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聚合氯化铝在造纸上的应用

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长期以来,作为一种高效的絮凝剂,聚合氯化铝一直广泛用于水处理过程中。近些年来,聚合氯化铝也越来越多地应用于造纸工业。八十年代初,欧洲率先开发了分散松香胶(DRS)/聚合氯化铝(PAC)中性施胶系统,用聚合氯化铝代替硫酸铝成功地实现了松香中性施胶。与此同时,聚合氯化铝在造纸湿部还能起到良好的助留、助滤作用。

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聚合氯化铝(Polyaluminium Chloride),简称PAC, 通常也称作碱式氯化铝、聚羟基铝等,它是介于氯化铝和氢氧化铝两种物质之间的一种水溶性无机高分子聚合物,通常以通式Aln (OH)mCl3n-m来表示,其中n代表聚合程度,这取决于制备过程中的多方面因素,m表示某种聚合氯化铝产品的中性化程度,即氢氧根离子取代氯离子的多少程度。由此可见,聚合氯化铝所代表的并不是某一种特定的无机化合物,而是一系列无机聚合物的总称。

聚合氯化铝是预制的水解产物,它是在一定控制的条件下铝盐的水解-聚合-沉淀过程的中间产物,无论作为一种高效的水处理剂还是作为造纸湿部松香中性施胶的沉淀剂,都有替代传统的铝盐(如硫酸铝)的趋势。自六十年代以来,聚合氯化铝作为一种新型高效絮凝剂,在水处理方面正逐步发展成为混凝过程的主要药剂,它是当前工业生产技术最成熟、效能最高、应用最广泛的品种。

目前,聚合氯化铝在中国、日本、前苏联以及东、西欧都有相当的生产规模和应用,但总体来讲,生产应用研究多于基础理论研究,而且基础理论研究方面还停留在传统铝盐作用的机理上,对于这种新型絮凝剂为何具有明显的高效尚缺乏深入的科学验证和理论依据,在一定程度上影响了这一优质产品性能的进一步提高和应用。大量实践表明,没有深入的基础研究,也很难制得高效能产品。

 

欧洲于八十年代初率先提出用聚合氯化铝作为松香施胶沉淀剂进行中性施胶,并在生产中获得成功,而到目前为止,有关其优于传统的酸性施胶沉淀剂(如硫酸铝)的原因及作用机理尚不完全清楚,在公开发表的众多文献中,均未对这一新型施胶沉淀剂做系统研究,甚至是系统的应用研究。这必然会影响到聚合氯化铝的进一步推广应用,一些有关的理论研究也均停留在传统的硫酸铝等铝盐水解特性研究,这不利于最大限度地发挥聚合氯化铝的作用。

 

无论是作水处理的絮凝剂还是用于造纸湿部,聚合氯化铝作为一种新型、高效预制的无机高分子水解产物,其应用范围之广、效能之显著是传统铝盐所无法比拟的。

 

聚合氯化铝在造纸工业中除部分用于污水和清水处理(造纸中)外,其主要用途是用于松香中性施胶沉淀剂和助留、助滤剂,此外,它还可用于控制树脂障碍和作为阴离子杂质的捕捉剂等等。

1)聚合氯化铝用于松香中性施胶沉淀剂

由于全球范围内的资源紧缺,造纸用原料变得越来越宝贵,用更廉价的CaCO3 填料来尽可能多地替代纤维变得更为实际,因此欧洲于八十年代中期率先采用松香中性施胶技术生产中性纸张,该生产过程可用CaCO3 作为填料,这项技术成功的关键之一是用聚合氯化铝代替传统的明矾作为施胶沉淀剂。由于聚合氯化铝可在中性甚至碱性范围内仍能保持较高的正电性,而不像Al2(SO4)3 那样很快形成Al(OH)3沉淀,而且由于聚合氯化铝的预水解,它不像Al2(SO4)3 那样把系统的pH值降得很低,所以,聚合氯化铝是十分理想的进行中性施胶的新型铝源,其施胶pH值可达到7.5。继欧洲之后,北美和其他许多地区的纸厂都相继采用了这项技术变酸性造纸为中性造纸。利用这种方法进行中性施胶不仅大大降低了生产成本,同时也克服了用合成胶料(如 AKD 等)进行中性施胶时存在的一些难以避免的缺点(如打滑、施胶度难以控制等)。即使如此,由于聚合氯化铝是一种处于亚稳状态下的、复杂的无机高分子聚合物,因此,在使用过程中还存在着能否合理选用及其产品本身的稳定性等诸多问题,这还有待于在今后的研究和开发中进一步得到解决。

 

2) 聚合氯化铝用作助留、助滤剂

湿部化学是研究在脱水、成形过程中,纸料中的各种细小组分、添加剂以及纤维之间相互作用的表面及胶体化学的规律。在过去的十几年当中,湿部化学的主要发展趋势是造纸过程由酸性向中、碱性环境的过渡,而近些年来,另一种发展趋势是在造纸湿部广泛使用各种各样的化学添加剂及添加系统。我国造纸工业以非木材纤维原料为主,其中又以禾本科植物纤维原料为主,由于草浆本身存在纤维短,杂细胞含量高,造成纸张强度差,抄纸过程中滤水困难,因而研究其在中、碱性条件下抄纸及利用各种助剂提高留着、滤水性能是适合我国国情的湿部化学的研究方向。

 

a、助留剂

目前,许多学说都认为,细小纤维和填料等在纸页中的留着主要通过两种方式作用,即机械截留和胶体絮凝作用来实现的,而随着对留着机理不断深入的研究,认为后一种作用更为重要。机械截留作用主要是颗粒机械地留着在逐渐形成的纸页结构中,这种机理类似于过滤作用,它仅仅适用于纸料中的较长纤维部分,无法说明细小组分留着率高的原因,也无法解释助留剂的助留效果。

当前,越来越多的研究集中于有关细小纤维及填料的留着机理,这些研究建立了许多不同的概念和模型,为解释和发展留着机理、优化工艺过程提供了理论基础。胶体絮聚作用包括凝聚作用(coagulation)和絮凝作用(flocculation)。凝聚作用(coagulation)指用无机盐或分子量小、电荷密度较高的聚合物使胶体悬浮液失去稳定性而发生絮聚的作用,所产生的絮聚物是细小而紧密聚集的沉淀物,它主要是通过电荷中和、异相凝聚和补缀作用几种形式来实现的。

絮凝作用(flocculation)指用一长链聚合物将胶体结合在一起,使胶体悬浮液失去稳定性而发生絮聚的作用,所产生的絮凝物为粗大、疏松、多孔的团块。絮凝作用主要通过桥联絮凝作用和网络絮凝作用两种形式来实现。

 

b、助滤剂

由于纸料的脱水过程会直接影响纸张的质量和纸机的运行性能,而且滤水性能的提高可以提高生产率,改善纸页成形,降低干燥部能耗等,所以提高纸料的滤水性能是湿部化学研究的重要内容之一。在通常情况下,几乎所有的助留剂和电荷中和剂均兼有助滤功能,所以硫酸铝、聚合氯化铝、阴离子淀粉、聚电解质以及微粒助留系统都可以起到助滤作用。

 

3)聚合氯化铝的其它用途

随着造纸过程逐渐由酸性转向中、碱性范围,白水封闭程度不断提高,高得率浆及涂布损纸数量的增加,纸浆中的阴离子杂质问题就越来越突出,若得不到及时处理,它将会严重影响到纸机操作及成纸质量。实践证明,本身带有较高阳电荷的聚合氯化铝是一种良好的杂质捕捉剂,它能与这些阴离子杂质结合并将其沉积到纤维上,从而不仅控制了阴离子杂质在纸浆中的干扰作用,也改善了纸浆的滤水性能,因为即使少量的阴离子纤维降解产物也会大大影响纸料的滤水作用。

 

与此同时,聚合氯化铝可以很容易地吸附到纤维表面,还可以吸附带有负电荷的填料和细小纤维,使它们更多地留着在纸页内部;与其他有机聚合物的协同作用可以有效地提高细料的留着率,并改善浆料的滤水性能。

 

此外,聚合氯化铝还可以有效地控制树脂障碍,其原理与消除阴离子杂质相同。与 Al2(SO4)3 相比,聚合氯化铝可以更有效地将树脂固着在纤维上,同时聚合氯化铝的使用可以大大减少BaSO4等不溶物的沉积。

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