一种评价树脂及胶粘物动态析出与沉积的装置

作者简介:赵光磊,男,博士研究生,主要从事造纸清洁生产技术的研究。

3资助项目:本课题得到国家教育部重点项目“造纸清洁生产循环中非过程元素的富集与控制机理”和广州市科技计划项目“造纸清洁生产中树脂污染源头控制的生物技术与设备”的资助一种评价树脂及胶粘物动态析出与沉积的装置3赵光磊　何北海　刘焕彬　闫东波　刘道恒　寻春珍(华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室,广州,510640)摘　要:本文主要介绍了一种基于光学测量的方法评价树脂和胶粘物析出装置的主要设计原理,各部分的构造以及所采用的光学传感器的校正,并利用其对一种从G P (磨石磨木浆)中分离出来的DCS 在不同剪切速率下的树脂析出情况进行了评价,结果表明该装置可能是一种有助于控制树脂障碍和胶粘物的有用工具。

关键词:光学;树脂;胶粘物;析出;装置1　前　言目前随着国家对环保的要求越来越高,为了减少用水量和废水的排放量,要求把制浆造纸过程用水系统封闭起来循环回用,最终达到“零排放”的目标。

目前纸机的白水系统的封闭循环已经成为趋势,白水的封闭程度也越来越高,但白水系统封闭后会造成胶体的和溶解的物质DCS (diss olved and col 2loid substance )的大量富集,而引起一系列的问题[1～2],而且其中很重要的是DCS 中的胶体的组分会形成一个比较复杂的胶体分散体系。

对于一个分散的胶体系统来说,能够导致胶体分散体系失稳主要的原因有如下几点:流体剪切力的作用;泡沫的形成和崩溃;破乳以及蒸发。

其中对于纸机的湿部来说影响最大的应该是流体剪切力的作用以及泡沫的形成和崩溃。

对于高速纸机的湿部来说,纸料在流送和成形的过程中,总会受到各种的上浆泵,旋翼筛以及网部的脱水元件很强的水力剪切力的作用,在这些流体剪切力的作用下,这些疏水性的胶体粒子容易在设备上析出和沉积也是不可避免的,当外界条件变化时,如车速的提高,pH 值,电导率以及化学品的加入量等的变化,析出和沉积就会加剧,如果析沉积发生在纸机的湿部(如网部、压榨部、流浆箱),就会严重影响纸机的正常运行。

目前可用于评价树脂及胶粘物沉积方法主要有如下的几种:有机溶剂萃取的方法和重量分析的方法。

有机溶剂萃取的方法是采用甲醇、乙醇、丙酮、氯仿、二氯甲烷、二氯苯等有机溶剂对树脂或胶粘物进行选择性的萃取,然后再通过适当的分析手段,目前一般采用G C 或者G C -MS ,对于难挥发的组分(如高分子聚合物等)还可以采用FT -IR ,LC -MS 以及热重分析的方法等[3～5]。

采用这些方法来对抽出物进行分析和定性,来确定其中的组分对树脂沉积和胶粘物形成的影响。

但这些方法所用的有机溶剂大多有毒,操作比较繁琐,所用都是贵重仪器,测试周期长、费用高。

重量分析的方法是目前最常用的方法,用来定量地表示树脂或胶粘物的沉积。

其中最常用的方法是Vibromixer 法,此外还有聚酯网法、聚乙烯膜法、聚乙烯瓶法等[6]。

近年来出现的用于评价树脂和胶粘物析出的方法有Negro 等采用沉积转子法(Depo 2sition R otor Method ),Nadezhdin 等提出的树脂染色法,Philippaerts 等提出的水力脉冲胶体沉积法(Hydro Pulsed C olloidal Deposition ,HPC D )等[6～8],但上述的方法,大多需要较高的树脂浓度,难以比较好地模拟真实白水中树脂和胶粘物的析出状况。

为了更好了解白水中胶体分散系在流体剪切力等外界因素作用下产生的树脂和胶粘物析出和沉积,在本文所述的工作中,我们设计一个基于光学法的测量装置,可以动态地、快速地评价普通白水中树脂和胶粘物在各种情况下析出和沉积的状况。

2　装置的构成及设计原理2.1　装置的主要构成装置的结构示意图如图1所示。

2.1.1　模拟剪切沉积部分模拟剪切部分由一个筒状的装置,一个80目的内网1,和产生剪切的搅拌桨2组成,搅拌桨连接在一个可调转速而转矩恒定的电机上。

可以通过调整搅拌桨的转速,产生不同的剪切力达到动态模拟纸机湿部在不同剪切作用下的情况(主要是车速不同导致产生的剪切力的不同)。

装置中的部件4是一个除气装置,因为DCS 组分在受到搅拌桨产生水力剪切力的作用下,同时也会产生大量的泡沫,大量的泡沫会和胶体分散体系一起经过流道,会对光学传感器产生严重的影响,部件4是不可缺少的,同时,通过部件4也可以对体系进行加热,可以研究不同温度情况下,体系的树脂和胶粘物的析出和沉积的状况。

图1　装置构成示意图2.1.2　循环流送部分为了避免普通的离心泵在运转的过程中产生的剪切力对测试系统产生的影响,本系统的循环采用了MI LLIPORE 公司的蠕动泵,另外检测器内置一台微型的离心泵用于测试系统的冲洗。

2.1.3　光学检测器部分光学检测器部分主要由光源、光电转换部分和流道组成。

其中光源采用的是650nm 的半导体激光器和光强稳定电路组成。

光电转换部分包括光电传感器,附属电路以及运算放大器组成。

光电传感器有两个:散射传感器和透射传感器。

2.1.4　数据采集处理及显示部分2.1.4.1　数据采集数据采集采用美国NI 公司的PCI -1200数据采集卡,该数据采集卡有8个模拟输入通道,可以满足多个传感器同时进行数据采集的需要。

2.1.4.2　数据处理数据处理由实时显示处理软件完成,该软件采用NI 公司的LabVIEW 图形化编程语言编制而成,可以满足数据的实时显示,处理和保存。

其显示界面如图2所示。

图2　数据处理实时显示界面2.2　设计原理本设计基于的原理是:当浆料中所含的胶体分散体系在水力剪切力和其他的外部条件变化的情况下,发生胶体体系失稳,从而导致胶体物质的析出和沉积的时候,分散体系的浓度会发生变化。

如果采用一种比较精确的适合测量胶体浓度变化,从而可以得出体系中胶体析出和沉积变化量。

在该装置中采用透射和散射相结合的双传感器测量法可以有效地测量出体系中的胶体含量的变化。

3　主要的表征参数及装置的校准3.1　主要的表征参数的导出该仪器在设计的过程中采用透射和散射两个传感器得到了透射光的强度和散射光的强度两个物理量,这两个量同时又是相关量,对于胶体失稳造成的胶体浓度的变化,分散介质相对胶体的浓度来说,发生的变化较小,可以忽略不计。

而胶体分散体系中胶体的浓度越高,散射光的强度就会越高,而同时透射光的强度就会降低,相反,胶体体系中胶体的浓度越低,透射光的强度会增强,散射光的强度就会降低。

为了更好地表示胶体分散体系的变化,我们采用了一个沉积参数……K d :式中:K d =(V t /V s )1/2V t —透射光强度对应电压值;V s —散射光强度对应电压值在浓度合适的情况下,如图3中A 所示,可以K d 与C c 具有良好的线性关系,可表示为:C c =a K d +b (a <0,b >0)式中:C c 是分散体系中胶体浓度;a ,b 是常数。

图3　沉积参数K d 与分散体系胶体浓度C c 的关系3.2　传感器的标定取一定量的G P 浆的滤液,在2000r/min 下离心20min 后取上层液,用蒸馏水分别稀释成不同的浓度,然后用传感器进行标定:其数据如表1所示。

表1　标定浓度与K d 值Cc /g ・L -1 2.612.349 2.088 1.827 1.566 1.305K d7.3797.9268.4939.0249.62710.283 数据拟合如图4所示。

图4　传感器标定曲线 进行线性拟合后,得到了具有线性相关性的方程:C c =-0.4527K d + 5.9358,其中R 2=0.9987这样在下面进行的实验中,可以利用K 值地变化准确地确定浓度变化,从而可以得出树脂析出和沉积的变化。

4　剪切速度的变化对剪切析出沉积的影响在室温下,分别取250m L 离心处理后的G P 浆的滤液,加入到装置中,选用搅拌桨的转速为1100、900、700r/min 进行测试,搅拌时间为20min ,在图3中自上而下,其数据记录如表2所示。

图5　剪切速度变化对析出沉积的影响 由图5可知,随着搅拌桨转速的增加,也就是装置内流体剪切力的增加,树脂析出量成增加的趋势,具体数据如表2所示。

表2　转速对沉积量的影响(20min ,室温)转速/r ・min -1沉积量/mg70053.190077.41100152.75　结论通过上述的实验说明,该装置能够动态地模拟和评价在不同条件下DCS 中树脂和胶粘物的析出和沉积状况,相对于其它方法来说,该方法操作简单,测试周期短。

用沉积参数K d 表征树脂和胶粘物的析出和沉积,易于实现实时的观察和监测。

该装置对于研究树脂障碍和胶粘物的析出和沉积来说可能是一种有用的工具,目前尚在发展的过程中,有待于我们进一步的完善。

参考文献[1]　G udlauski ,D.G.Whitewater System Closure M eans M anaging M icro 2biological Buildup.Pulp &Paper ,1996,70(3):161～165.[2]　S.D.A LEX ANDER and R.J.DOBBINS.The Physical and OpticalProperties of Paper M ade at H igh Salt C oncentration.T appi Journal.1977,60(12):121～125.[3]　Freire ,Carmen S.R.and etc ,New Lipophilic C om ponents of PitchDeposits from an Eucalyptus G lobulus ECF Bleached K raft Pulp M ill ,W ood Chemistry and T echnology ,2002.55～66.[4]　del Rio ,Jose C.et al ,Analysis of Pitch Deposits Produced in K raftPulp M ills Using a T otally Chlorine free Bleaching Sequence ,Journal of Chromatography A ,2000,874(2):235～245.[5]　Del Rio ,Jose C.et al.A C om prehensive S tudy of Different T ypes ofS peck Im purities Present in Bleached Eucalypt K raft Pulps Using PY-G C/MS ,Journal of Analytical and Applied Pyrolysis ,August ,2003,68:251～268.[6]　Negro,C.et al.Depositability Character of Disturbing Substances.Paper T echnology,1999,40(3):29～34.[7]　Nadezhdin et al.Evaluation of Depositable Pitch in Pulp M ill Filtrates.Annual M eeting2T echnical Section.Canadian Pulp and Paper Ass ocia2tion,1998.95～99.[8]　Philippaerts.New M ethod for M easuring Pitch and S tickies DepositionP otential and T reatment E fficacy.Paper T echnology,2000,40(3): 51～56.An Optical I nstrument for Estimating the Destabilizationand Depositability of Pitch and StickiesZhao Guanglei　He Beihai　Liu Huanbin　Yan Dongbo　Liu Daoheng　Xun Chunzhen (S tate K ey Laboratory of Pulp and Paper Engineering,S outh China University of T echnology,G uangzhou,510640)Abstract:An optical instrument for estimating the destabilization and depositability of pitch and stickies was introduced. The design principle,con figuration and the calibration of the instrument were discussed in this paper.A test of de2 positability of a G P filtrate was performed under different shear strengths in this instrument.The results showed that it might be an useful tool for pitch and stickies measuring and m onitoring.K ey w ords:optical;pitch;sticky;deposit;instrument(上接第62页)3.3　聚胺物质PAA可与松香胶-硫酸铝体系作用,改善松香胶在中碱性条件下的施胶效果,同时还通过化学水合作用增强纸张的抗张强度。