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1泡沫的形成原因及危害

研究證實,泡沫是一種膠體系統,是氣體分散在液體中形成的。在造紙系統中,氣體通常是空氣或二氧化碳,液體介質一般是水。在造紙過程中,很多操作會導致工藝用水和白水中混入空氣而形成泡沫。例如,漿料呈瀑布狀落下,漿泵的空氣泄漏,漿池攪拌器攪拌過于強烈或攪拌器露出液面,錐形除渣器排渣口壓力過低,白水或漿料管道設計不合理,白水的回收利用,損紙的回收等等;漿料的發酵和碳酸鹽的酸化分解會釋放出二氧化碳,也會形成泡沫。漿料中的氣泡對紙機的運行及成紙質量有重要的影響。氣泡含量高,不僅影響網部脫水,造成紙病,而且氣泡會產生氣蝕,使漿泵的運行性能下降,增加能耗;使整個上漿系統不穩定,甚至引起上漿泵跳閘、停機;同時,漿管和其它壓力裝置中的壓力也會產生波動。漿料中的氣泡對速度較低的紙機影響不是很大,但對高速紙機則有重大影響。因此,高速紙機必須配備完善的消泡系統。

2泡沫的種類

在造紙系統中最常見的泡沫可分為3種:表面泡沫、攜帶泡沫和靜態泡沫。

2.1表面泡沫是人們熟悉的多角形泡沫聚集體,常見其漂浮于漿池里、機外白水池、托盤上及紙機網部。表面泡沫嚴重時會影響系統運行性能和成紙質量。

2.2攜帶泡沫是一種微細的球狀泡沫,它吸附在纖維表面或分散在漿水系統中。一般情況下,吸附了攜帶泡沫的纖維的邊界張力不足以克服氣泡壁與纖維表面結合的表面張力,使氣泡能穩固地吸附在纖維上。同時,因該類型氣泡的直徑非常小,所以氣泡表面液體的邊界張力很微弱,使其上升至液面的速度很慢。分散在漿料中的攜帶泡沫有相互結合、形成大氣泡的趨勢。如果漿料中沒有不純凈物質,攜帶泡沫就會相互結合漂浮至液面,形成表面泡沫。但是,存在于漿料中的不純凈物會增大攜帶泡沫壁的表面張力,使其更富彈性,阻止了泡沫間的結合。因此,在整個造紙用水及漿料系統中,攜帶泡沫仍然以高度分散的狀態存在,纖維被攜帶泡沫緊緊粘附。在造紙系統中,主要有兩類物質能使泡沫穩定:(1)溶解于液體中的表面活性劑,例如脂肪酸、樹脂酸、木素化合物、漂白化學品及某些增強劑和染料等;(2)吸附在氣、液界面上的微細固體顆粒,它能使氣泡間形成穩定的薄膜,例如填料、助留劑、細小纖維、明礬、油墨點等。漿料中的上述物質為氣泡的穩定存在提供了良好的外部環境。因為純凈的液體即使與氣體強烈混合也不會產生泡沫。只有第三種不純凈物質存在時,才會形成穩定的泡沫

2.3靜態泡沫是一種“老化”的表面泡沫,是由于漿料中含有大量的細小纖維和顆粒而形成的。這種泡沫一般不會導致紙機運行故障,但是它卻影響紙機的清潔,并造成腐漿。以上幾種泡沫中,攜帶泡沫對上漿系統及成紙質量影響最大,也最難消除;其次是表面泡沫,再次是靜態泡沫。在一般情況下,系統表面泡沫含量高時,攜帶泡沫含量也會很高,但是,較少的表面泡沫并不能說明攜帶泡沫的含量也很低。

3除氣的方法

控制造紙工業中的泡沫主要可從三個方面這著手:機械辦法、采用消泡劑、控制好濕部化學系統。

3.1物理措施

為了減少漿料中的空氣含量,可在漿料制備過程中采取一些必要的措施,防止空氣混入漿料中。例如,將漿管及白水管的出口伸入到液面以下;盡量避免小角度彎管或T形接頭以降低脈沖,減少空氣混入的幾率;除渣器出口的壓力不宜過低,或選擇排渣口為并聯封閉式的除渣器;漿池的攪拌器不能露出液面,攪拌速度應適中,不能過快。但是,要使漿料中的空氣含量降到較低水平,僅依靠上述措施是不夠的。紙機系統,尤其是高速紙機應配備完善的除氣裝置。

3.1.1紙機的除氣系統對于現代化高速紙機,在工藝流程上設置完善的除氣系統是非常重要的,系統主要包括除氣器及相關的真空系統。漿料經一段沖漿泵送至除氣器在80~90Kpa的真空作用下,利用擴散、加速、再擴散的原理使氣泡密封水破壞消除,進入除氣密封水破壞消除,進入除氣密封槽。一般情況,經過除氣器后,漿料中的空氣含量可從2.5%降至1.5%以下。

3.1.2輔助除氣措施盡管除氣器能有效地去除漿料中的空氣,但若漿料和白水中的空氣太多,也很難保持系統的穩定,因此必須采取一些輔助措施,以降低進入除氣器的漿料的空氣含量。輔助除氣措施包括在離心泵(如沖漿泵、上漿泵等)和除渣器上安裝排氣管,以排除富集在離心泵和除渣器內的氣泡。機外白水池和紙機網部的抽氣可以有效地消除紙機系統的表面泡沫。

3.2采用消泡劑消泡

3.2.1消泡劑成分消泡劑成分:(1)有機或無機的疏水性微粒活性成分,如氨基化合物、硅土;(2)表面活性成分,如脂肪醇、脂類;(3)乳化和分散劑;(4)作為載體的油或水。

3.2.2消泡劑的分類與選用

3.2.2.1脂肪酸酰胺類

脂肪酸酰胺類屬于油基產品將表面活性劑脂肪酸酰胺和二元醇單酯均勻分散在礦物油體系中即為產品。用于堿法蒸煮中較有優勢,它能很好地消除洗滌、打漿、篩選、濃縮時產生的大量泡沫。此類消泡劑存在沉積和分散不良,引起篩孔阻塞和使紙面形成魚眼紙病等問題。

3.2.2.2有機硅類

包括硅油與乳化劑兩個組分。可以應用造紙每個工序,消泡效率很高,但其抑泡效果不佳,而且成本偏高。

3.2.2.3聚醚類

主要活性成分是環氧乙烷,一環丙烷嵌段共聚物,分子量一般大于3000;主要應用于涂布紙加工過程中,不僅具有很強消泡、抑泡作用,同時具有上光、潤滑等多種功能,但其造價昂貴,成本偏高。

3.2.3消泡劑的復配

利用脂肪酸酰胺、聚醚、有機硅等活性組分等各自特點,按一定的比例將其有機地結合在一起,產生協同效果,使消泡效能大大增強,提高經濟效益。其反應機理及各組分的協同效應需要進一步研究,消泡劑的制備和控制反應工藝還有待優化。

3.2.4消泡劑的機理

消泡劑消泡的機理主要有以下三個方面:(1)微粒介入或疏水性顆粒在氣泡壁的介入,這些顆粒打爛了氣泡壁分子的排列,產生了局部的弱點。這些破裂的氣泡壁就可使攜帶泡沫相互結合,導致氣泡的瓦解消失。(2)優先表面置換,或用非泡沫穩定型表面活性成分替換不希望的泡沫穩定不純物質。不穩定的氣泡壁可使氣泡更易破裂。(3)薄膜成形對表面泡沫的控制也是有效的。表面張力的不溶性藥劑可以在水的表面迅速鋪展成薄膜。這迅速鋪展的薄膜和氣泡壁表面張力的減小會使表面泡沫破裂,但這并不能增強氣泡結合,也不會釋放出攜帶泡沫。

3.2.5消泡劑的添加點

消泡劑的添加點直接影響消泡的效果。比如:福建南紙5#紙機,最初的添加點是外網白水通道至機外白水池的入口處,添加點只有一個,消泡效果不是很好;將添加點改在內網及外網白水通道的入口處同時添加,并且添加量與白水的流量成正比,保證消泡劑與白水充分混合。改進后,白水中的氣泡含量從1.7%降至1.4%,上漿系統比以前更加穩定,成紙勻度有所提高,消泡劑的用量也從0•06%降至0•04%,降低了成本。

3.3濕部化學對系統泡沫的影響

3.3.1漿料及清水性質對泡沫的影響

系統攜帶泡沫含量會隨清水和漿料的pH值的波動而變化,沖漿泵也會隨之波動,致使上漿系統不穩定,比如馬尾松GP和TMP系統pH值應控制在6.5~6.8為宜。

3.3.2紙機濕部化學藥品的配置

紙機濕部所選用的化學品如殺菌劑、明礬、染料、填料等對系統空氣含量也有重要影響:(1)殺菌劑的加入可以抑制腐漿,減少了因漿料腐爛產生的二氧化碳氣體;(2)明礬可以調節漿料的pH值,有助于減輕樹脂障礙,但過量的明礬同樣會增加系統的泡沫含量;(3)填料的粒度也影響其分解速度。粒度越細,比表面積越大,其表面活性越大,分解速度也越快;比表面積越大,也更易吸附空氣,產生更多的泡沫。

4結語

漿料中泡沫的含量直接威脅到紙機的正常運行,對高速紙機尤為敏感。控制泡沫含量,穩定濕部化學環境,對于穩定生產有著重要意義。實踐表明,采用物理和化學的泡沫控制方式,可以有效地控制并穩定系統中泡沫的含量。