1泡沫的形成原因及危害

研究证实,泡沫是一种胶体系统,是气体分散在液体中形成的。在造纸系统中,气体通常是空气或二氧化碳,液体介质一般是水。在造纸过程中,很多操作会导致工艺用水和白水中混入空气而形成泡沫。例如,浆料呈瀑布状落下,浆泵的空气泄漏,浆池搅拌器搅拌过于强烈或搅拌器露出液面,锥形除渣器排渣口压力过低,白水或浆料管道设计不合理,白水的回收利用,损纸的回收等等;浆料的发酵和碳酸盐的酸化分解会释放出二氧化碳,也会形成泡沫。浆料中的气泡对纸机的运行及成纸质量有重要的影响。气泡含量高,不仅影响网部脱水,造成纸病,而且气泡会产生气蚀,使浆泵的运行性能下降,增加能耗;使整个上浆系统不稳定,甚至引起上浆泵跳闸、停机;同时,浆管和其它压力装置中的压力也会产生波动。浆料中的气泡对速度较低的纸机影响不是很大,但对高速纸机则有重大影响。因此,高速纸机必须配备完善的消泡系统。

2泡沫的种类

在造纸系统中最常见的泡沫可分为3种:表面泡沫、携带泡沫和静态泡沫。

2.1表面泡沫是人们熟悉的多角形泡沫聚集体,常见其漂浮于浆池里、机外白水池、托盘上及纸机网部。表面泡沫严重时会影响系统运行性能和成纸质量。

2.2携带泡沫是一种微细的球状泡沫,它吸附在纤维表面或分散在浆水系统中。一般情况下,吸附了携带泡沫的纤维的边界张力不足以克服气泡壁与纤维表面结合的表面张力,使气泡能稳固地吸附在纤维上。同时,因该类型气泡的直径非常小,所以气泡表面液体的边界张力很微弱,使其上升至液面的速度很慢。分散在浆料中的携带泡沫有相互结合、形成大气泡的趋势。如果浆料中没有不纯净物质,携带泡沫就会相互结合漂浮至液面,形成表面泡沫。但是,存在于浆料中的不纯净物会增大携带泡沫壁的表面张力,使其更富弹性,阻止了泡沫间的结合。因此,在整个造纸用水及浆料系统中,携带泡沫仍然以高度分散的状态存在,纤维被携带泡沫紧紧粘附。在造纸系统中,主要有两类物质能使泡沫稳定:(1)溶解于液体中的表面活性剂,例如脂肪酸、树脂酸、木素化合物、漂白化学品及某些增强剂和染料等;(2)吸附在气、液界面上的微细固体颗粒,它能使气泡间形成稳定的薄膜,例如填料、助留剂、细小纤维、明矾、油墨点等。浆料中的上述物质为气泡的稳定存在提供了良好的外部环境。因为纯净的液体即使与气体强烈混合也不会产生泡沫。只有第三种不纯净物质存在时,才会形成稳定的泡沫

2.3静态泡沫是一种“老化”的表面泡沫,是由于浆料中含有大量的细小纤维和颗粒而形成的。这种泡沫一般不会导致纸机运行故障,但是它却影响纸机的清洁,并造成腐浆。以上几种泡沫中,携带泡沫对上浆系统及成纸质量影响最大,也最难消除;其次是表面泡沫,再次是静态泡沫。在一般情况下,系统表面泡沫含量高时,携带泡沫含量也会很高,但是,较少的表面泡沫并不能说明携带泡沫的含量也很低。

3除气的方法

控制造纸工业中的泡沫主要可从三个方面这着手:机械办法、采用消泡剂、控制好湿部化学系统。

3.1物理措施

为了减少浆料中的空气含量,可在浆料制备过程中采取一些必要的措施,防止空气混入浆料中。例如,将浆管及白水管的出口伸入到液面以下;尽量避免小角度弯管或T形接头以降低脉冲,减少空气混入的几率;除渣器出口的压力不宜过低,或选择排渣口为并联封闭式的除渣器;浆池的搅拌器不能露出液面,搅拌速度应适中,不能过快。但是,要使浆料中的空气含量降到较低水平,仅依靠上述措施是不够的。纸机系统,尤其是高速纸机应配备完善的除气装置。

3.1.1纸机的除气系统对于现代化高速纸机,在工艺流程上设置完善的除气系统是非常重要的,系统主要包括除气器及相关的真空系统。浆料经一段冲浆泵送至除气器在80~90Kpa的真空作用下,利用扩散、加速、再扩散的原理使气泡密封水破坏消除,进入除气密封水破坏消除,进入除气密封槽。一般情况,经过除气器后,浆料中的空气含量可从2.5%降至1.5%以下。

3.1.2辅助除气措施尽管除气器能有效地去除浆料中的空气,但若浆料和白水中的空气太多,也很难保持系统的稳定,因此必须采取一些辅助措施,以降低进入除气器的浆料的空气含量。辅助除气措施包括在离心泵(如冲浆泵、上浆泵等)和除渣器上安装排气管,以排除富集在离心泵和除渣器内的气泡。机外白水池和纸机网部的抽气可以有效地消除纸机系统的表面泡沫。

3.2采用消泡剂消泡

3.2.1消泡剂成分消泡剂成分:(1)有机或无机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、脂类;(3)乳化和分散剂;(4)作为载体的油或水。

3.2.2消泡剂的分类与选用

3.2.2.1脂肪酸酰胺类

脂肪酸酰胺类属于油基产品将表面活性剂脂肪酸酰胺和二元醇单酯均匀分散在矿物油体系中即为产品。用于碱法蒸煮中较有优势,它能很好地消除洗涤、打浆、筛选、浓缩时产生的大量泡沫。此类消泡剂存在沉积和分散不良,引起筛孔阻塞和使纸面形成鱼眼纸病等问题。

3.2.2.2有机硅类

包括硅油与乳化剂两个组分。可以应用造纸每个工序,消泡效率很高,但其抑泡效果不佳,而且成本偏高。

3.2.2.3聚醚类

主要活性成分是环氧乙烷,一环丙烷嵌段共聚物,分子量一般大于3000;主要应用于涂布纸加工过程中,不仅具有很强消泡、抑泡作用,同时具有上光、润滑等多种功能,但其造价昂贵,成本偏高。

3.2.3消泡剂的复配

利用脂肪酸酰胺、聚醚、有机硅等活性组分等各自特点,按一定的比例将其有机地结合在一起,产生协同效果,使消泡效能大大增强,提高经济效益。其反应机理及各组分的协同效应需要进一步研究,消泡剂的制备和控制反应工艺还有待优化。

3.2.4消泡剂的机理

消泡剂消泡的机理主要有以下三个方面:(1)微粒介入或疏水性颗粒在气泡壁的介入,这些颗粒打烂了气泡壁分子的排列,产生了局部的弱点。这些破裂的气泡壁就可使携带泡沫相互结合,导致气泡的瓦解消失。(2)优先表面置换,或用非泡沫稳定型表面活性成分替换不希望的泡沫稳定不纯物质。不稳定的气泡壁可使气泡更易破裂。(3)薄膜成形对表面泡沫的控制也是有效的。表面张力的不溶性药剂可以在水的表面迅速铺展成薄膜。这迅速铺展的薄膜和气泡壁表面张力的减小会使表面泡沫破裂,但这并不能增强气泡结合,也不会释放出携带泡沫。

3.2.5消泡剂的添加点

消泡剂的添加点直接影响消泡的效果。比如:福建南纸5#纸机,最初的添加点是外网白水通道至机外白水池的入口处,添加点只有一个,消泡效果不是很好;将添加点改在内网及外网白水通道的入口处同时添加,并且添加量与白水的流量成正比,保证消泡剂与白水充分混合。改进后,白水中的气泡含量从1.7%降至1.4%,上浆系统比以前更加稳定,成纸匀度有所提高,消泡剂的用量也从0•06%降至0•04%,降低了成本。

3.3湿部化学对系统泡沫的影响

3.3.1浆料及清水性质对泡沫的影响

系统携带泡沫含量会随清水和浆料的pH值的波动而变化,冲浆泵也会随之波动,致使上浆系统不稳定,比如马尾松GP和TMP系统pH值应控制在6.5~6.8为宜。

3.3.2纸机湿部化学药品的配置

纸机湿部所选用的化学品如杀菌剂、明矾、染料、填料等对系统空气含量也有重要影响:(1)杀菌剂的加入可以抑制腐浆,减少了因浆料腐烂产生的二氧化碳气体;(2)明矾可以调节浆料的pH值,有助于减轻树脂障碍,但过量的明矾同样会增加系统的泡沫含量;(3)填料的粒度也影响其分解速度。粒度越细,比表面积越大,其表面活性越大,分解速度也越快;比表面积越大,也更易吸附空气,产生更多的泡沫。

4结语

浆料中泡沫的含量直接威胁到纸机的正常运行,对高速纸机尤为敏感。控制泡沫含量,稳定湿部化学环境,对于稳定生产有着重要意义。实践表明,采用物理和化学的泡沫控制方式,可以有效地控制并稳定系统中泡沫的含量。