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张新东

摘　要: 论述了硅溶胶助留系统在造纸厂的应用实践，湿部纸浆电荷需求对助留效果的影响，调节电荷需求的方法及PCD仪器的使用。

关键词: 硅溶胶助留系统; 应用实践; 电荷需求影响; PCD使用

    随着国内大型高速纸机的快速增多，夹网成形技术的不断应用，造纸技术的快速发展，二次纤维和填料比例的增加，白水封闭程度的提高，对于提高单程留着率和网部的滤水性有了更高的要求。实践证明，要同时解决现代造纸留着、滤水及保证纸页质量三方面问题，只有采用微粒助留系统。

   作为新型高效的微粒助留系统，阳离子淀粉、阳离子聚丙烯酞胺和硅溶胶组成的典型系统从诞生开始就在提高保留和改善匀度上显示出很好的竞争力。苏州天马医药集团作为国内惟一本土硅溶胶生产企业，在产品创新和技术服务上做了大胆的尝试，摸索出了一套硅溶胶的应用方法，在已使用的纸厂中产生了明显的效益。

1  硅溶胶物理指标

     有效成分: 二氧化硅胶体;

     外观: 无色至浅灰色微浊液体;

     粘度: < 5 x 1 0-2  P a·s ;

     密度: 1.06 一1.09 (2 0℃) ;

     p H (2 0℃) : 1 0 一1 1

     有效期: 3 个月。

2  硅溶胶微粒助留机理

    微粒助留机理非常复杂，大体可解释为当纸浆中加人高阳电荷密度、中等分子质量的阳离子淀粉，通过吸附、中和、絮凝等作用，将细小纤维和填料形成了起始的带电荷节点的絮团，再加人高分子质量、低电荷密度的聚丙烯酞胺，通过架桥作用，形成大而松散的絮团。这些大的絮团经冲浆泵或压力筛等高剪切力作用，被破坏成细小的阳离子絮团，此时再加人高比表面积的强阴电性的纳米硅溶胶，可以有效地捕捉到这些细小的阳离子絮团。这些硅胶粒子渗透到絮团中，把絮团中的水分挤出，重新形成网状、均一、小而结实的絮凝物，牢固地定着在纤维上，有效地留在网上，从而达到最佳的助留效果。

3  硅溶胶微粒助留系统的效益

  硅溶胶微粒助留系统的效益体现在4个方面:

(1)提高留着率，降低生产成本。

    由于硅溶胶微粒助留系统产生的絮团是“可逆”的，即使受到纸机上高湍流剪切力，仍能保持良好的絮凝状态，并且细小粒子的絮聚物与纤维的静电吸附作用较强，体现出比二元助留系统更优良的助留效果。留着率提高，可节省浆料和其他化工添加剂，降低成本。

(2)白水浓度下降，提高纸机运行稳定性，降低废水处理费用。

    随着单程留着率的提高，白水浓度下降，纸机系统变得清洁，可以延长毛布的清洗周期，提高毛布和网部的使用寿命。同时，降低了白水COD , BOD的排放，利于白水封闭循环。

(3) 改善滤水，提高车速，增加产量。

    微粒絮团细小而结实，能均匀定着在纤维上，同时在网部具有“再絮聚”的能力，更能保证滤水通道的畅通，使网部脱水更快，改善了压榨部的操作状况，提高车速，增加产量。

(4) 可大幅度减少生产过程中的树脂障碍。

    在制浆造纸过程及各类化学品的添加中，会带来一系列的树脂障碍问题。系统的平衡是决定树脂以胶体状态还是沉积状态存在的重要原因，而微粒助留系统从调节系统电荷平衡着手，减少树脂沉积。加人高分子质量助留剂(如最有效的PEO) ，由于“搭桥”的作用，聚合物吸附到树脂粒子上面，然后又吸附在另一树脂或纤维上，这样使树脂粒子互相连接并最终吸附在纤维表面，在微粒絮团中带出纸页，减少了毛布和成形网的洗涤，延长了使用寿命。

4 纸浆电荷需求对硅溶胶微粒助留的影响

    在整个微粒助留系统应用过程中，电荷需求是贯穿整个纸机湿部的重要参数。电荷需求量是指给定体积浆料的净电荷趋于零时所需的电荷量。不同的浆料含有不同程度的胶体物质，如木素、半纤维素，还有制浆及造纸过程中的添加剂等，一般，浆料系统中胶体物质带有负电荷，因此，纸浆负净电荷趋于零的电荷需求量称之为“ 阳电荷需求量”。整个浆料阳电荷需求量的大小直接反应了微粒助留系统的助留效果、纸机湿部的电荷平衡及阴离子垃圾的多少。阳电荷需求量越小，说明纸机湿部电荷越平衡、阴离子垃圾越少微粒助留系统效果越好。

    因此，微粒助留系统的应用过程就是调节纸浆湿部电荷平衡的过程，也是解决系统中阴离子垃圾干扰的过程。阴离子垃圾的富集，使得阳电荷需求量增大，这样会降低阳离子絮凝剂的效能。为此，必须先降低阳电荷的需求，以保证絮凝剂的有效性。一般浆料中加入高电荷密度，低分子质量的阳离子化合物，即“阴离子垃圾捕集剂(ATC) " 。常用的ATC有硫酸铝、聚合氯化铝及两性电荷调整剂等。ATC能使胶体物质在细小组分中和前首先被中和，对纤维和絮凝剂之间的反应起到屏蔽和保护作用。

    很多纸厂将湿部浆料Zeta电位作为衡量湿部电荷平衡的首要指标。Zeta电位易受到pH值、打浆度等的影响，所以不同的打浆度、不同的pH值有不同的Zeta电位。不同的电荷密度有不同的阳电荷需求量，而Zeta电位有可能是相同的。当Zeta电位为0时，说明此时的浆料电荷需求为零，即为零电荷点。从现在的角度来看，以电荷需求量和Zeta电位相结合来衡量湿部电荷平衡更为确切。硅溶胶微粒助留系统要求很低的阳电荷需求和很小的偏负的Zeta电位。

5  阳离子聚合物对硅溶胶微粒助留的影响

    阳离子淀粉选用支链含量高的，取代度大于0.03%的季胺型类淀粉，如蜡玉米淀粉、马铃薯淀粉、木薯淀粉等。

    阳离子聚丙烯酞胺选用的分子质量一般要比二元助留用的分子质量高些， 而电荷密度根据浆料系统的电荷需求而定。

6 微粒助留系统组分的应用

    阳离子淀粉加在配浆池或调浆箱中，也可加到成浆池，使用量一般为w= 0.8 %一1.5 %( 绝干计) 。根据阳电荷需求量的大小，调节用量。相对讲，非木材纤维配比高的，淀粉的用量大些。阳离子聚丙烯酸胺加在冲浆泵或压力筛的进口处，使用量一般为100 - 300 mg/ kg。硅溶胶加在压力筛的出口处，使用量一般为1000一3000 mg/kg 。典型的加人位置如图1 所示。

7   PCD仪器的原理及使用

   颗粒电荷测定仪的英文全称为Particle Charge Detectin ，简称PCD ，其结构如图2所示。测量原理:实际上所有水中的胶体溶解物和固体颗粒均带电荷，这导致在胶体表面产生集中的带相反电荷的离子，即所谓的平衡离子。胶体物质在样品槽中受到活塞的剪切作用，这些平衡离子与游离的高分子或颗粒分离，则可测量到一个流动电流值，即Zeta电位，用mV表示，并且显示出“+”或“一” 号。这时，用相反龟荷的标准液滴定样品，当流动电流为0 mV时，表示零电荷点，即样品中存在的所有电荷被中和。主要测量数据为消耗掉的标准液的体积， 再根据公式计算出样品的电荷需求量。

8  纸厂应用实践

(1) 四川某厂，全竹浆生产文化用纸，纸机抄宽1.90 m，车速350 m/ min 。未使用硅溶胶微粒助留前，其首程留着率一直在60%左右，白水质量分数接近0.3 %。用PCD仪测其电荷需求量，发现阳电荷需求量较高,数据见表1

 

    从表1可以看出，阳电荷需求量都超过了30Ueq/L，整个湿部系统阴离子电荷较高。根据纸厂实际情况，将阳离子淀粉加在配浆池，每吨纸用量为1 2kg，聚丙烯酞胺加在压力筛前，用量为160mg/kg，硅溶胶加在压力筛后，用量为2.5 kg/t纸。并在配浆池中按每吨浆加2kg硫酸铝，调节湿部电荷平衡。待循环24h后检测发现，白水质量分数明显下降了62.7%，首程留着率比使用前提高了35.6 %,并且纸张白度上升了,节约了部分增白剂，纸张匀度也得到了改善。网前箱中阳离子电荷需求量也降低到30ueq/L 以下。同时，由于这个厂采用的是中性施胶，在配浆池中加了硫酸铝后，对原来的系统没有不良影响，然而由于首程留着率大幅度提高而节约的成本是惊人的，电荷需求及白水质量分数数据见表2.

(2)宁夏某厂,自制麦草浆、苇浆配木浆生产文化用纸，纸机抄宽2.7 0 m，车速450 m/min 。未使用硅溶胶微粒助留前采用阳离子淀粉和阴离子聚丙烯酸胺双元助留系统，首程留着率为69.7 %。测其系统电荷需求量,发现阳电荷需求量很高，存在着大量的阴离子垃圾。分析其原因，主要是自制麦草浆经过氯漂以后，由于洗浆机的洗涤面积和洗涤能力不足，导致部分浆料从洗浆机外侧流过，没有经过洗涤，浆料中含有大量的残氯及其它杂质，所以负电性很高，数据见表3

    根据此浆料的实际情况，决定在配浆池中添加一定量的湿强剂，利用强阳电荷来屏蔽阴离子垃圾,并且将阳离子淀粉从每吨纸浆5kg增加到8吨，配浆池中按每吨浆添加2kg的聚合氯化铝，聚丙烯酸胺换成高电荷密度、高分子质量的型号，每吨纸硅溶胶用量为2kg。经过电荷平衡后，网前箱浆料的阳电荷需求量由230ueq/L下降到58ueq/L ，这样使得加人的阳离子絮凝物充分作用到细小料和纤维上，保证细小料有效的留着。纸机运行30h 后，其首程留着率由69.7 %上升到82.6 %，灰分提高4个百分点，纸张白度上升1.8 度。且纸页的外观色相得到很好的改观。浆料调节后的电荷需求见表4

9 总 结

(1) 硅溶胶微粒助留系统是比二元助留系统更有效的系统，能很大程度上提高纤维和细小料的留着，节支降本，提高纸机运行稳定性，减少树脂障碍，改善纸张的物理指标和外观质量。

(2) 纸浆湿部电荷需求量直接影响到微粒助留效果。微粒助留系统通过改善整个纸机湿部的电荷平衡来达到好的留着效果。

(3) 阴离子垃圾的干扰对整个纸机有不利的影响，屏蔽和消除阴离子垃圾是微粒助留系统发挥好的效果的首要前提。

(4) 硫酸铝、聚合氯化铝及两性电荷调整剂是很好的阴离子垃圾捕集剂。

(5) PCD仪能很精确的测算纸浆系统的电荷需求。当纸机湿部电荷需求量小于30ueq/L 时,浆料和细小料的留着最好。

(6) 衡量纸机湿部电荷平衡的指标应加上“电荷需求量” 。

(7) 从现在纸厂的应用情况总结来看,硅溶胶微粒助留系统不仅适合于高速纸机,而且车速低300m/min 的低速纸机同样适用。