磁鐵礦用于辦公廢紙脫墨的研究

鄭 其 車小奎 段 錦 陳 松 陳偉東

（北京有色金屬研究總院，北京，100088）

油墨種類、印刷方式和工藝、添加的填料、廢紙分類不清晰，以及廢紙中油墨經(jīng)碎漿后顆粒微細(xì)或形狀不規(guī)則等給目前的脫墨方法帶來困難。因此，為能有效去除微細(xì)的油墨顆粒，需要尋求常規(guī)浮選和洗滌技術(shù)的改良方法或替代方法。

廢紙漿中的油墨有一定的疏水性，且大多無磁性，但在凝聚劑（如柴油）的作用下，疏水粒子（油墨）之間可形成液橋而凝聚為高強(qiáng)度和高密度的聚團(tuán)，實(shí)現(xiàn)選擇性凝聚。同時，以磁鐵礦作為磁載體，使聚團(tuán)具有磁性，再用磁選法實(shí)現(xiàn)油墨與纖維的分離。本研究探討了攪拌時間、攪拌速率、凝聚劑用量、pH值和漿濃等因素對油墨去除率的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原料

1.1.1 廢紙和墨粉

廢紙：將辦公廢紙（復(fù)印紙）稱量、撕成碎片，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行模擬制漿。將碎紙片、熱水和NaOH共同浸泡24h，并在食物加工機(jī)中攪拌處理數(shù)分鐘，處理后的漿料作為實(shí)驗(yàn)用紙漿。廢紙漿性質(zhì)見表1。

墨粉為復(fù)印機(jī)的廢墨粉。

表1 廢紙漿性質(zhì)

1.1.2 磁鐵礦

提純：磁鐵礦粉為遵化鋼鐵公司的鐵精礦；經(jīng)X衍射分析，其主要成分為Fe3O4，還有少量的Fe2O3和SiO2。利用球磨機(jī)磨至400目以下的占85％，再磁選提純，鐵品位達(dá)到71％。

疏水化：用油酸鈉對磁鐵礦粉表面進(jìn)行疏水化，油酸鈉用量為磁鐵礦粉質(zhì)量的5％，溫度60℃，攪拌時間5h，制得疏水性磁鐵礦備用。

1.1.3 試劑

HNO3、NaOH、Na2CO3、Na2SiO3、油酸鈉（均為分析純級）；柴油（工業(yè)級）。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

（1）油墨-磁鐵礦的凝聚實(shí)驗(yàn)：稱一定量的油墨，然后利用超聲波分散。在凝聚裝置中先加入柴油并高速攪拌分散，然后加入疏水性磁鐵礦和分散的油墨進(jìn)行凝聚。

（2）廢紙漿-磁鐵礦的凝聚實(shí)驗(yàn)：將廢紙漿、磁鐵礦和柴油加到凝聚容器中進(jìn)行凝聚。

（3）磁選：凝聚和磁選均在帶攪拌裝置的容量為1L的圓形有機(jī)玻璃槽內(nèi)進(jìn)行。在攪拌槽外側(cè)可放置不同磁場強(qiáng)度的磁鐵，捕集懸浮在漿料中的磁性聚團(tuán)，然后利用傾析法得到磁性物，為避免夾帶，對聚團(tuán)加水?dāng)嚢柙俨都?/p>

1.3 測試

將磁鐵吸附的物料作為磁性物，其余為非磁性物，均過濾、干燥和稱量。通過計(jì)算油墨在磁性物中的回收率考察油墨凝聚磁選的效果。

油墨回收率=（磁性物中油墨量/（磁性物中油墨量+非磁性物中油墨量））×100％。

油墨去除率=（1-處理后殘余油墨量/處理前殘余油墨量）×100％。

用YQ-Z-48A白度儀進(jìn)行白度測定。用帶粒度分析系統(tǒng)的掃描軟件測定墨粒粒徑分布，以此來評價(jià)脫墨效果。

2 結(jié)果與討論

2.1 接觸角

將復(fù)印機(jī)墨粉、未疏水化的磁鐵礦粉及疏水性磁鐵礦粉分別壓片，測定其接觸角θ，測定結(jié)果如表2所示。粉末表面與水的θ越大，疏水性越強(qiáng)。由表2可以看出，未經(jīng)表面改性的磁鐵礦粉疏水性弱，接觸角為0，而經(jīng)過疏水化處理后的磁鐵礦粉的接觸角為137°，呈現(xiàn)出很強(qiáng)的疏水性。墨粉的接觸角為80°，也有較強(qiáng)的疏水性。

表2 接觸角的測定結(jié)果（°）

2.2 油墨-磁鐵礦凝聚

文獻(xiàn)［1］認(rèn)為，加分散的無極油如柴油能凝聚漿料中疏水性顆粒。為此首先嘗試在無纖維時凝聚疏水性磁鐵礦和油墨顆粒。本研究選用柴油作凝聚劑，實(shí)驗(yàn)中油墨量100g/L、磁鐵礦2g/L。

2.2.1 柴油用量的影響

實(shí)驗(yàn)中添加少量凝聚劑如柴油產(chǎn)生“橋連”作用，在疏水性顆粒之間形成液橋，可強(qiáng)化油墨與磁鐵礦顆粒間的絮凝作用，從而強(qiáng)化凝聚-磁選脫墨過程［2］。

凝聚劑（柴油）用量影響所形成的凝聚類型。Rondeau等［3］觀察到凝聚有4個階段：擺動橋、纖維狀、毛細(xì)現(xiàn)象和顆粒分散。在油量較少時，只有擺動橋接觸顆粒，它形成不堅(jiān)固的聚團(tuán)結(jié)構(gòu)。當(dāng)液橋變得更擴(kuò)展，就達(dá)到纖維狀，聚團(tuán)開始變堅(jiān)固。當(dāng)油量再增加，聚團(tuán)最終長大，達(dá)最大強(qiáng)度時形成球形，進(jìn)入毛細(xì)管階段。當(dāng)進(jìn)一步增加油量時，液橋強(qiáng)度明顯減弱，形成松軟多孔的聚團(tuán)。也有人認(rèn)為，凝聚劑過量時，多余的凝聚劑將在顆粒表面形成多層物理吸附，顆粒之間吸附減弱，聚團(tuán)強(qiáng)度降低［1］。

從凝聚的過程也可以看出，在柴油用量比較小時，單個顆粒（墨粉和磁鐵礦）間顯示出凝聚；隨著柴油用量的增加，聚團(tuán)的粒徑和球形化增加。理想的凝聚狀態(tài)可形成的聚團(tuán)直徑大約是1.5cm（見圖1）。若進(jìn)一步增加柴油用量，聚團(tuán)變得較軟和油性化。

油墨分選效率與柴油用量的關(guān)系如圖2所示。實(shí)驗(yàn)時用NaOH調(diào)節(jié)pH值至9.0，油墨量100g/L，疏水性磁鐵礦2g/L，攪拌速率1200r/min，攪拌時間20min。

油墨分選效率與柴油用量的關(guān)系如圖2所示。從2圖可以看出，隨著柴油用量增大，油墨回收率迅速提高；在柴油用量達(dá)到3g/L后，油墨回收率增加緩慢。顯然，柴油用量對油墨分選效率影響非常明顯。

2.2.2 攪拌時間的影響

在油墨凝聚階段中，為了獲得好的凝聚效果，必須輸入足夠的動能。向攪拌槽中輸入動能決定于攪拌時間和攪拌速率。本實(shí)驗(yàn)在油墨量100g/L、磁鐵礦用量2g/L、攪拌速率1200r/min、柴油用量3g/L、改變攪拌時間的條件下進(jìn)行油墨的凝聚-磁選實(shí)驗(yàn)，攪拌時間對油墨凝聚磁選分選的影響如圖3所示。

從圖3可看出，凝聚發(fā)生在加入分散油后的前幾分鐘；在凝聚的前20min，隨著攪拌時間的延長，凝聚劑與油墨/磁鐵礦粉的接觸時間越長，凝聚效果越好，油墨回收率也隨之提高；但是，在達(dá)到臨界值以后，分選效率不再提高。經(jīng)數(shù)小時的實(shí)驗(yàn)觀察，也未見凝聚有好轉(zhuǎn)的跡象，甚至因攪拌時間過長，絮團(tuán)破裂，重新處于分散狀態(tài)。

2.2.3 pH值的影響

圖4是油墨回收率與pH值的關(guān)系曲線。從圖4可以看出，疏水性磁鐵礦與油墨凝聚的最佳pH值范圍為7～10。在此范圍內(nèi)，油墨能與磁鐵礦凝聚，且在pH值為9時，油墨回收率達(dá)到最高，為97％。若pH值不在此范圍，油墨回收率將降低。當(dāng)pH值小于7或大于10時，油墨的回收率均小于60％。

圖4 油墨回收率與pH值的關(guān)系

2.3 廢紙漿-磁鐵礦的凝聚

在廢紙漿-磁鐵礦體系中對纖維與油墨/磁鐵礦間的可能存在的交互作用進(jìn)行研究，以評定柴油用量、攪拌時間、攪拌速率和漿濃對凝聚-磁選的影響。

2.3.1 柴油用量的影響

為了提高廢紙漿-磁鐵礦體系中的油墨去除率，需要提高油墨與磁鐵礦間的黏附力。這可通過增加柴油用量促使凝聚形成和聚團(tuán)長大來實(shí)現(xiàn)。不同柴油用量對脫墨效果的影響如表3所示。由表3可見，柴油用量為0.4％時，油墨去除率可超過97％。

2.3.2 攪拌速率的影響

表4示出了凝聚時攪拌速率即攪拌強(qiáng)度對脫墨效果的影響。由此可知，必須保持較高的攪拌速率才可達(dá)到較好的凝聚，但是攪拌速率太高，會破壞聚團(tuán)，使油墨去除率下降。根據(jù)凝聚理論，要實(shí)現(xiàn)凝聚必須克服顆粒間巨大的能壘，攪拌作用通過顆粒的動能來克服能壘，盡管疏水聚團(tuán)有很大的吸引力及足夠的強(qiáng)度來克服攪拌帶來的破壞，但是強(qiáng)烈的攪拌對凝聚不利，易使聚團(tuán)破裂［1］。

2.3.3 攪拌時間的影響

一般來說，磁鐵礦和油墨絮凝的形成是非?？斓?，加入柴油后的前幾分鐘就發(fā)生凝聚。用肉眼可觀察到，在凝聚之初，紙漿是灰色的，只有非常小的可見墨點(diǎn)；在較短時間內(nèi)就有聚團(tuán)出現(xiàn)，且顆粒迅速增加；在15～30min，紙漿會變成白色，絕大部分的墨粉與磁鐵礦聚集成幾毫米的聚團(tuán)，發(fā)生很好的凝聚。但進(jìn)一步延長攪拌時間，其變化較小，甚至可見紙漿返回灰色，凝聚變差。將不同攪拌時間得到的漿料進(jìn)行磁分離，結(jié)果如表5所示。由表5可知，保持一定的攪拌時間是必要的，以使顆粒與顆粒接觸并形成聚團(tuán)，但時間過長，也未見脫墨效果有明顯改善。

2.3.4 pH值的影響

表3 柴油用量對脫墨效果的影響

表4 攪拌速率對脫墨效果的影響

漿料pH值是油墨顆粒與磁鐵礦粒子發(fā)生凝聚與否的關(guān)鍵因素之一。表6為不同pH值下的脫墨結(jié)果。從表6可以看出，凝聚脫墨的最佳pH值范圍為7～10，且pH值為9時，油墨去除率達(dá)到97.2％，這與前面的結(jié)果基本吻合。

表5 攪拌時間對脫墨效果的影響

表6 凝聚pH值對脫墨效果的影響

表7 漿濃對脫墨效果的影響

2.3.5 漿濃的影響

凝聚時，漿濃影響凝聚效果和油墨去除率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表7所示。結(jié)果表明，隨著漿濃的提高，脫墨效果變差，尤其是漿濃從4％增至5％時，油墨去除率從95.5％降至89.7％。這說明漿濃低時也可獲得較高的油墨去除率和選擇性。纖維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)可能對油墨與磁鐵礦的碰撞黏附存在一定阻擋，使油墨與磁鐵礦間的碰撞力減弱它們之間的吸附或使油墨從磁鐵礦上的脫附率提高，從而使油墨去除率下降，特別是因?yàn)槔w維與油墨-磁鐵礦聚團(tuán)間的碰撞會造成墨粒的脫附。廢紙漿-磁鐵礦體系的凝聚實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，漿濃低于4％時，纖維在油墨聚團(tuán)中的損失很少，說明凝聚的磁選選擇性很高，這是因?yàn)橛湍c磁鐵礦之間的黏附力大于纖維與磁鐵礦之間的黏附力。當(dāng)漿濃升高時，纖維也易于聚團(tuán)，使纖維、纖維聚團(tuán)與油墨/磁鐵礦間的碰撞幾率增大，油墨聚團(tuán)會夾帶纖維。

2.3.6 綜合實(shí)驗(yàn)

在漿濃2％、磁鐵礦用量0.04％、柴油用量0.4％、攪拌速率800r/min、pH值9、攪拌時間30min、磁場強(qiáng)度0.5T的條件下，進(jìn)行了廢紙漿加磁鐵礦的凝聚-磁選實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果為：脫墨漿白度93.3％，油墨去除率96.8％。

疏水性磁鐵礦與廢紙漿中的油墨通過凝聚、磁選去除油墨的技術(shù)為廢紙脫墨提供了一個新的方法。該方法可在較高的漿濃下操作，減少了廢水的處理量，同時，漿料中的油墨、凝聚劑和其他雜質(zhì)都與磁鐵礦凝聚在一起，磁選后以固體形式存在便于處理，且磁鐵礦可再生使用，脫墨漿中殘存較少。盡管如此，若要將此技術(shù)用于工業(yè)上，還有待進(jìn)一步研究和優(yōu)化，需要考慮很多因素，如生產(chǎn)成本、操作費(fèi)用和設(shè)備效率等。

3 結(jié)論

研究結(jié)果表明：凝聚劑柴油是凝聚的主要影響因素，凝聚效果和油墨去除率一般隨柴油用量的增加而提高；凝聚時必須保持一定的攪拌時間和攪拌速率，以使磁鐵礦顆粒與油墨顆粒之間接觸并形成聚團(tuán)；pH值也影響油墨顆粒與磁鐵礦粒子的凝聚。

采用疏水性磁鐵礦作為磁載體，使之與油墨凝聚，從而通過磁選去除油墨。在漿濃2％、磁鐵礦用量0.04％、柴油用量0.4％、攪拌速率800r/min、pH值9、攪拌時間30min、磁場強(qiáng)度0.5T的條件下進(jìn)行脫墨，所得脫墨漿白度93.3％、油墨去除率96.8％。

［1］盧壽慈，翁 達(dá).界面分選原理及其應(yīng)用［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，1992.

［2］鄭 其，阮仁滿，宋永勝，等.液橋凝聚用于混合辦公廢紙脫墨的研究［J］.環(huán)境污染治理技術(shù)與設(shè)備，2006，7（10）：79.

［3］Rondeau X，Affolter C，KomunjerL，et al.Experimental determination of capillary forces by crushing strengthmeasurements［J］.Powder Technology，2002，4621：1.