生产高质量PCC的新苛化工艺

近年来袁随着碱法造纸的增加袁沉淀碳酸钙渊PCC冤作为造纸填料被广泛使用袁这是由于它能赋予纸张较高的白度且价格低廉遥然而袁常规PCC含有不均一的大直径微粒袁作为造纸填料使用时会造成纸机塑料网的严重磨损和较差的纸张不透明度遥为了克服这些缺点曰同时袁也是为了适应更低定量的纸尧更高的纸机车速袁生产要求纸张填料必须具有更高的不透明度和更低的纸机塑料网磨损性遥因此袁需要找到一种控制PCC形态的方法遥在苛化工序中袁用绿液混合生石灰生产CCC和白液有2个步骤院用水消化生石灰袁然后将熟石灰与碳酸钠混合尧苛化遥当这2个反应被分离并精确控制时袁就可以得到不同形状的CCC院米状袁纺锤状和针状微粒遥其中针状文石晶体CCC被证明有很好的不透明度遥基于这一实验室发现袁国外某造纸企业成功地将实验反应装置按比例放大到工厂规模来生产针状CCC遥在过去的5年中袁这个设备已经生产出造纸填料用的高质量CCC遥本文将介绍该技术的发展情况及优点遥1实验1.1苛化反应的实验模型实验设备主要有院1L的烧瓶袁包括1个水浴加热锅曰1根用于通入溶液的管子曰1个搅拌器袁上述设备组成苛化反应实验模型的反应器遥实验原料主要有院绿液模型物渊Na2CO3为100g/L和Na2S为35g/L袁以Na2O计冤曰市售生石灰袁质量分数为20%～40%袁作为化学添加剂遥为了控制常规的苛化反应袁绿液被加热到90益袁接着在400r/min搅拌条件下加入生石灰,反应60min遥如图1渊b冤所示袁此图是改善实验方法后的实验模型图遥实验设计了2个反应步骤遥在第1个步骤中袁向搅拌转速为400r/min并装满水的烧瓶中加入生石灰袁以此来实现生石灰的消化遥接着在第2个步骤中袁向烧瓶中加入绿液袁进行苛化反应袁反应温度从50益变化到90益遥反应结束后袁用水洗袁得到CCC袁接着进行质量分析遥1.2针状CCC的制备在1L的烧瓶中袁将50g生石灰与稀酸混合袁制备石灰乳遥接着熟石灰与绿液渊Na2CO3为100g/L袁Na2S为34g/L袁NaOH为6g/L曰按Na2O计冤发生苛化反应遥反应条件是院绿液加入速率为每克生石灰加入0.22mL/min袁添加时间为60min曰温度为40～95益袁同时强力搅拌遥二次微粒的生产是将附加的熟石灰和绿液混入初次微粒的悬浮液中袁初次微粒与二次微粒的混合质量比为1∶1～1∶4遥例如袁1∶4的混合比例意味着院附加反应使二次微粒的质量为初次微粒的4倍渊这个附加反应在本文中称为二次反应冤遥反应装置的尺寸在中试时按比例放大250L袁在工厂生产时按比例放大至25m3遥1.3手抄片的制备在加拿大标准游离度为300mL的阔叶木漂白硫酸盐浆中加入施胶剂w渊AKD冤=0.2%尧w渊硫酸铝冤=0.5%尧助留剂w(聚丙烯酰胺)=200伊10-6和填料袁并将其搅拌均匀曰然后用不同用量填料[w渊填料冤=3%～25%]的浆制备成定量为64g/m2的手抄片遥为了防止由于填料粒径不同造成的纸张性能差异袁采用分散处理方法将CCC的平均粒径控制在2滋m左右遥生产高质量PCC的新苛化工艺硫酸盐浆厂采用一种新的苛化工艺以副产品形式生产出高质量的PCC要要要苛化碳酸钙渊causticizingcalciumcarbonate袁CCC冤袁并将CCC作为填料应用到造纸中具有很好的不透明度曰同时袁可以减少或停止旋转石灰窑的运行袁达到减少燃油消耗量和二氧化碳排放量的目的遥第21卷第2期2009年4月造纸化学品PAPERCHEMICALSVol.21No.2Apr.2009消化消化苛化苛化生石灰绿液生石灰绿液稀酸或白液渊a冤常规方法渊b冤改进后的方法图1控制CCC形态的改良苛化工序示意图+1.4测试方法造纸网的磨损用日本FiLcom磨损测试器测定袁在磨损测试渊90min袁2%浆浓冤后由聚酯网来估算造纸网质量的损失遥碳酸钙的多晶形态用X射线衍射分析仪RAD-C测定遥为了计算方解石和文石的含量袁峰值2=29.4用来表示碳酸钙中方解石的含量袁峰值2=26.2用来表示碳酸钙中文石的含量遥这些含量用有关参考文献中的峰值强度比例来定量计算遥另外袁用叶片测试仪测定白液的白泥厚度达到20mm时的滤水时间遥2结果和讨论2.1CCC形态的控制如图1渊a冤所示袁在常规的苛化工序中袁用绿液与生石灰混合来生产烧碱和碳酸钙要遵循2个反应渊1冤和渊2冤院生石灰与绿液中水的消化反应袁熟石灰与绿液中的碳酸钠苛化遥其化学反应式如下院消化院CaO+H2OCa渊OH冤2渊1冤苛化院Ca渊OH冤2+Na2CO3CaCO3+2NaOH渊2冤但是袁从消化反应到苛化反应的时间段还不清楚袁这是因为生石灰和绿液是连续地尧同时地加入到消化器中遥有许多文章报道过院溶剂中含有碳酸钠和硫酸钠时袁消化反应就会延迟袁而碳酸钠和硫酸钠是绿液的组成成分遥第2个步骤的苛化反应实际可能在充分消化前就开始了遥为了改善这个工艺袁将这2个反应分开袁正如图1渊b冤所示袁在消化器中袁生石灰先与稀酸或白液混合尧消化来制备石灰乳袁接着进入苛化器中袁熟石灰与绿液苛化得到白液和CCC遥通过控制各步反应的条件可以成功地获得米状尧纺锤状尧针状等各种形态的CCC袁如图2所示遥CCC形态控制的主要影响因素是消化溶液尧生石灰的活化度尧石灰泥的浓度尧反应温度尧绿液的加入时间和搅拌速度遥这些影响因素中最重要的是消化溶液中的碳酸根离子的浓度要相对较低遥稀酸或白液代替绿液作为消化溶液袁可以避免在苛化过程中总碱平衡的变化遥当苛化反应的温度降低时袁针状CCC会变成更小的针簇状形态遥2.2形态控制后的CCC性能生产出的CCC形态用其粉末的X射线衍射图来测定袁如图3所示遥由图3发现袁在米状和纺锤状CCC中含有方解石晶体曰同时发现袁针状CCC比市售文石PCC有更渊b冤纺锤状渊a冤米状渊c冤针状图2制得各种形态CCC的扫描电子显微图1.00.80.60.40.20渊a冤针状CCC2/渊毅冤文石方解石2025303540455055602/渊毅冤渊b冤市售针状PCC2025303540455055601.00.80.60.40.20文石方解石造纸化学品第21卷56窑窑高的文石含量遥图4显示了生产出的CCC对造纸网的磨损和纸张不透明度的影响袁其中纸张定量为60g/m2袁CCC添加量为15%遥由图4可见袁CCC形态的控制改善了其对造纸网的磨损和纸张不透明度等性能遥特别是针状文石CCC作为造纸填料比市售文石PCC具有更高的不透明度遥2.3改善白液的过滤特性图5为初级和二次针状CCC微粒的扫描电子显微镜图遥从图5渊a冤可看出袁生产出的CCC平均粒径比普通白泥小很多遥因此袁从CCC泥浆中分离白液就更加困难遥苛化过程的主要目的是生产白液袁所以产品CCC对这个操作过程不能产生负面的影响遥为了解决这个问题袁曾研究过用机械设备辅助液体分离和改性这2种方法来改善反应条件遥为此袁笔者研究出以下2个苛化过程院在第1个步骤中袁针状CCC的初级微粒的生产就像先前描述的曰在第2个步骤中袁一定量的熟石灰和绿液连续地加入到初级粒子中遥通过这个再次反应袁初级微粒形成并聚集成二次微粒袁如图5渊b冤所示遥图6显示了二次反应改善了白液的过滤性能遥由图6可见袁笔者研究的2个苛化过程改善了白液的过滤特性遥但是袁工厂的附加分离处理变得非常必要袁它调整了二次微粒的尺寸袁使CCC适用于造纸遥实验发现袁苛化过程中二次微粒与初次微粒的质量比最好在1∶3～1∶4遥这改善了白液的过滤性能渊见图6冤及填料质量对纸张性能的影响[见图7袁图中手抄片定量为64g/m2袁w渊灰分冤=15%]遥2.4工厂化生产针状CCC图5初级和二次针状CCC微粒的扫描电子显微镜图渊a冤渊b冤510152002468101214160.00.51.01.52.02.53.016.014.012.010.08.06.04.02.00.03.02.52.01.51.00.50.0平均粒径过滤速率1∶11∶21∶31∶4m渊初级微粒冤∶m渊二次微粒冤图6二次反应改善了白液的过滤性能88878685848382不透明度白度1∶11∶21∶4常规CCCm渊初级微粒冤∶m渊二次微粒冤图7二次反应得到的纸的性能变化2/渊毅冤2025303540455055602.01.51.00.50渊c冤市售纺锤状PCC方解石图3针状CCC和市售PCC粉末的X射线衍射光谱图文石不透明度造纸网磨损888684828078761501251007550250图4CCC对造纸网磨损和纸张光学性能的影响生产高质量PCC的新苛化工艺第2期57窑窑某造纸企业是一家综合型工厂袁主要生产纸浆尧涂布纸尧印刷纸和计算机打印纸遥该厂早在2000年就开始生产针状CCC袁在CCC生产过程中袁碳酸根离子的来源是绿液中的碳酸钠而不是碳化过程中的二氧化碳气体遥其生产流程如图8所示遥图9是该厂生产的并稍作处理后的CCC扫描电子显微图遥由图9可看出袁最终的针状CCC产品具有与市售文石PCC相似的纵横比值遥表1是该工厂生产的针状CCC的质量遥CCC的白度袁不透明度和造纸网磨损性与市售PCC相类似遥特别是不透明度尧白度和纸张松厚度方面袁初级微粒要好于二次微粒遥将来袁笔者将把初级微粒作为主要反应产物袁而不是二次微粒遥因此要求白液分离系统提取和水洗初级粒子效率更高遥图10显示了该厂已经连续5年生产出高文石含量渊90%左右冤的针状CCC遥关于CCC的生产成本袁由于生产CCC是用生石灰和绿液的苛化反应遥只要将生石灰作为原料成本考虑就可以了袁因为绿液在苛化过程中是可以循环使用的遥假定生石灰的成本约为总生产成本的3/4遥那么袁CCC的生产成本约为生石灰成本的4/3倍遥另外袁CCC的生产工艺可节能降耗遥因为该工艺减少了旋转石灰窑的燃油量遥窑中煅烧石灰泥的燃油单耗为90L/t渊CaCO3冤袁当CCC从苛化过程中提取出来作为造纸填料时袁油的消耗量会减少遥因此可以预计袁CCC生产过程的石灰窑操作费用能减少20%以上遥3结论在用绿液混合生石灰来生产PCC和白液过程中袁通过分离和精确控制消化和苛化这2个反应袁就可以得到米状尧纺锤状和针状等不同形状的CCC袁其中针状文石晶体CCC被作为造纸填料使用时袁具有很好的不透明度遥同时袁该新的苛化工艺能减少燃油消耗量和二氧化碳排放遥渊李超袁温洋兵编译冤100908070605020012002200320042005年份图10生产的针状CCC具有高文石含量图9工厂化生产的CCC扫描电子显微图造纸化学品第21卷稀酸图8工厂化生产针状CCC的流程图CaO绿液消化器熟化槽初次苛化二次苛化稀酸白液硫酸盐浆造纸填料造纸水常规CCC1冤渊不均一冤针状CCC初级粒子针状CCC二次粒子市售PCC渊针状冤粉末性质纸张性能多晶形态平均粒径/滋m比表面积/渊m2窑g-1冤白度/%造纸网磨损/mg定量/渊g窑m-2冤w渊填料冤/%相对密度/渊g窑cm-3冤不透明度/%光散射/渊cm2窑g-1冤白度/%方解石2.13.595.512164.018.90.6285.455984.2文石2.68.697.51263.218.80.5789.875686.6文石1.27.897.22063.617.20.689.471786.1文石1.58.5971964.918.30.5989.168885.7表1CCC和市售PCC的粉末性能及纸张性能比较注院1冤测定前进行分散处理过遥58窑窑