硫酸盐浆厂纸机白水质量评价

1 应用

浆板机产生的白水质量较差会对成浆白度有负面的影响，在纸厂中采取合理的方法测量白水的质量以及白水质量随时间变化的程度，可以诊断出纸浆白度降低的原因。降低细小纤维的量或细小纤维对光的吸收会降低白水质量对成浆光学性能的负面影响。降低白水中细小纤维含量的最简便的方法是净化白水系统，本文提出的监测白水的方法可用于此过程的优化。

随着浆厂新鲜水用量的减少，导致了白水中总固形物含量的增加，这些固形物包括白水中的溶解物和悬浮物。采用定量监测并提高其质量的方法已在纸机白水系统中应用，目前处理白水的技术有：沙滤、絮凝/澄清、超滤、悬浮载体生物膜反应器以及厌氧处理。纸厂对白水质量都很重视，但目前商品硫酸盐浆生产厂对白水质量的重视程度还不够。浆板机白水系统仅包括来自纸浆的溶解/胶体物和悬浮物，这些物质在白水系统中的富集会降低产品的质量。白水中这些物质会粘附在浆上从而影响纸浆的光学性能和机械性能，比如降低纸浆的白度和透气度。

对大部分商品硫酸盐浆厂而言，由于白水质量引起的纸浆白度下降，都会采用增加漂白工段化学药品的用量。因此，监控和测定白水质量以及了解其对白度的影响有利于降低漂白成本。

本文主要讲述硫酸盐浆厂 （以针叶木和阔叶木为原料)中生产过程中产生的白水对纸浆白度的影响，并提出一个行而有效的方法来提高白水质量，以减少对纸浆白度的影响。

2 原料和研究方法

实验所用的6组白水样品由加拿大五个不同硫酸盐浆厂提供，在最后漂白工段喷淋管前的白水槽内取样，取样完成后立即加入0.02%（w/v)的叠氮化钠（杀菌剂)，以确保无细菌滋生。这五家纸厂将40L的白水运送给FPInnovations公司，并将其保存在冷库中（4°C)待用。这五家纸厂的名称以及所采用的漂白工段见表1所示。

其中，样品C和D来自于同一个纸厂，取该两组样品相隔数月，实验中用做两组不同的白水样。表1还表明了来自加拿大东/西部的针叶木和阔叶木，以及采用的有无氧脱木素的3～5段漂等信息。

本实验分析白水的主要指标有：金属离子含量（Na,Ca,Mg,Cu,Fe,Mn,Al)、pH 值、浊度、灰分、电导率以及总悬浮和溶解物含量。由于其他因素对纸浆白度等影响较小，本文只讨论白水中的纤维、细小纤维、溶解物对纸浆白度等性能的影响。实验方法，用如下方法来评价白水质量对纸浆光学性能的影响。参照相关标准对白水测定，针叶木硫酸盐浆单段漂的白度为85.3%±0.3%ISO。使用白水和去离子水进行手抄片，手抄片是按照PAPTAC标准抄造。抄造过程中，用0.0、0.5、1.0或 1.5、2.0或 2.5、7 L中的4L的去离子水代替相应等量的白水。纸浆白度和返黄值在105°C、50%RH条件下放置一小时后测定。用这些实验结果与白水用量作图。

表1 白水及其来源

实验中每组样白水用量都为4L，比较和量化不同样白水质量对纸浆的影响，并做出白度降低的斜率对比白水体积和白度降低的图。后续处理是因为这个图不是线性的以及为了更好的反应不同白水质量间的差异性。

这一分析方法同样可以用来检测不同白水的所含成分（见图1)，对白水样品进行以下三部处理：

（1)认为标准的白水样包含所有成分（AC)。

（2)经筛选后的白水通过装有100目网的(筛孔0.15mm)筛去除纤维，仅保留细小纤维和溶解物(FDS)。

（3)经步骤2后的白水经过玻璃纤维过滤膜（Whatman934-AH，孔径1.5u，)过滤，去除细小纤维，而溶解物和胶体物保留下来。

图1 分离白水各成分过程，AC表示白水所含成分；FDS表示细小纤维和溶解物；DS表示溶解物（包括没有过滤出的胶体物)

3 结果与讨论

图2显示总固形物含量（AC)以及每个工厂白水所含成分的含量。由图可看到不同白水样总固形物的量差别较大，工厂A白水样品的总物质含量最低，为0.15g/L，而工厂D白水样品总物质含量最高，为2.0g/L。纤维、溶解物、细小纤维的含量比也差异很大。相对总物质，各组样品的纤维含量从0.1%到40%，溶解物为51%到95%，细小纤维含量为2%到11%。

即使来自同一工厂取自不同时间的C和D号样（相隔三个月)也呈现出较大的差异（几乎一个数量级)。这种差异表明纸厂中的白水循环系统是变化的，因此需要加强对白水质量的实时监控。

图2 不同白水的组成成分

图3 在抄造手抄片时，用不同体积的白水代替总用水量（7L)部分水对应的ISO白度降低值

本实验最早使用样品C和样品E，其没有经过动态滤水仪的处理。因此没有从细小纤维中分离纤维。在这两种白水样品中溶解物的含量分别占到总物质含量的83%和95%，这两组白水经过处理过后几乎无纤维存在。

图3表示FBSKP手抄片 （使用白水进行抄片，取代用去离子水抄片)引起的ISO白度损失。每一个数据点都是两个测量的平均值，测量数据的误差大约在0.30%ISO左右（±0.15)。

除了工厂B的白水样外，其他纸厂的白水样都是随着白水用量的增加，抄得手抄片的白度都有明显的下降。即使白水加入量仅为0.5L，工厂C、D和E白水样抄得的手抄片白度值都有所降低。工厂A和F的白水样，当使用白水用量超过1L时，抄得的手抄片白度开始降低，前期出现白度平稳和微小上升是由于在细小纤维的光散射作用大于其光吸收作用，这增加了纸浆的白度。

工厂B的白水样，当白水用量超过2.5L之后出现白度上升一个点，而当增加更多的白水时，白度会降低了一个点。白度增加的原因是白水中含有较高的纤维 （见图2)。这些纤维的白度高于手抄片的FBAKP，这就解释了在白水用量较大时候，纸浆仍有较高白度。

图4 工厂B样品中经作AC和经过100目筛网（FDS)过滤去除长纤维处理，不同用量白水与白度值变化

图4表示，经过100目的玻璃纤维过滤膜筛选处理工厂B的白水样品后，由于去除了长纤维，抄造手抄片的白度下降很大，下降的幅度与白水用量为0.5L时抄造的手抄纸白度降低类似。由于白水中纤维的存在能部分抵消白水中其他成分对白度的负面影响。实验对不同的白水在经过100目的DDJ筛子去除长纤维后，进行比较。

图5 用FDS和DS的白水代替去离子水（4L)时的ISO白度损失值，标记处没有白度点损失是由于工厂F白水样的DS存在

图5表示，FDS和DS的4L白水抄造的手抄片的白度损失。DS对于白度损失的影响比FDS少，这就意味着细小纤维是影响白度的主要因素。在某些情况下，溶解物不会使白度降低（A，B和F样品)。这也说明白水的细小纤维是造成手抄片白度损失的主要原因。

这些结论都说明要评估工厂白水的质量，首先就是要去除纤维。100目的动态滤水仪设备能有效去除白水中纤维（或使用超过100目的筛子过滤白水)。如果存在于白水中的纤维和所用的浆有相同的白度，或白水中纤维的浓度一直保持不变的话，此步骤可以省略。这仅仅是用此过程得到经验进而指导工厂实践。

方法的第二步是用标准浆抄造手抄片，但用相同体积的白水（4L已选用)来代替固定体积的去离子水（如果去离子水不足可用自来水)。通常一个工厂用它自身的浆可视为标准浆。为避免在取用标准浆过程中有污染，我们建议取样点在最后洗涤段，该洗涤段是来自喷淋并位于白水添加点之前。因此，未洗的样品应该在进行手抄片之前在实验室中进行洗涤。

用标准浆抄造的手抄片 （使用去离子水或自来水)和用白水抄造的手抄片的白度差值是白水质量好坏的标准，差值越大表明白水质量就越差。如果想要知道是细小纤维还是溶解物导致的纸浆白度损失，白水样品就应经过玻璃纤维过滤膜过滤。使用这种过滤后白水抄造的手抄片，它的白度降低仅仅是由溶解物所造成的。单独的细小纤维对白度的影响可以通过之前的白度损失值减去溶解物的白度损失值得到。

图6 FDS白水的ISO白度点损失和溶解物，细小纤维（g/L)的测量浓度之间没有关系。空心符号表示以针叶木为原料的工厂，实心符号表示以阔叶木为原料的工厂。

图7 DS和DS浓度对ISO白度点损失之间没有关系；空心符号表示以针叶木为原料工厂，实心符号表示以阔叶木为原料工厂

图8 单独的细小纤维和细小纤维含量对ISO白度点损失之间没有连续关系；空心符号表示以针叶木为原料的工厂，实心符号表示以阔叶木为原料的工厂

当我们知道白水中什么成分会导致纸浆白度降低，而如何解决此类问题就变得尤为重要，因为每一因素需要不同的处理方法。例如，去除细小纤维可以通过浮选柱或者通过过滤系统来完成。去除溶解/胶体物可能比较困难，但是漂白它们就比较适当。可是，问题是如何优化白水系统净化的时间。

污染物和白度损失的关系

图6表示在白水中的FDS含量、溶解物、细小纤维对白度损失的关系。同样，图7表示了DS含量和DS浓度对白度损失的无相关性。

细小纤维浓度对白度损失等于FDS值对白度损失值减去DS的白度损失值。这些计算值与细小纤维（测量的悬浮固形物和细小纤维-测量的悬浮固形物)的计算是相反的。如图8所示，即使细小纤维的存在会导致白度明显的降低，它对纸浆白度的影响也没有连续的相关性。因此，不仅是细小纤维量对白度影响，而且还和它们的颜色有关。少量的深色细小纤维比大量的白色细小纤维能引起更明显的白度损失。有趣的是，两个阔叶木纸厂（A和B)都含有可以降低白度的大量细小纤维。然而，以针叶木为原料工厂E也有着同样的白度损失，即使白水中细小纤维的含量比那两个工厂的阔叶木样品低3倍。

白水对纸浆返黄的影响

图9 物质浓度对纸张白度返黄的影响，细小纤维用大写字母表示，溶解物用小写字母表示；空心符号代表以针叶木为原料的纸厂，实心符号代表以阔叶木为原料的纸厂

FDS对纸浆白度返黄的影响（漂白硫酸盐浆白度返黄测定放在105°C和50%RH条件下放置1 h)，图 9表明，在测量误差幅度（白度±0.15%)下，每家纸厂提供的白水样的溶解物对纸浆白度返黄影响很小，工厂D的白水样品中的DS含量仅使白度降低了0.3%。仅两家阔叶木工厂（A和B)的细小纤维引起纸浆的白度返黄。但如图8所示，这些细小纤维比阔叶木样品中含量较高，热返黄造成的白度降低。

4 结束语

本论文提供的这种检测方法能快速评定以针叶木为原料的硫酸盐浆厂的白水质量以及其对最终产品的光学性能影响。这种检测方法首先需要去除白水中的纤维，因为其会影响溶解和悬浮物对白度影响的测定。装置100目筛网的动态滤水仪能完成此项任务。两张手抄片根据标准参考浆板抄造；一张手抄片是用去离子水（自来水)抄造，另一张是用等量的白水代替去离子水（自来水)抄造。手抄片白度的不同，反映了白水质量对其影响。差异越大，说明白水质量越差。

为更好检测细小纤维和溶解物对白度的影响，白水经过玻璃纤维过滤膜过滤。经DS处理的白水导致纸浆白度的降低，单独细小纤维对白度影响要减去未过滤部分对白度影响的值。

实验发现，细小纤维的颜色和浓度是影响纸浆白度的主要因素。虽然DS比细小纤维含量多，但对纸浆的光学性能影响较小。在白水中悬浮和溶解物不会引起较大的热返黄。

每家纸厂的白水质量差异巨大，同一家纸厂的不同时间段的白水质量也有一定差异。由于白水质量对纸浆白度影响很大，合理的检测纸厂白水质量可以找出纸浆白度下降的原因。少量的细小纤维以及它的光吸收能力能减少白水对纸浆光学性能的影响。降低细小纤维含量最简单有效的方法就是净化白水系统，合理的检测白水的方法也可应用于优化工艺。

崔懂礼编译自：TAPPI JOURNAL ，2012，VOL.11，NO.3， 71～76