溶解与胶体性干扰物

溶解和胶体性阴离子干扰物（DCS） 王康健 （昆明理工大学 轻化工程专业 云南 昆明 650224）

摘要：本文主要对溶解和胶体性阴离子干扰物（DCS）进行了介绍。DCS来源广

泛。特别是造纸白水系统采用封闭循环系统的应用，多功能化学药品的添加和高速纸机的应用使得DCS对造纸的影响越来越不容忽视。因为DCS对细小纤维保水值及虑水性能以及纸页抄造都有一定的影响。所以对阴离子干扰物的定量测定和尽量消除就显得非常的重要。本文最后对溶解和胶体性阴离子干扰物的测定和消除也进

行了介绍。

关键词：水溶性的DCS 胶体性的DCS 阴离子干扰物 细小纤维 无机盐

虑水性能 Zeta电位 测定方法 消除措施 阴离子垃圾捕集剂ATC 前言： 减少对环境的污染和节约用水, 建立可持续发展的水资源利用模式是当今乃至今后造纸工业发展的必然趋势, 造纸白水系统采用封闭循环将是解决这一问题的主要途径。但是, 随着纸机白水采取这种封闭循环措施之后, 由于新鲜水补充量的减少, 以及二次纤维原料、矿物填料、功能和过程化学助剂的广泛使用, 使得造纸白水系统中阴离子物质浓度与日俱增、细小纤维循环量增加, 溶解和胶体性有机物（Dissovlved and colloidal Substanc简称DCS）、无机盐不断积累。 纤维原料的改变和更多功能化学药品的添加, 使造纸体系中引人大量新的干扰物质和有害物质, 使湿部干扰性物质复杂化, 干扰物包括纸机湿部所有溶解的阴离子聚合物低聚物或高聚物和胶体的阴离子物质, 通常被人们称为阴离子垃圾(anionic transh)。这些阴离子垃圾是亲水性的, 带有较高电荷和较高分子质量的阴离子物质, 它们会和造纸湿部的阳 离子助剂发生反应, 大大削弱了其助剂本身的效果,严重影响成纸质量和纸机的正常运转。所以通常也被称为阳离子需求量(cationic demand)。

1、阴离子垃圾的来源 阴离子垃圾的来源一般主要有以下几个方面： （1）原料；（2）水（包括系统所添加的新鲜水和循环白水）；（3）各种填料（4）造纸助剂；（5）浆料的贮存。在原料中,除植物光合作用所产生的碳水化合物和木素之外, 还含有少量的树脂、脂肪、石蜡、单宁、色素、粘液、淀粉等物质和植物生长所需要的、原料运输过程中带来的各种金属元素等。并且, 原料的这些成分因植物的种类、部位、产地等的不同而异。因此植物原料的化学成分是非常复杂的, 使得在制浆与漂白过程中会溶出大量阴离子垃圾。在抄造过程中加人纤维中的物质如填料、化学助剂等会随损纸和回收纤维而重现于系统中。来源于原木的溶解产生胶体物包括木材抽出物、半纤维素和木素等物质。 许多过程化学品的添加会直接影响制浆、抄纸过程用水的化学性质。这些化学品包括制浆和漂白中的无机化学品, 留着、絮凝、施胶、增强处理过程中用的聚合物添加剂以及抑制结垢产生、消泡、去除夹带空气、分散树脂所用的其他无机和有机化学品。如作为填料、涂料或者用来提高留着率如使用双元微粒助留系统而加入系统的碳酸钙、滑石粉、高岭土和二氧化钦等, 二次纤维中含有的来源于油墨的物质, 包括碳黑、丙烯酸树脂和溶剂型颜料介质, 尤其是加工纸的损纸和废纸, 由于涂层中含有大量的阴离子分散剂、合成胶乳、润滑剂以及其它添加剂, 除此之外, 废液中还有大量的胶料离子等, 使系统具有阴离子垃圾的总量更多, 系统更加复杂, 从而导致纸机的整体运行状况下降。然而, 多数情况下, 无机添加剂是无机溶解固形物的主要组分, 来源于木材的物质是有机溶解固形物的主要组分。浆料在贮存的过程中, 由于水质含有杂离子、微生物等, 浆料中的有机物和无机物会通过生物和化学作用可能会使浆料产生新的阴离子基团。其次, 浆池如果没有定期清洗或浆池死角清洗不净, 会产生腐浆, 从而也有可能会带人阴离子垃圾。此外, 还有杀菌剂、皂型松香胶、阳离子分散松香胶、阴离子型干强剂、阴离子树脂分散剂等阴离子垃圾。

2、DCS对细小纤维对保水值及虑水性能以及纸页抄造的影响 根据南京林业大学的钱敏晨、戴红旗及叶春洪等人的研究结果表明纸浆经过打浆或磨浆产生的二次细小纤维（主要是纤维碎片）有比原生细小纤维更大的比表面积、更高的保水值及更低的虑水性能，无机盐对细小纤维的润涨及水化有抑制作用，且随着金属离子的价数提高而增大。水溶性的、胶体性的及混合性的DCS都降低了细小纤维的虑水性能，但水溶性DCS对细小纤维的润涨及水化有一定的抑制作用，而胶体性的DCS随着其含量的提高细小纤维的保水值随之增大，且水溶性DCS与胶体性的DCS对细小纤维的水化有协同增大的趋势。 无机盐电解质的积累使得纸料系统的电导率升高，极大地降低了细小纤维的保水值并改善了细小纤维的虑水性能，且Ca2+对降低细小纤维的润涨水化的作用大于Na+离子。水溶性的、胶体性的还是他们的混合物（DCS）都削弱了无机盐对细小纤维水化层的压缩作用，使得细小纤维的保水值增大，纸料的虑水时间变长，碱木素阴离子干扰物对纸料虑水性能的影响大于聚丙烯酸钠模拟物。阴离子分散松香胶模拟物对细小纤维的WRV和纸料的虑水时间受电导率影响较大。而羧基丁苯胶如阴离子对细小纤维保水值受Ca2+离子的影响相对较小。DCS对细小纤维的保水值及虑水时间影响较大。 阴离子垃圾可以多种方式影响纸页的抄造, 如（1）影响纸机正常运转形成的附聚物（树脂、粘附物）降低纸机运转性能, 增加断头次数。（2）影响助剂效能：对施胶剂、干强剂、湿强剂、助留助滤剂、染料等的作用效果均有不利影响。（3）影响纸页质量：降低纸页匀度, 降低纸页不透明度和亮度, 引起小孔和暗点,降低纸页强度。 阴离子垃圾通常主要通过以下几点作用机理来影响抄纸：（1）纸机湿部加人如助留助滤剂、增强剂等阳离子助剂时, 这些助剂聚合物首先与阴离子垃圾发生电性中和反应, 其结果是降低了助剂的本身效能甚至使助剂完全失效。（2）大量阴离子垃圾存在导致系统的高阴电性, 使纸浆的阳电荷需求量非常高, 从而影响了纸浆中细小纤维的絮聚, 使纸浆的留着率和滤水性下降。（3）阴离子杂质积累到一定程度后会与其它组份或自身结合形成附聚物或络合物, 这些复合体会从水溶液中沉积出来。如果沉积在填料、细小纤维或纤维上, 会减少纤维间的氢键结合, 降低纤维间的结合强度和纸页亮度如果在纸页抄造中留在网部、管道及毛毯等部位, 则会出现糊网、管道堵塞以及糊毛布等问题, 在压榨部会引起粘辊, 导致纸页断头次数增加及在纸页上形成暗点的问题, 同时也会干扰纸页的施胶、染色等。所有存在的这些情况将严重影响到纸机的正常化生产, 成纸质量也受到不同程度的影响。 因此, 这些具有高阴电性的阴离子垃圾物质的存在, 可以通过静电排斥阻止纸料中其它阴离子性物质的聚集, 有利于提高纸张的匀度和不透明度, 但不利于浆料中细小纤维和填料的留着。

3、阴离子干扰物的表示及测定方法 阴离子干扰物的含量一般可用浆料滤出液的阳离子需要量CD（cationic demand）来表示, 用胶体滴定的方法来测定。基本原理是相反电荷的溶解聚合电解质可形成一对一的电荷复合物。一般采用“ 反滴定” 的方法测定, 即将过量的标准阴离子聚合物添加到样品中, 让其与现存的阴离子物质反应, 再用标准阴离子聚合物进行反滴定剩余的标准阳离子聚合物。滴定终点确定的方法有指示剂法、浊度法、流动电位法、离子电极法、分光光度计法、电导法等多种。这些方法分别适用于不同的条件, 且影响因素较多。造纸工业最新技术是应用动电学的原理确定胶体滴定的终点。常用两种方法一是利用微电泳仪测定悬浮体的Zeta电位来判断胶体滴定的终点, Zeta电位为零时, 即为终点。第二种方法是在胶体滴定中用AC流动电流检测仪来判断终点, 若与自动的滴定仪组合使用, 则可大大减少操作难度, 提高准确度。国内目前使用德国Multek公司的分析设备, 天津科技大学、山东晨鸣纸业集团、广东冠蒙集团等高等院校和大企业有此设备

4、消除阴离子千扰的措施 如前所述, 纸浆中的阴离子干扰物对造纸工艺和产品质量有很多不利的影响, 必须加以消除。通常可以通过以下途径减少或彻底消除阴离子垃圾的影响(1)、适当调整原料配比、提高各料质量、堵塞和减少原料中带来的阴离子垃圾。(2)、优化制桨工艺, 减少蒸煮和漂白过程中纤维素和半纤维素氧化产物, 减少产生的阴离子垃圾。(3)、加强桨料的洗涤和白水处理、防止和降低阴离子垃圾产生和增长。(4)、加入适量的阴离子垃圾捕集剂ATC(anionic trash catchers)。以彻底消除阴离子垃圾的影响。ATC一般是电荷密度较高的阳离子物质如硫酸铝、聚合氯化铝(PAC)或者是低分子量高电荷密度的有机聚合物如聚二烯丙基二甲基氯化胺（DOLY DADMAC）、阳离子双氰胺、聚乙烯亚胺等。 ACT的具体用量可通过实验确定, 最佳用量应保证系统处于以下状态:①添加ATC后纸浆中细小纤维和填料颗粒的Zeta电位变化较小或无变化。②浆料过滤液的阳离子需求量近零点,不得出现过阳离子化。③加入助剂后电位适当降低, 浆料过滤液的阳离子需求量无显著变化, 未出现过阳离子化。保持这样的状态表明加入ACT后, 反应物仅与体系中的阴离子垃圾反应, 未与纤维作用, 纤维吸附阳电荷的能力没有受到影响。故当下一步助留助滤助剂加入后, 可以完全吸附在纤维上,发挥最大作用。ACT加入量不足时, 阴离子垃圾仍会影响助剂效果;当ACT的加入量过大(Zeta电位变化较大时), 因为纤维近与ACT发生吸附作用, 会影响了纤维下一步对助剂的吸附, 从而阻碍助剂效果充分发挥 在纸机湿部浆料制备的早期, 通常先加人阴离子垃圾捕集剂（Anionic trash Catchers简称ATC）对浆料进行预处理, 以提前中和阴离子杂质。适量加人的ATC可与阴离子杂质形成具有:结构紧密且体积小的“配对物”(Symplex) 。这种配对物可沉积到纤维上, 可减弱对纤维的剪切力使阴离子垃圾留着在纤维中而从体系中除去。