表面活性剂的hlb值与脱墨效果

表面活性剂的hlb值与脱墨效果

随着废物回用的品种的扩大和印刷技术的发展，从报纸中清除废物的难度越来越大。这就要求人们在纸张处理技术上，尤其是将纸张脱出来、创新和改进，用低质量的纸张生产高质量的纸张。从废纸中分离、除去油墨及其他杂质常用氢氧化钠、硅酸钠、碳酸钠、磷酸钠等碱剂和过氧化氢、连二亚硫酸钠和次氯酸钠等漂白剂以及EDTA和DTPA等螯合剂，此外，使用的表面活性剂有：烷基苯磺酸钠、高级醇硫酸酯盐、α-烯基磺酸盐、琥珀酸二酯磺酸盐等阴离子表面活性剂和高级醇、烷基酚和脂肪酸的环氧乙烷加成物及环氧乙烷-环氧丙烷嵌段加成物以及烷醇酰胺等非离子表面活性剂，一般单独使用或两种以上配合使用，也可与特定的有机和无机组分以及有机溶剂等配合使用以提高脱墨效果。脱墨剂通过降低废纸纤维与印刷油墨的表面张力而产生皂化、润湿、渗透、乳化、分散和脱色等多种作用，其中的表面活性剂配方是脱墨成功与否的关键。通常，把其中的表面活性剂称为脱墨剂。1浮选脱墨的hlb值及温度衡量表面活性剂特性的技术指标之一是HLB(Hydrophilic-LypophilicBalance）值，即表面活性剂结构中，亲水基团与疏水基团之间的质量百分比率。不同HLB值的表面活性剂的脱墨效果也不一样。表1给出了不同HLB值表面活性剂的特性及其用于ONP脱墨后对白度的影响。从表1中可以看出，HLB值为8～18或大于18的表面活性剂适于做O/W分散体系的乳化剂；HLB值为3～6的表面活性剂适于做W/O分散体系的乳化剂，而脱墨一般是O/W分散体系。因此，应选HLB值在8～18或大于18的表面活性剂做乳化剂。据报道，最佳浮选脱墨的HLB值约为15。表面活性剂的另一技术指标与温度有关，即克拉夫特点和浊点。克拉夫特点指在低温下，离子型表面活性剂在水中的溶解度很低，随着温度的升高，表面活性剂浓度仅略微增大，但当升高到某一特定温度时，其溶解度突然急剧上升，该温度就称为克拉夫特点，浊点是衡量非离子型表面活性剂的技术指标，在非离子表面活性剂的稀溶液中，当温度低于浊点时，表面活性剂分子处于分散状态；温度升高，分子因逐渐靠近而开始缔合，由若干分子缔合或聚集在水中呈现云斑或乳白色，此时的温度称为浊点，通常给出1%或10%的表面活性剂水溶液的浊点。当温度低于浊点时，表面活性剂的脱墨效果最好。随着环保要求的提高，表面活性剂的生物降解性越来越重要。通过生物降解，表面活性剂首先失去表面活性能力，最终转化成CO2和水。2浮选的原因及种类为了分析打印油墨的脱离性质，把油墨层分为三层：内层（P层）、中层（S层）和外层（T层）。P层直接与纤维接触，是纤维与油墨的粘合，只有NaOH等润胀化学品才能使纤维与油墨分离；S层粘附于P层，主要是油墨粒子间的粘附，可以用机械法部分剥离，用脱墨剂能进一步提高其分离效果；T层是快速干燥的联结疏松的油墨，只用机械力就能脱除。油墨的分离可分为两步，首先是油墨粒子的软化，接着油墨粒子从纤维上脱离下来分散在浆液中。软化完全取决于表面活性剂与油墨的作用，而分离影响油墨的脱除，只有脱离下来的油墨才能在浮选中除去。表面活性剂影响油墨的脱离，其浓度越高，油墨粒子脱除越快。不加表面活性剂时，机械力只能脱除非联接的外层；加表面活性剂时，联接较为紧密的中层甚至整个油墨层才可以脱离下来，在表面活性剂浓度很低时，油墨粒子的脱离速度很慢，而且易形成小颗粒；只有当其浓度很高时，才能使油墨层成片地脱落，并在溶液中形成大的油墨聚集体。油墨粒子的脱除可分为两种方式：油墨聚集体单个大块脱离；油墨从各层以小颗粒状态脱离下来，随后这些颗粒在溶液中聚集。有效的洗涤取决于油墨粒子的亲水性，这就要求油墨粒子小且分散良好，以至于它们能通过纤维层及洗涤网。传统分散剂降低表面张力，增加油墨与纤维接触面的渗透，并依靠疏水反应使疏水链连结到油墨粒子上，亲水端朝向水相，形成胶束，阻止了油墨粒子在溶液中的聚集。脂肪醇聚氧乙烯醚型非离子表面活性剂及其改性物常用作分散剂，它们的使用效果与钙离子浓度无关。和洗涤类似，浮选也从分离油墨开始，但所用的分散体系不同，有效的浮选需要使用浮选促进剂，它使油墨粒子粘附在气泡上。浮选促进剂常为阴离子物质或用阴离子覆盖的微米级粒子，如脂肪酸。脂肪酸促进剂可用钙离子或铝离子沉淀而使油墨和促进剂颗粒形成大的不溶性附聚物，并被气泡吸附而除去。3表面活性剂的选用用于脱墨的表面活性剂主要有阴离子型和非离子型两种，阴离子型表面活性剂有很好的去污性能，其发泡性好，泡沫细且稳定，价格也较低；非离子表面活性剂有很好的分散乳化作用，临界胶束浓度较低，可以在低浓度下获得好的脱墨效果，但其产生的泡沫较少，而且不稳定。洗涤法要求产生较少的泡沫，多用非离子表面活性剂，而阴离子型表面活性剂因其高的起泡性，不易单独使用，必须和非离子型表面活性剂复配才能取得最佳的洗涤效果。浮选法要求表面活性剂有强的发泡能力，使油墨粒子能很快漂浮到浆层表面，因此，应用阴离子型表面活性剂较多，非离子型表面活性剂通常也与阴离子型表面活性剂复配使用。常用的脱墨剂主要有下述几类。3.1脂肪酸脱墨剂脂肪酸系列是目前脱墨剂中应用最多的表面活性剂之一，也是文献中介绍最多的。20世纪80年代初，日本开发研制的脱墨剂以脂肪酸系列脱墨剂为主，它们具有优良的脱墨性能，对金属离子有很好的螯合能力，并能通过静电对油墨进行捕集和浮选。天然油脂中含有各种类型的甘油三酸酯，将天然油脂与碱一起加热，可得到脂肪酸皂和丙三醇。脂肪酸皂含有16～18个碳原子，如硬脂酸、油酸、棕榈酸、亚油酸、亚麻酸和棕榈油酸的混合物。研究认为，上述混合油的协同作用能产生很好的脱墨效果。没有双键的脂肪酸有助于油墨从纤维上分离，而双键的存在则有利于浮选。脂肪酸钠必须转化为钙盐才能起浮选促进剂的作用，为此，必须在系统中加入钙离子。钙离子可来自于废纸中的碳酸钙涂料或填料，也可在浮选槽内加入氯化钙或使用硬水。钙皂形成微小的沉淀物，由于疏水而与油墨形成附聚物，并吸附在气泡上被带到浆层表面而除去。用脂肪酸作脱墨剂也存在诸如起泡性差、剥离油墨的性能差、用量大导致费用高等问题。饱和脂肪酸（盐）与其他表面活性剂并用时，能改善其脱墨效果，并研制出脂肪酸系列的脱墨剂，如脂肪酸分别与十八烷基硫酸酯钠盐、十八烷基聚氧乙烯醚硫酸酯钠盐、十八烷基聚氧乙烯-聚氧丙烯醚硫酸酯钠盐进行复配，脱墨效果良好。但脂肪酸类表面活性剂受水硬度的影响较大，必须要有钙离子才能发挥作用，而钙离子会在脱墨设备和纸机上结垢和沉积，因此，限制了它的应用。3.2高效的脱墨剂脂肪醇聚氧乙烯醚类表面活性剂具有优良的洗涤、分散和起泡能力，捕集油墨的能力也较强，在洗涤和浮选法脱墨中应用较多。如JFC和AEO-9都是很好的脱墨剂。脂肪醇聚氧乙烯醚由脂肪醇在碱催化下与环氧乙烷反应得到，记为RO(EO)nH(R为烷基），其中R与n不同，其性能差异很大。它还可与其他物质如酸反应，得到一系列性能优异的脱墨剂，如脂肪醇聚氧乙烯羧酸酯、硫酸酯盐、磺酸盐和磷酸酯盐等。实验室实验与工厂试验表明，脂肪醇聚氧乙烯羧酸酯是高效的脱墨剂，用于办公废纸浮选脱墨时，能使油墨分散更好、形成更多的可见油墨粒子，脱墨浆白度更高。因其具有强的起泡性，需要与其他脱墨剂复配使用。脂肪醇聚氧乙烯醚类表面活性剂在高pH值下易降解，使其活性降低。另外，它对油墨及杂质的捕集、絮聚能力有限。但因其生物降解性好，近年来用量增加很快。3.3环氧乙烷基化物烷基酚聚氧乙烯醚类表面活性剂与脂肪醇聚氧乙烯醚相似，都属于聚乙二醇类的非离子型表面活性剂，合成方法相似，是在催化条件下，将环氧乙烷加成到烷基酚上生成的乙氧基化物。它具有优良的洗涤、分散和起泡能力，捕集能力也较好，可用于洗涤和浮选脱墨，如OP-10常作为脱墨剂的重要组分之一。由于它在降解时会生成有毒的酚化合物而给废水处理带来严重问题，因此，目前已很少使用。3.4发剂为复合剂这是近几年来研究较多的脱墨剂，脱墨效果良好。PO/EO聚合物是由疏水物质在引发剂引发下，与环氧乙烷和环氧丙烷的混合物反应得到。PO/EO聚合物的种类很多，引发剂有丙二醇、脂肪醇、烷基酚和脂肪胺等，而且PO、EO的嵌段聚合形式也多种多样，有PO/EO、EO/PO、PO/EO/PO、EO/PO/EO和PO/EO/PO/EO/PO等。即使是同一种聚合方式，其性能也会因PO、EO与疏水原料比例的不同而改变，总之，这类聚合物具有良好的洗涤、分散能力。作为分散剂，其在洗涤脱墨中应用较多；但其起泡性较差，一般不单独用于浮选，可与起泡能力强的阴离子型表面活性剂复配，以取得最佳的浮选效果。PO/EO类聚合物较差的生物降解性也限制了它的使用。3.5集剂或脱墨剂非离子型表面活性剂中吐温（失水山梨醇酯聚氧乙烯醚）类，如Tween-80，也是常用的脱墨剂组分。此外，还有硫酸酯盐、磺酸盐、磷酸酯盐等阴离子型表面活性剂，如烷基苯磺酸盐、高级醇硫酸酯盐、α-烯基磺酸盐和琥珀酸二酯磺酸盐等。在诸多的阴离子型表面活性剂中，长链烷基磷酸酯型表面活性剂的效果较为突出，具有明显的捕集油墨粒子的能力。十二烷基磷酸单酯作为捕集剂时，其用量占脱墨剂用量的70%时，可使残余油墨粒子降低87%。其合成方法是将长链烷醇滴加到三氯氧磷中，加入蒸馏水，继续反应即得。聚醚季胺盐型阳离子表面活性剂用于去除水性油墨，可通过将含叔胺端基的聚醚用NH3、烷基胺、脂肪多胺、或氨基糖等季胺化得到，或含氯甲基羟乙基或缩水甘油基的聚醚用NH3、烷基胺、聚胺、或氨基糖在碱性条件下反应，随后调整pH值4～7，再与环氧乙烷或环氧丙烷反应得到。用于浮选脱墨时，可以对脂肪酸类促进剂难以处理的水性油墨进行脱除。以上各种脱墨剂之间并不是孤立的，通常需将两种或两种以上的脱墨剂复配，并结合碱、漂白剂和螯合剂等以获得最佳的脱墨效果。例如，天然油脂与多元醇的混合物与环氧乙烷或环氧