。Ca2+、Na+能引起DCS失稳,且失稳程度随金属离子价态增大及浓度升高而增大。控制白水电导率在1887μS/cm以下可减小无机电解质对DCS稳定性的影响。单一CS模拟物、混合CS模拟物及DCS模拟物在溶液中的电离程度及分散稳定性随pH值升高而提高。CS模拟物极易与Ca2+进行离子交换,形成黏性高、具有聚集成大颗粒倾向且呈疏水性的胶黏物;其在低浓时以游离态的单个分子形式与Ca2+反应,形成的胶黏物尺寸较小,当CS模拟物积累到一定浓度后会形成以亲水基向外的胶束,并在Ca2+作用下碰撞聚集或径向层层吸附,或以两种模式相结合的方式逐步增长成大尺寸的胶黏物。混合CS模拟物在Ca2+作用下失稳聚集的程度比单一CS模拟物大;DS模拟物与Ca2+作用会形成不溶性沉积物,但其在足够加入量下可通过空间稳定机理防止胶黏物更大程度的失稳聚集。系统pH值越高、DCS模拟物积累量越多、金属离子浓度越大且价态越高,胶黏物与沉积物的生成量就越多。降低无机电解质浓度并控制Na+浓度小于40 mmol/L、Ca2+浓度小于5 mmol/L、Al3+浓度小于0.1 mmol/L,将减少胶黏物与沉积物的生成量。PEI用量增加会导致DCS模拟物的固着率和留着率增大,纸料滤水速度及Zeta电位升高,网下滤液的阳离子需求量降低。Ca2+会影响PEI的固着效用,但可改善纸料滤水性能。因此,防止造纸白水系统中DCS聚集形成胶黏物与沉积物,并将其有效转移出造纸系统的关键是降低Ca2+等多价金属离子的含量。
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