消泡劑在造紙工業(yè)中的應(yīng)用和發(fā)展趨勢
自進(jìn)入80年代以來,世界經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展,人民生活水平不斷提高,對各種產(chǎn)品的質(zhì)量要求越來越高,紙張也不例外。但是許多因素還在制約著紙張質(zhì)量的提高,其中造紙工業(yè)中遇到的泡沫問題就是其中一個(gè)重要因素。
消泡劑在造紙工業(yè)中的用量不大,但其作用卻不容忽視。在整個(gè)制漿造紙工業(yè)過程中,從蒸煮放料后的一系列操作,如洗滌、篩選、漂白、濃縮、供漿系統(tǒng)、表面施膠、涂布、黑液回收等,均不同程度地受到泡沫的影響,干擾正常生產(chǎn),使紙張質(zhì)量下降,嚴(yán)重時(shí)將使生產(chǎn)無法進(jìn)行下去。泡沫的消除方法主要有化學(xué)法、物理法和機(jī)械法�；瘜W(xué)消泡法就是在生產(chǎn)過程中加入化學(xué)物質(zhì)(消泡劑)消除泡沫;物理消泡法利用靜置、加溫或減壓來消除泡沫;機(jī)械消泡法就是采用機(jī)械力使泡沫破裂。物理法和機(jī)械法操作簡單,但被動,只治標(biāo)而不治本,且效果不理想。目前使用最廣泛使用的是化學(xué)消泡法,即使用消泡劑控制造紙過程中泡沫的形成和破除已形成的泡沫。
在造紙工業(yè)中,如果對泡沫的形成機(jī)理和消泡劑的組成等方面的知識認(rèn)識不夠,就會造成消泡劑的使用不當(dāng)?shù)默F(xiàn)象,結(jié)果使生產(chǎn)不正常和造成浪費(fèi)。另外,消泡劑能取得直接經(jīng)濟(jì)效益,文獻(xiàn)報(bào)道國外某大紙廠在使用消泡劑前,生產(chǎn)1噸紙需消耗25ｋｇ芒硝,而使用消泡劑后降至19ｋｇ芒硝。所以,對泡沫形成原理、消泡劑的作用原理和常用消泡劑在各造紙工序中的應(yīng)用等有關(guān)知識進(jìn)行總結(jié)和介紹具有一定意義的。
造紙過程中消泡劑消泡的原理和消泡劑的組成
2.1 泡沫的形成和穩(wěn)定
純液體不會起泡,二元以上混合物才具有起泡能力。在含有表面活性劑的水中攪拌時(shí),空氣進(jìn)入溶液,水中的空氣被周圍的液體包圍而形成水中氣泡,此時(shí)表面活性劑在氣泡周圍排列,疏水基伸向氣泡內(nèi)部,親水基向著液相,而形成一層膜。氣泡上升至液體表面,形成雙分子膜逸出液面,雙分子膜對氣泡具有保護(hù)作用而使泡沫穩(wěn)定。
泡沫的穩(wěn)定性與溫度有關(guān),溫度升高,泡沫穩(wěn)定性降低,所以可用升溫的方法來去除泡沫。水溶性的聚合物(如碳水化合物和木素的溶出物、造紙過程中的添加劑等)在水中形成膠體,增加粘度,對泡沫具有穩(wěn)定作用。
制漿造紙自始至終都是混合物體系,其中含有許多易起泡的物質(zhì),在生產(chǎn)過程中需加入許多種易起泡的表面活性劑,而且在混合體系中物質(zhì)之間的反應(yīng)也有表面活性劑生成。如堿法制漿中就有許多皂化物的生成,所以在制漿造紙生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量穩(wěn)定的泡沫。
2.2 消泡劑消泡原理
消泡劑有破泡劑和抑泡劑兩種。破泡劑的使用是使已產(chǎn)生的泡沫破裂,是暫時(shí)性的效果,當(dāng)破泡劑溶于液體后即失去作用。抑泡劑主要是抑制泡沫的生成,即使溶于液體仍能發(fā)揮作用。一種好的消泡劑應(yīng)同時(shí)具有破泡和抑泡兩種功能。
消泡劑首先滲入到泡沫之間的液膜上,在液膜上散布開來,然后置換起泡劑進(jìn)入液膜并向四周延伸,液膜不斷變薄,最后破裂。所以優(yōu)良的消泡劑應(yīng)具有以下性能:①具有一定的親水性,但一般不能溶于水;②具有較強(qiáng)的擴(kuò)散性能。
2.3 消泡劑的組成、性能和用途
消泡劑成品中一般含有三種物質(zhì):活性成分、分散劑和載體
活性成分就是具有消泡作用的物質(zhì)。
消泡劑一般是油性物質(zhì),親水性不好,較難滲入泡沫之間和在泡沫表面膜層擴(kuò)散開來,所以在有些消泡劑成品中需加入擴(kuò)散劑以提高消泡劑的滲入和擴(kuò)散能力。常用的擴(kuò)散劑主要有:脂肪酸、脂肪醇、磺化脂肪酸、脂肪酸硫代琥珀酸酯、脂肪酸皂、辛基或壬基酚聚乙二醇醚等,這些物質(zhì)本身就具有消泡作用。當(dāng)然并不是所有消泡劑中都需要加入擴(kuò)散劑,如低級醇作消泡劑時(shí)就不必使用擴(kuò)散劑。
載體的作用就是將消泡劑和擴(kuò)散劑進(jìn)行稀釋和分散。常用水和有機(jī)溶劑作載體,用水作載體就可將成品制成水基乳劑型,用有機(jī)溶劑則可制成油基溶液型。
3 造紙工業(yè)用消泡劑
3.1 制漿和抄紙用消泡劑
在制漿工序中,由于制漿原料中含有脂肪酸、樹脂酸等天然物質(zhì),與加入的燒堿、硫化堿等化學(xué)藥品發(fā)生反應(yīng)生成脂肪酸皂、樹脂酸皂等起泡物質(zhì),再加上纖維素等高分子物質(zhì)的穩(wěn)泡作用,在漿料的流送和混合時(shí)將大量空氣帶入漿料體系就形成了大量穩(wěn)定的泡沫,給后續(xù)工序如洗滌、輸送、漂白等帶來很大的困難,造成浮漿和使紙漿質(zhì)量降低。有的工廠采用“清水壓泡”,這種方法對去除泡沫有一定的效果,但除泡效果并不理想。制漿工序洗滌下來的黑液也含有高濃度的脂肪酸皂、樹脂酸皂等起泡和穩(wěn)泡物質(zhì),為方便操作和提高紙漿堿回收率,也必須對黑液進(jìn)行消泡處理。
在抄紙工序的料漿中也含有與制漿工序料漿中相似的起泡和穩(wěn)泡物質(zhì),在操作中也會混入空氣而產(chǎn)生泡沫,泡沫的存在對紙張有很大影響,使施膠度差、橫幅定量均一性差、紙面出現(xiàn)斑點(diǎn)、透光點(diǎn)和小孔洞等,甚至引起斷紙。另外,抄紙白水中如果產(chǎn)生大量泡沫,也應(yīng)加消泡劑排除,以提高紙漿的回收率。
目前,在制漿工序和抄紙工序用的消泡劑的活性成分主要是脂肪酸及其衍生物、聚醚、有機(jī)硅等。消泡劑一般不是單一的活性成分,而是多種活性成分的復(fù)配,以取長補(bǔ)短,得到好的功效。
3.2 涂布紙用消泡劑
涂布紙用消泡劑是指在涂布紙用涂料的配制過程中加入的消泡劑。由于涂料中含有堿、顏料等起泡物質(zhì)的存在,配制涂料需要機(jī)械攪拌和研磨等過程,這些過程都會將空氣引入涂料中而產(chǎn)生泡沫,涂料的粘度大,泡沫很穩(wěn)定,產(chǎn)生后很難排除,涂布到紙張后在紙張上就在紙張上產(chǎn)生白點(diǎn),使紙張質(zhì)量下降,所以在涂布紙用涂料的配制過程中必須加入適量的消泡劑。
另一方面,涂布紙用消泡劑與制漿用消泡劑不同。制漿用消泡劑在洗滌工段時(shí)將被沖洗掉,一般很少留在成品紙中;而涂布紙用消泡劑將隨著涂料涂到紙張上,留在紙張中,對紙張的質(zhì)量影響很大。所以對涂布紙用消泡劑的要求除了具有消泡抑泡功能外,還必須具備下列要求:對涂料的粘結(jié)性、分散性和印刷適應(yīng)性無任何副作用,如果能提高紙張的光澤度、拉毛速度和潤滑性能那就更好。
目前,涂布紙用消泡劑的活性成分大多采用聚醚,因?yàn)榫勖巡粌H具有很強(qiáng)的消泡抑泡功能,同時(shí)具有上光、潤滑多種功能,而且乳化、分散、滲透性、熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性都很好,無毒,價(jià)格便宜,非常適合作為涂料用消泡劑使用。在實(shí)際涂布紙消泡劑中,聚醚一般與其他消泡劑如脂肪酸衍生物、有機(jī)硅等復(fù)配成功能更強(qiáng)大的復(fù)合消泡劑使用。
3.3 其他工序用消泡劑
紙張表面施膠的過程中也會產(chǎn)生泡沫,影響紙張質(zhì)量,一般也需在膠中加入消泡劑,常用聚醚、酯類、有機(jī)硅等作活性成分的消泡劑。
造紙工業(yè)排出的污水含有大量的泡沫時(shí),也需進(jìn)行消泡處理,否則泡沫阻止氧氣進(jìn)入污水中,使生物處理廢水工藝無法實(shí)施。
4 造紙用消泡劑的展望
消泡劑在造紙工業(yè)中的用量雖然不大,但是消泡劑對造紙工業(yè)的貢獻(xiàn)也是有目共睹的。隨著對紙張質(zhì)量要求的不斷提高,對消泡劑的要求也不斷提高,消泡劑將朝著哪個(gè)方向發(fā)展,作者認(rèn)為以下幾個(gè)方面值得引起消泡劑制作者和造紙工業(yè)者的關(guān)注。
4.1 有機(jī)硅消泡劑具有廣闊的前景
近十幾年來,有關(guān)有機(jī)硅的研究非�；钴S,關(guān)于這方面的文獻(xiàn)很多,產(chǎn)品種類很多。有機(jī)硅的用途很廣泛,用作消泡劑僅是其中應(yīng)用之一,而用在造紙工業(yè)作消泡劑則是近幾年的事情。有機(jī)硅具有許多優(yōu)良的性能:①化學(xué)惰性,不會同其它起泡物質(zhì)發(fā)生反應(yīng);②生理惰性、無毒、無污染,對環(huán)境無害;③具有優(yōu)秀的消泡性能,用量少;④適用溫度范圍廣,耐熱、耐寒、耐候和耐老化性能突出;⑤具有優(yōu)良的柔軟性和潤滑性能,有利于改善涂布紙的質(zhì)量等。然而有機(jī)硅產(chǎn)品價(jià)格比較高,使有些廠家無法接受,導(dǎo)致目前有機(jī)硅消泡劑未被廣泛應(yīng)用。其實(shí),從用量方面來看,由于有機(jī)硅用量少,通常只需加入體系的質(zhì)量分?jǐn)?shù)1～75×10
<SUP>-6</SUP>就可取得良好的消泡效果,如果與其他消泡劑復(fù)配使用可進(jìn)一步降低成本。綜合考慮,使用有機(jī)硅作消泡劑與使用其它消泡劑相比,成本不會增加。隨著有機(jī)硅合成技術(shù)的不斷提高和原料的不斷降低,有機(jī)硅價(jià)格高的問題肯定可以解決,所以含有有機(jī)硅的消泡劑將是造紙用消泡劑市場的熱點(diǎn)。
4.2 消泡劑將朝著高效、持久、性能復(fù)合化的方向發(fā)展
可作為消泡劑使用的物質(zhì)很多,僅有機(jī)硅消泡劑就有幾十種,聚醚隨著聚合度的不同性能也各異。任何消泡劑都不可能是完美無缺的,總是存在這方面或那方面的不足。就拿有機(jī)硅消泡劑來說,雖然有機(jī)硅具有許多優(yōu)良的性能,但價(jià)格高,實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)有時(shí)抑泡效果并不理想。再如磷酸三丁酯的消泡力很強(qiáng),但抑泡效果不太好。礦物油類消泡劑消泡效果雖然一般,但價(jià)格便宜�？偟膩碚f,各種消泡劑都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。為了能揚(yáng)長避短,充分發(fā)揮各種消泡劑的優(yōu)勢,必須采用復(fù)配技術(shù)。目前對消泡劑的復(fù)配技術(shù)進(jìn)行過一些研究,取得了一些進(jìn)展。將來應(yīng)當(dāng)在消泡劑復(fù)配性能研究加大投入,高效、持久的復(fù)配型消泡劑肯定是將來消泡劑的主題。
4.3 環(huán)保型的消泡劑也是將來的熱點(diǎn)
目前國外對于造紙用的消泡劑的環(huán)保問題進(jìn)行過一些研究和規(guī)定,如加拿大對于油基型的消泡劑要求檢測二苯-對-二氧(雜)芑和二苯呋喃,因?yàn)檫@兩種物質(zhì)在用氯漂白的階段會變成有害的氯代二氧(雜)芑和氯代二苯呋喃隨廢水排出,污染環(huán)境。而水基型的產(chǎn)品一般無需檢測。另外油基型的消泡劑浪費(fèi)溶劑,成本比水基型的高,且溶劑本身就對環(huán)境有影響,水基型消泡劑相對就環(huán)保得多,所以水基型的消泡劑也是消泡劑的發(fā)展方向之一。但是,目前水基型的消泡劑的使用效果往往不如油基型消泡劑,這方面有待于進(jìn)一步提高。
4.4 加強(qiáng)企業(yè)管理,控制消泡劑的用量
“管理出效益”,一個(gè)企業(yè)的效益與管理水平是分不開的。如在洗漿中,由于隨木材種類、物料速率的變化,漿料的起泡程度也不斷變化,操作者往往將消泡劑用量維持在高水平,造成很大浪費(fèi),應(yīng)加強(qiáng)管理。文獻(xiàn)報(bào)道,國外一大紙廠根據(jù)洗漿起泡嚴(yán)重時(shí),吸濾效果差、排液慢、漿液槽水平面高,而反之水平面低的情況,用計(jì)算機(jī)控制消泡劑的加入量,隨著只注入最低必需量的消泡劑,平均可降低消泡劑用量35%,每年節(jié)支14萬美元。
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