造纸黑液和脂肪族高效减水剂的超滤及全组分利用研究

【摘要】：随着经济的快速发展,我国对纸类产品的消耗量不断增长。2008年我国的纸及纸板产量跃居世界第一,由此,我国木浆、竹浆、草浆等原生浆的生产得到快速发展,造纸黑液量也大幅增加。随着绿色低碳、节能减排工作的推进,对造纸黑液进行高效资源化处理和利用迫在眉睫,其中一个重要途径是将黑液分离后再利用。而脂肪族减水剂是一种水溶性好、耐高温、减水率高、保坍性能好、无氯、无氨、低碱的混凝土高效减水剂,近几年发展迅速,是最重要的非萘系高效减水剂之一。研究发现,分子量对脂肪族高效减水剂的性能影响显著,若能分离除去小分子量组分并建立相应的利用方法,可以获得性能更加优异的减水剂产品,是一种生产高效减水剂的新思路。在水溶性高分子分离领域,膜分离技术由于具有无相变、能耗低、操作简单、工艺适应性强等特点得到广泛应用,本文将膜分离技术应用到脂肪族减水剂和造纸黑液的分离中,并分别建立滤出液组分利用方法,在实现浓缩产品增值的同时解决滤出液的出路问题,为进一步的工程方案设计和工业应用提供思路和参考。 本文用2500Da有机超滤膜对脂肪族减水剂进行超滤分离,研究超滤工艺、分离效果和浓缩液性能,并研究了以滤出液为原料合成脂肪族减水剂的方案;用2500Da有机膜和不同孔径陶瓷膜对造纸黑液进行超滤工艺和分离效果研究,并用150Da有机纳滤膜对超滤滤出液进行分离、浓缩,考察分离效果及浓缩液和滤出液的性质。研究结果表明: 1、脂肪族减水剂超滤过程中,超滤泵功率一定时,压力和错流速度共同制约过程通量,使超滤通量随压力先增大后减小,存在最大值。固定压力时通量随时间先增大后减小。0.6MPa下,进料浓度由20%增至25%时,低浓度下提纯和浓缩效率较高,且过程通量较高。同时2500Da的超滤膜对脂肪族减水剂中的Na~+和OH~-基本无截留,滤出液pH值基本不变,且2500Da聚醚砜膜对脂肪族减水剂的抗污染性较强。超滤使脂肪族减水剂浓缩液净浆性能不断提高,进料浓度由20%增大至25%时,浓缩液浓度随超滤时间的变化速率增加,但膜的提纯效率降低,性能变化速率基本一致,25%原液超滤浓缩液浓度提高约5%时,流动度提高约25mm。随滤出固形物比例的提高,浓缩液性能不断提高,25%原液超滤滤出比例从14.33%增加至达到27%时,浓缩液的净浆流动度提高幅度由28mm增大至62mm,效果明显。 2、对脂肪族减水剂超滤滤出液进行低浓度回用时,体系浓度低至25%,S/A=0.5左右,净浆流动度出现最大值;体系浓度为30%和27.5%时,随着产物特性粘度增加,净浆流动度先增加后减小,即S/A0.42时,净浆流动度存在最大值,达200mm左右,与实际应用要求接近。在高浓度利用条件下,随体系浓度增大,产物特性粘度增大,净浆流动度降低。当S/A=0.60,浓度为0.415时,产品净浆性能最佳;S/A=0.62,浓度为0.415时,净浆流动度达到147mm,适当降低浓度可获得性能更好的产品。 3、用2500Da有机膜循环超滤黑液时,1.5h内通量随时间和压力的增大而增大,温度对通量的影响变大,但污染和堵塞通过碱洗可以清除,说明污染物质多为可溶于碱液而难溶于水的木质素。0.7MPa下循环超滤24h,通量总体降低幅度小,即膜对黑液抗污染能力较强,但该膜的耐碱性能较差,膜在长时间碱性料液中浸泡而发生劣化,碱洗无法使清水通量完全恢复。0.7MPa下对黑液进行浓缩超滤时,初始通量小幅度提高,后急剧降低。0.7、0.8、0.9MPa下比较,通量变化分两个阶段,由两个阶段的通量变化速率推测,0.8MPa的压力较适宜,使通量较大,膜的污染较轻。3个压力对比,0.8MPa时黑液浓缩效率较高,对固形物截留率与0.9MPa接近;压力增加时,酸不溶木素含量的变化速率先减小后增大。黑液中还原糖含量较低,超滤后还原糖含量小幅度提高,可能是因为与木质素结合的部分多糖被截留;0.8MPa下膜对还原糖的截留最显著。10nm、50nm、100nm陶瓷膜超滤黑液时通量明显下降,且陶瓷膜污染严重,膜对黑液中固形物截留率偏低,膜的浓缩提纯效果不明显,均不适用于黑液的分离提纯。 4、用150Da纳滤膜对黑液超滤滤出液进行循环纳滤时,0.7、0.8、0.9MPa下30min内通量均增加,且温度对纳滤通量影响更大,0.9MPa下通量变化最大。同一压力下,30min内滤出液浓度及截留率变化不大,并随压力增加而提高。0.9MPa下膜的截留率较高(0.37~0.52),通量较大,是较优的操作压力。0.9MPa下浓缩纳滤发现通量在约1h内增加,分离率略有降低;1h后通量降低,膜的截留率先基本不变后急剧减小。浓缩纳滤225min时,浓缩液浓度提高1.7%,木质素含量提高约8%,说明纳滤原液中分子量150的组分多为木质素或木质素-糖类复合物;浓缩液中无机盐含量降低约2%,而滤出液中无机盐含量较原液及浓缩液高2~4%,均随时间逐渐减少,即纳滤使有机物纯度提高。初始滤出液中灰分含量较浓缩液中高约10%,后逐渐减少,表明膜对灰分的分离效果较好。 5、0.9MPa下纳滤浓缩225min得到的浓缩液与高效减水剂复配后,复配体系起泡性能提高,浓缩液掺量越大越明显;PC的起泡性能较好,泡细腻均一但不稳定,添加浓缩液后,起泡稳泡性能均得到提高。浓缩液与FDN及PC醚复配后对使净浆流动度增大。选择复配净浆达到最大值时浓缩液的掺加比例,发现减水剂掺量增加时,净浆增大,当减水剂掺量较大时,净浆流动度趋于稳定。单掺浓缩液时,掺量越大,对水泥净浆的缓凝效果越好,且对终凝的延缓效果显著,掺0.2%时,初凝推迟约0.5h,终凝延迟1h。控制水灰比条件下,浓缩液与减水剂复配后使浆体初凝提前,使浆体的终凝延迟,与PC醚复配时对终凝的延迟效果更明显。