硫酸鋁在造紙工業(yè)中的應(yīng)用

1、 硫酸鋁在造紙工業(yè)中的應(yīng)用在造紙工業(yè)中，硫酸鋁（al2(so4)3）是應(yīng)用最廣泛的化學(xué)品之一。事實(shí)上，硫酸鋁總產(chǎn)量的一半應(yīng)用在造紙工業(yè)中的水處理和造紙中。盡管硫酸鋁被廣泛應(yīng)用于各方面，但使用錯(cuò)誤的情況也同樣存在。硫酸鋁的不正確實(shí)用會(huì)導(dǎo)致沉淀和機(jī)械操作故障。使用硫酸鋁的通常原因如下： 在低ph系統(tǒng)中松香施膠 在低ph系統(tǒng)中膠狀物組分留著(細(xì)小纖維，樹脂，顏料和分散松香膠) 在酸性系統(tǒng)中控制ph 在低ph系統(tǒng)中穩(wěn)定紙機(jī)濾水造紙用硫酸鋁是一種分子式為al2(so4)3 14h2o的化合物。它的有效化學(xué)成份含量相當(dāng)于17.1% al2o3。硫酸鋁的供貨形式主要有固體（塊狀或顆粒狀）或者溶液。硫酸鋁標(biāo)準(zhǔn)

2、液中的al2o3含量為7.58.5%，相當(dāng)于用絕干硫酸鋁配制成50%溶液后，溶液中al2o3的固含量。硫酸鋁溶液在加入到漿料中之前通常需要稀釋。表-1 顯示了硫酸鋁比較寬范圍的密度與質(zhì)量之間的轉(zhuǎn)換，為硫酸鋁的使用提供了有價(jià)值的指導(dǎo)作用。硫酸鋁-水化學(xué)由于硫酸鋁在水中具有不同的反應(yīng)方程，因此它在造紙過程中提供了許多有利的方面。硫酸鋁是一種受歡迎的酸性ph化學(xué)控制劑，因?yàn)樗苁瓜到y(tǒng)具有較強(qiáng)的緩沖性能，防止產(chǎn)生ph的波動(dòng)和漿料性質(zhì)變化。當(dāng)硫酸鋁加入到接近中性的水中，形成氫氧化鋁和釋放出硫酸而導(dǎo)致ph下降。al2(so4)3 + 6h2o 2 al(oh)3 + 3h2so4（硫酸鋁）（水）(鋁 (硫

3、的 氫氧化物) 酸)如果將充足的硫酸鋁加入到系統(tǒng)中，在ph 3.8-4.2之間，系統(tǒng)將進(jìn)入緩沖區(qū)。圖-1中滴定法曲線顯示，當(dāng)naoh被加入到硫酸鋁緩沖系統(tǒng)中，ph的變化非常小。圖-1 在抄造過程中加入硫酸鋁使系統(tǒng)具有緩沖性能，防止產(chǎn)生ph波動(dòng)和漿料性質(zhì)變化在低ph的緩沖區(qū)下操作，能控制ph和提供穩(wěn)定的紙機(jī)濾水，但是整個(gè)系統(tǒng)將變成酸性，增加腐蝕性和大大縮短紙機(jī)壽命。在低ph下，紙張中殘余酸過量，嚴(yán)重縮短了紙張存放時(shí)間。造紙工作者通過硫酸鋁與水反應(yīng)來控制系統(tǒng)ph，但是硫酸鋁與水反應(yīng)產(chǎn)生不同鋁的復(fù)合物和硫酸根離子；這些鋁復(fù)合物對(duì)造紙生產(chǎn)非常重要。這些化學(xué)反應(yīng)物促使松香沉淀到纖維上，同時(shí)也可以作為一種

4、廉價(jià)的助留劑。表1-商品硫酸鋁溶液的密度與質(zhì)量之間的等量轉(zhuǎn)化此表對(duì)實(shí)際生產(chǎn)操作具有指導(dǎo)性意義°be at 60°fsp grlb/gal%al2o3equiv. % dry alum*磅 dry alum /加侖per gal solution11.00698.400.191.12.0921.01408.460.392.29.1931.02118.520.593.47.3041.02848.580.804.71.4051.03578.641.015.94.5161.04328.701.227.18.6271.05078.761.438.41.7481.05848.831.6

5、49.65.8591.06628.891.8510.88.97101.07418.962.0712.181.09111.08219.022.2813.411.21121.09029.092.5014.711.34131.09859.162.7216.001.47141.10699.232.9317.241.59151.11549.303.1518.531.72161.12409.373.3819.881.86171.13289.453.6021.182.00181.14179.523.8222.472.14191.15089.604.0423.762.28201.16009.674.2725.

6、122.43211.16949.574.5026.472.58221.17899.834.7327.822.74231.18859.914.9629.182.89241.19839.995.1930.533.05251.208310.085.4331.943.22261.218510.165.6733.353.39271.228810.255.9134.763.56281.239310.346.1636.243.74291.250010.436.4237.763.93301.260910.526.6739.244.12311.271910.616.9140.654.31321.283210.7

7、07.1642.124.51331.294610.807.4043.534.71341.306310.897.6645.064.91351.318210.997.9246.595.12361.330311.098.1948.185.34371.342611.208.4649.765.57381.355111.308.7451.415.81391.367911.419.0153.006.05*(絕干硫酸鋁中含有17%al2o3 +游離al2o3 占.03% ) 來源于工業(yè)數(shù)據(jù)下列幾點(diǎn)是關(guān)于鋁復(fù)合物的重要概述：1. 在水系統(tǒng)中，硫酸鋁以不同的化學(xué)形式存在。2. 同時(shí)以一種以上化學(xué)形式存在。3. 每

8、種形式都有不同性質(zhì)，對(duì)造紙系統(tǒng)產(chǎn)生不同影響。4. 在任何時(shí)候硫酸鋁的濃度和ph決定了硫酸鋁以何種形式存在，并對(duì)紙機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生不同影響。硫酸鋁-水反應(yīng)可以產(chǎn)生不同的鋁復(fù)合物，在圖-2中顯示了7種科學(xué)家已探知的鋁復(fù)合物化學(xué)形式。圖-2硫酸鋁水解步驟其中四種化學(xué)形式對(duì)造紙系統(tǒng)非常重要：1. 可溶性鋁離子：al+32. 可溶性鋁聚合物：al8(oh)20+43. 不可溶氫氧化鋁：al(oh)34. 可溶性氫氧化鋁離子：al(oh)41鋁離子(al+3)是鋁在液體硫酸鋁中存在形式。它是具有可溶性的陽(yáng)離子，所以它有溶解于溶液的傾向，而不是被吸附在纖維表面。當(dāng)系統(tǒng)處在緩沖區(qū)，溶液中有多余游離無機(jī)酸（通常ph

9、3.84.2）的情況下，主要以al+3的形式存在。當(dāng)ph上升至4.8-5.0，al+3的含量下降至零。al8(oh)20+4是最具反應(yīng)活性的鋁聚合物，這種可溶性聚合物只能在很小的ph（4.5-5.0）范圍內(nèi)存在，這種高電荷密度的陽(yáng)離子被吸附到纖維表面，起到助留劑的作用。 不溶性氫氧化鋁（al(oh)3）在ph 4.74.8的范圍內(nèi)開始形成，并且在ph 5-9的范圍內(nèi)作為主要成份存在。圖-3顯示了氫氧化鋁沉淀的ph變化。圖-3 ph在4-10.5范圍內(nèi)，1%硫酸鋁溶液中氫氧化鋁的沉淀情況氫氧化鋁的化學(xué)分子式表明它既不是陽(yáng)離子也不是陰離子。由于表面吸附硫酸鋁的水解產(chǎn)物，導(dǎo)致微粒具有微量的陽(yáng)離子電荷

10、。這種陽(yáng)離子電荷隨著ph從4.8上升至9.0而下降。氫氧化鋁離子（al(oh)41）是硫酸鋁水解過程中第四重要的化學(xué)形式。當(dāng)ph大于10，硫酸鋁將全部水解轉(zhuǎn)化為可溶性的al(oh)41，因此在高ph下減小硫酸鋁的助留效果。 圖-4和圖-5顯示硫酸鋁水解后的各種化學(xué)成份的含量隨ph不同而變化。圖-4 硫酸鋁在ph為4-11范圍內(nèi)時(shí)的主要存在形式圖-5 硫酸鋁在ph為4-5.5范圍內(nèi)時(shí)的主要存在形式硫酸鋁以何種形式存在才有利于抄造，這取決于系統(tǒng)的需要。當(dāng)存在一些可溶性的(al+3)時(shí)，系統(tǒng)通常使用堿性松香膠施膠，操作性能最佳。 因?yàn)橛坞x鋁離子對(duì)松香吸附作用。這就意味最有效的ph操作范圍在4.5-5

11、.1，保證一些游離的al+3促使施膠劑沉積到纖維上和增加高反應(yīng)活性的al8(oh)20+4，有利于細(xì)小纖維的留著（例如：細(xì)小纖維，顏料微粒和沉淀施膠劑）。陽(yáng)離子水解產(chǎn)物作為氫氧化鋁絮聚物的副產(chǎn)物隨之產(chǎn)生，同樣有助于留著小微小膠狀顆粒，因?yàn)樾蹙畚镂降轿⒘１砻妫兄跍p小纖維與微粒之間的靜電排斥。系統(tǒng)使用新一代分散松香膠施膠，ph應(yīng)略高于堿性松香施膠系統(tǒng)，施膠效果會(huì)更好。因?yàn)椴辉傩枰猘l+3吸附施膠劑，主要是作為凝結(jié)微小顆粒。系統(tǒng)通常在ph為4.8-5.3下運(yùn)行，因?yàn)樵谶@個(gè)階段硫酸鋁主要以高反應(yīng)活性的聚合物和陽(yáng)離子膠狀氫氧化鋁絮聚物存在，兩者都具有良好的助留性能。在無施膠系統(tǒng)中主要考慮細(xì)小組分、

12、顏料和其它添加劑的留著，通常ph優(yōu)化4.8-5.2范圍內(nèi)，當(dāng)需要相對(duì)較高的陽(yáng)離子含量的時(shí)候，通?？刂苝h低于4.9。在此ph范圍下運(yùn)行，可最大量使用硫酸鋁，此時(shí)系統(tǒng)中的有效助留成份（鋁聚合物和氫氧化鋁絮聚物，都是硫酸鋁的陽(yáng)離子化水解產(chǎn)物）。那么，為什么有這么多造紙廠在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，ph都低于這個(gè)建議范圍呢？在大多數(shù)情況下，因?yàn)樗麄冊(cè)诓僮鬟^程中無法達(dá)到所要求的ph范圍。大多數(shù)造紙廠遇到運(yùn)行障礙，主要?dú)w因于濾水變化、改變定量、較差的水分控制、施膠變化，泡沫、垃圾和斷紙。實(shí)際上通觀這些經(jīng)歷，其中ph都是由人為控制的，這種控制準(zhǔn)確性非常差，控制不準(zhǔn)確由于對(duì)ph重視不夠，或?qū)τ诩尤霛{中的輔料導(dǎo)致ph的波動(dòng)

13、。通常漿料變化也是問題所在。當(dāng)ph發(fā)生變化，硫酸鋁在系統(tǒng)中的化學(xué)存在形式也會(huì)隨之發(fā)生變化。如果紙機(jī)系統(tǒng)ph從4.2至4.5，一些al+3將轉(zhuǎn)化成活性聚合物和氫氧化鋁絮聚物。留著增加，成型網(wǎng)上的重量增加，紙幅變得更濕，紙機(jī)慮水變慢。由于紙幅突然變得太干和濾水太快，時(shí)常發(fā)生斷紙。紙機(jī)在ph為3.8-4.2之間運(yùn)行，此時(shí)系統(tǒng)中具有較高游離無機(jī)酸含量，可以避免由于ph變化而產(chǎn)生潛不穩(wěn)定性，在這個(gè)硫酸鋁緩沖區(qū)下，ph不會(huì)變化，直到由于使用過量硫酸鋁積累而導(dǎo)致系統(tǒng)過酸性，此時(shí)需要用較高ph的漿料來平衡。盡管此條件滿足造紙工作者控制ph的需要和穩(wěn)定紙機(jī)濾水，但是阻礙了他們意識(shí)到最佳的施膠和助留效果。這些低ph系統(tǒng)同樣面臨嚴(yán)重的化學(xué)沉積問題，網(wǎng)毯阻塞和增加設(shè)備腐蝕。由于添加過量硫酸鋁，在漿和白水中會(huì)出現(xiàn)大量的al+3，一旦系統(tǒng)的ph上升，這些al+3就會(huì)馬上轉(zhuǎn)化成具有反應(yīng)活性的鋁聚合物和氫氧化鋁絮聚物。這種現(xiàn)象通常出現(xiàn)在使用清水的部分，例如紙機(jī)流漿箱，飾面輥，網(wǎng)毯清洗，和壓榨毛毯。通常會(huì)導(dǎo)致硫酸鋁膠狀物黏液在流漿箱、飾面輥、成型網(wǎng)案和毛毯上形成沉積。當(dāng)可溶性硫酸鋁含量增加，孔板和壓榨輥也經(jīng)常發(fā)生堵塞。清水作