煤灰作制紙填料研究

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粉煤灰作為一種工業廢棄物，隨著電力工業的迅速發展，其年排放量急劇增加。1995年我國粉煤灰排放量為1.25億t，2000年約為1.5億t［1］，2005年全國燃煤電廠和低熱值電廠排放的粉煤灰量高達3.3億t以上，居世界第一位［2］。粉煤灰的大量堆積，不僅占用耕地、浪費資源，而且對大氣、地表水及地下水都有污染，給國民經濟建設及生態環境造成巨大的壓力。因此，開展粉煤灰的綜合利用，化害為利已成為一項刻不容緩的戰略任務。

目前，粉煤灰的利用主要集中在建材制品(如粉煤灰水泥)、建設工程(如大體積混凝土)、道路工程(如護坡護堤)、農業(如改良土壤)、填筑材料(如礦井回填)等領域，在一定程度上減輕了環境的壓力，也創造了可觀的收益［3］。總的來說，粉煤灰的綜合利用水平還很低，進一步拓展粉煤灰的應用領域和實現其高值利用意義重大。粉煤灰成分復雜，其中含有SiO220%～60%、Al2O310%～35%、Fe2O35%～35%、CaO1%～20%、MgO0.3%～4%及TiO20.5%～1.2%等，其成分根據煤礦種類及生產條件不同而略有差別［4］。粉煤灰的主要成分為硅、鋁及鐵的氧化物，有作為造紙填料的可能性。將粉煤灰用作造紙填料，可大幅度降低造紙成本，也有利于環境保護，是粉煤灰綜合利用的新嘗試［5］。但由于粉煤灰本身是灰色，白度很低，而且顆粒大，目前只能用于白度要求較低的箱紙板類。本實驗針對粉煤灰白度較低的特點，采用篩分、浮選方法提高粉煤灰的白度，以期使粉煤灰能夠用作對白度有一定要求的紙張填料，擴大其用作造紙填料的適應性。

1實驗

1.1原料

粉煤灰，中國華電集團哈爾濱發電有限公司提供;漂白針葉木漿，牡丹江恒豐紙業有限公司提供;聚丙烯酰胺、碳酸鈣、仲辛醇，均為分析純，天津市科密歐化學試劑有限公司生產;柴油為工業級。

1.2粉煤灰的處理

1.2.1粉煤灰的篩分

用振動篩中目數為100、140、160、180、200、350以及400的篩板篩分20min，將粉煤灰分別標為A、B、C、D、E、F、G、H共8個等級。A為100目篩板截留的部分;B為通過100目篩板而被140目篩板截留的部分，以此類推，H為通過400目篩板的部分。計算出每一級粉煤灰的質量和平均粒徑。同時測各級粉煤灰的白度。

1.2.2粉煤灰的浮選除碳

對粉煤灰進行篩分，選擇篩分通過200目篩板部分的粉煤灰進行浮選除碳(F、G、H部分)。浮選除碳過程［6-8］:將粉煤灰與適量水配成質量濃度為30%的灰漿，預攪拌2min。灰漿靜置10～15min，去除液面漂珠。一邊攪拌灰漿一邊加入捕收劑柴油，攪拌10min左右。加入起泡劑仲辛醇，再攪拌10min左右，置于單槽浮選機，充入氣泡開始浮選。對第一次浮選后獲得的粉煤灰灰漿按照上述步驟再進行第二次浮選。對浮選后的灰漿抽濾，置于105℃的烘箱內干燥;取部分干燥后的粉煤灰用400目篩板進行篩分，備用;測浮選后粉煤灰的燒失量及白度(使用YQ-Z-48A白度顏色測定儀測定)。

1.3紙張的制備及檢測［9］

以陽離子聚丙烯酰胺(CPAM)作為助留劑，用量為0.03%。抄紙時以加填的填料分5組進行:空白試樣(不加填料)、浮選后粉煤灰加填試樣(Ⅰ)、浮選后再通過400目篩板部分粉煤灰加填試樣(Ⅱ)、浮選后再通過400目篩板部分粉煤灰與碳酸鈣混合加填試樣，混合比例:1∶1(Ⅲ)、碳酸鈣加填試樣(Ⅳ)，其中填料的用量分別為5%、10%、15%、20%、30%。稱取相應量的填料并倒入裝有40mL水的燒杯中，制成懸浮液，加入紙漿中攪拌，在ZQJ1-B-Ⅱ紙頁抄取器上按標準方法抄紙。將成紙置于ZQYCⅡ油壓機上壓榨5min，壓力0.5MPa左右。將壓榨后的紙頁置于上光機上烘干，備用。按GB/T10739—2002方法處理紙張。

1.4紙張的SEM及掃描電鏡-X射線能譜分析(SEM-EDXA)

采用QUANTA200掃描電子顯微鏡對紙張進行掃描電鏡和能譜分析。

2結果與討論

2.1粉煤灰處理前后的性質

2.1.1篩分的結果分析

表1給出了粉煤灰按不同尺寸分級后的物理性質。被100目篩板截留的部分為黑色小顆粒，是粉煤灰中粒徑較大的碳粒和磁珠等物質。大約42.7%的粉煤灰保留在篩縫尺寸為40μm的篩板上，這部分粉煤灰的平均粒徑為57.0μm。通過200目篩板的粉煤灰占59.0%，所以選擇這部分粉煤灰進行浮選除碳，一方面降低顆粒粒徑，另一方面可以提高白度，為后續實驗提供有利條件。

2.1.2浮選除碳的結果分析

粉煤灰浮選前后燒失量及白度對比如表2所示。由表2可知，浮選后粉煤灰的燒失量降低，即含碳量降低，同時白度提高，說明通過浮選除碳可在一定程度上提高粉煤灰的白度，但因受粉煤灰自身性質的影響，將其用于白度要求較高的紙張上還有一定的限制。另外，因粉煤灰提高白度有限(一次浮選后白度提高1.5個百分點，經過兩次浮選后白度也僅提高了3.3個百分點左右)，故實際生產中可省去浮選步驟，以降低生產成本。

2.1.3填料混用的結果分析

將浮選除碳后的粉煤灰與碳酸鈣按一定比例混合，測得白度如表3所示。其中，a樣為浮選后粉煤灰與碳酸鈣混合樣;b樣為浮選后粉煤灰再通過400目篩板部分與碳酸鈣混合樣。從表3中可見，漂選后粉煤灰與碳酸鈣混合樣比純粉煤灰的白度提高明顯。浮選除碳后粉煤灰再通過400目篩板部分與碳酸鈣混合后白度與a樣相比有所提高。

2.2加填對紙張物理性能的影響

圖1為填料用量對填料留著率的影響。由圖1可見，隨著填料用量的增加，加填浮選后粉煤灰(Ⅰ)和混合樣(Ⅲ)紙張的留著率下降較快，由于填料粒徑大小不同的緣故，加填浮選后再通過400目篩板部分粉煤灰(Ⅱ)和碳酸鈣(Ⅳ)紙張的填料留著率稍有上升。

圖2為填料用量對紙張緊度的影響。從圖2可知，隨著填料用量的增大，紙張緊度有所下降，加填浮選后再通過400目篩板部分粉煤灰(Ⅱ)紙張的緊度比加填浮選后粉煤灰(Ⅰ)紙張的高，填料用量在20%～30%之間紙張緊度下降得較快;在相同的加填量下，加填混合樣(Ⅲ)紙張的緊度要比只加填粉煤灰(Ⅰ、Ⅱ)或碳酸鈣(Ⅳ)紙張的緊度高。

圖3為填料用量對紙張抗張指數的影響。由圖3可知，加填浮選后再通過400目篩板部分粉煤灰(Ⅱ)紙張的抗張指數在一定范圍內大于加填浮選后粉煤灰(Ⅰ)紙張的抗張指數，加填混合樣(Ⅲ)的紙張具有較高的抗張指數，均高于以碳酸鈣(Ⅳ)為填料的紙張。圖4為填料用量對紙張耐破指數的影響。從圖4可知，紙張耐破指數隨填料用量的增加而逐漸降低。

相比之下，在加填量≤20%時，加填粉煤灰(Ⅰ、Ⅱ)紙張比加填碳酸鈣(Ⅳ)紙張的耐破指數要高;加填量＜15%時，加填混合樣(Ⅲ)紙張的耐破指數比加填粉煤灰(Ⅰ、Ⅱ)紙張的高，隨著加填量的提高，加填浮選后再通過400目篩板部分粉煤灰(Ⅱ)紙張的耐破指數下降較快。

圖5為填料用量對紙張不透明度的影響。從圖5可知，加填粉煤灰(Ⅰ、Ⅱ)紙張的不透明度明顯提高，并且隨填料用量的增加，其與加填碳酸鈣(Ⅳ)紙張的差異逐漸變大;如圖5所示，加填混合樣(Ⅲ)紙張的不透明度比單純加填粉煤灰(Ⅰ、Ⅱ)紙張的低，主要是受碳酸鈣的影響。

圖6為填料用量對紙張白度的影響。由于粉煤灰的白度低于碳酸鈣，以粉煤灰為填料的紙張白度隨填料用量的增加而降低。如圖6所示，加填混合樣(Ⅲ)紙張的白度高于加填純粉煤灰(Ⅰ、Ⅱ)紙張的，這一點在填料用量較高時更為明顯，這說明通過將粉煤灰與碳酸鈣混合來提高紙張白度的方法是可行的。

2.3紙張的SEM及SEM-EDXA分析

2.3.1SEM分析

加填不同填料(填料用量為20%)紙張纖維表面掃描電鏡圖片對比如圖7～圖9所示。由圖7～圖9可見，加填后紙張纖維表面有明顯的沉積物，因加填物質不同呈現不同形態。粉煤灰呈顆粒狀，表面光滑，與碳酸鈣相比粒徑較大，使其作為填料不易留著。另外，由于粉煤灰是煤燃燒后產生的飛灰，材質較松軟，密度較低(接近于水)，表面光滑，沒有銳利的棱角，因此預期不像其他填料那樣對造紙網產生較大的磨損。

2.3.2SEM-EDXA分析

加填浮選后粉煤灰(Ⅰ)紙張的能譜分析結果如圖10、圖11和表4所示。由表4可見，粉煤灰中含有較高含量的Si、Al、Fe、Mg等元素。

3結論

3.1經過篩分、浮選除碳及與高白度碳酸鈣填料混用后的粉煤灰用作造紙填料是可行的，可在一定程度降低粉煤灰在白紙中應用的障礙。

3.2使用粉煤灰或粉煤灰與碳酸鈣的混合物(質量比1∶1)作為造紙填料，紙張的不透明度可明顯提高，但隨填料用量的增加，紙張白度有所下降。

3.3粉煤灰用作造紙填料，對紙張緊度有一定的影響;粉煤灰用量在一定的范圍內，紙張的抗張指數和耐破指數優于加填碳酸鈣的紙張。