CN108191166B - 造纸浓白水的回收利用装置及处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于造纸和环保技术领域，具体涉及一种造纸浓白水的回收利用装置，包括塔体、酶处理层和吸附层，所述酶处理层设置在塔体中部，为接种有混合菌的培养基，所述混合菌为活菌个数比为1:1.2～1.5的黑曲霉和酵母菌，黑曲霉和酵母菌均能够借助浓白水中的营养物质进行生长代谢，产生果胶酶、壳聚糖酶和纤维素酶等，用于分解胶体物质；所述吸附层设置在塔体下部，包括20～30wt%的凹凸棒石和70～80wt%的水滑石，用于吸附有色污染物和阴离子垃圾。本发明还公开了其处理方法，可杜绝阴离子垃圾富集的现象，改善抄制工艺中的化学环境，显著降低生产成本，有效降低环境污染。

Description

造纸浓白水的回收利用装置及处理方法
技术领域
本发明属于造纸和环保技术领域，具体涉及一种造纸浓白水的回收利用装置及处理方法。
背景技术
特种纸是将不同的纤维利用抄纸机抄制而成的具有特殊机能的纸张，特种纸在生产制造过程（抄制）中，会产生大量浓白水，其中含有大量的细小纤维和化工填料，若任其排放，则会造成极大的物质浪费和环境污染。因此，浓白水的回收再利用，是集节能、降耗、减排于一体的重要措施。
目前，造纸企业多对浓白水进行封闭循环，以降低纤维浪费和环境污染，然而，随着白水的不断循环使用，其中的阴离子垃圾不断富集，令抄制工艺中的化学环境恶化，不但会与昂贵的阳离子化学助剂反应，造成资源浪费和经济损失，还会干扰纤维-纤维之间的相互作用、降低纸品质量（如白度、强度等），并附着在纸张上引起黑点、空洞等纸病，沉积在网部管道上影响生产效率。这给造纸工作者造成了长期的技术困扰，亟待解决。
发明内容
针对特种纸制造过程中存在的问题，本发明提供一种浓白水的回收利用装置及其方法，可杜绝阴离子垃圾富集的现象，改善抄制工艺中的化学环境，显著降低生产成本，有效降低环境污染。
为解决上述问题，本发明通过以下技术方案实现：
一种造纸浓白水的回收利用装置，包括塔体、酶处理层和吸附层，所述酶处理层设置在塔体中部，为接种有混合菌的培养基，所述混合菌为活菌个数比为1:1.2～1.5的黑曲霉和酵母菌，黑曲霉和酵母菌均能够借助浓白水中的营养物质进行生长代谢，产生果胶酶、壳聚糖酶和纤维素酶等，用于分解胶体物质；所述吸附层设置在塔体下部，包括20～30wt%的凹凸棒石和70～80wt%的水滑石，用于吸附有色污染物和阴离子垃圾。
对于上述的回收利用装置，所述酶处理层和吸附层外均有滤网包裹，且所述酶处理层下部设有酶处理架，以支撑酶处理层，所述吸附层下部设有吸附架，以支撑吸附层。
对于上述的回收利用装置，位于所述酶处理层处的塔体内壁上设有温度控制单元。
对于上述的回收利用装置，所述塔体顶部设有浓白水入口，其侧壁上部设有上层清水出口，其底部设有下层浓水出口；所述浓白水入口设有浓白水管道，该浓白水管道的出口位于上层清水出口下部，并位于吸附层上部。
对于上述的回收利用装置，所述培养基为沙氏培养基，所述混合菌的活菌接种量为（1.5～1.6）×106个/g。
对于上述的回收利用装置，所述凹凸棒石粒径为50～80μm，所述水滑石粒径为100～150μm。
对于上述的回收利用装置，所述水滑石为人造水滑石，由以下步骤制成：
（1）称取一定量的Al(NO3)3•9H2O和Mg(NO3)2•6H2O，分别加入蒸馏水中充分溶解，各配制成浓度为1.0mol•L-1的溶液；
（2）将所得溶液按体积比1:2加入容器中混合，并进行超声分散5min后，得到混合溶液A；
（3）将混合溶液A持续进行搅拌和超声分散30min，同时滴加碱溶液，调节混合溶液pH值至10～11，得到混合溶液B；所述碱溶液为KOH或K2CO3溶液；
（4）将混合溶液B进行离心分离5min得到沉淀，在所得沉淀中加入蒸馏水并进行超声分散10min，然后再进行离心分离3min，照本步骤前述操作反复进行，直至洗涤液为中性，得到沉淀C；
（5）在所得沉淀C中加入乙醇，并进行超声分散10min，然后再进行离心分离5min，照本步骤前述操作反复3次，得到沉淀D；
（6）将沉淀D于100℃条件下烘干18h，然后，将烘干物打碎成颗粒状，即得水滑石前驱体E；
（7）将前驱体E置于加热装置中，以10℃•min-1的升温速率加热至400℃保温2h，再以6℃•min-1的升温速率继续加热至900℃保温5h，然后，自然冷却至室温，即得人造水滑石；该方法生产周期短，效率高，成本低，所得人造水滑石纯度高，粒径平均。
对于上述的回收利用装置，所述凹凸棒石为改性凹凸棒石，由以下步骤制成：
将凹凸棒石用去离子水浸没，并加入适量的NaCl，混合均匀后，进行超声处理5分钟，超声波频率为65KHz，然后过滤、烘干，得到改性凹凸棒石；所述凹凸棒石、去离子水、NaCl之间的重量比为1：5：0.04。
利用上述回收利用装置处理造纸浓白水的方法，包括以下步骤：
（1）将造纸产生的浓白水缓慢注入塔体，调节塔内条件为40～43℃、pH值5～6，设定停留时间为15小时；
（2）上层清水用来洗涤造纸毛毯和成形网；底部浓水送至制浆打浆；上层清水和底部浓水之间的流量比为1.5:1。
对于上述的处理方法，所述混合菌活菌量为每mL浓白水（3.2～4.0）×104个；所述吸附层用量为塔体内浓白水重量的15%。
本发明的积极有益效果：
本发明采用吸附和分解两种途径，优势互补，连续进行；且其原材料均可持续使用，成本低廉，处理效果好。按照目前的废水处理价格5.5元/吨计算，采用本发明技术以后，上规模造纸企业每年可节约100万元以上，再加上浓白水中的纤维和化工原料的循环利用，使造纸生产成本降低，生产指标显著提高。自改造使用后，由原来吨纸耗水15立方米降到现在的吨纸不超过3立方米。
（1）本发明所用改性凹凸棒石具有层状结构，其内部密布平行的链条及通道，部份粒子可直接被吸附进孔道中；本发明在凹凸棒石改性过程中通过高频超声波的空化作用，产生剧烈能量，不仅能将钠离子送入凹凸棒石的内部通道（钠离子化），还能除去凹凸棒石表面粘着成分，避免后序操作给白水中带入新的杂质；凹凸棒石经钠盐活化改性后，钠离子同时充当了平衡硅氧四面体上负电荷的作用，由于钠离子电价低、半径大，与结构单元之间的作用力较弱，从而使凹凸棒石层状结构间的阳离子具有可交换性，另外由于在层间容积的作用下易分散、剥离，又使凹凸棒石具有更大的表面积，这种带电性和巨大的比表面积使改性后的凹凸棒石具有较强的吸附能力和阳离子交换能力，可显著提高对浓白水中有色污染物（金属离子）吸附能力，提高回收纤维的白度。
（2）本发明改性凹凸棒石作为一种分子筛，其对物质的吸附来源于物理吸附（范德华力），其晶体孔穴内部有很强的极性和库仑场，对极性分子（如水）和不饱和分子表现出强烈的吸附能力；另外，由于孔径分布非常均一，使其呈现筛分功能，只有分子直径小于其孔径的物质才可能进入其晶穴内部，只有分子直径略小于其孔径的物质才能较稳定地存留于其晶穴内部，作为分子直径较小的水不能稳定存留，而明显较大的有机污染物（如偶氮系、酞青系染料）分子体型匹配，形成了稳定吸附，即达到物质交换与晶穴孔径的高度匹配。
（3）另外，封闭循环中浓白水的细小纤维会受到污染，质量会不断恶化，该过程被称为细小纤维的老化，循环的细小纤维颜色逐渐暗化，是成纸纸张白度降低，相对于新产生的细小纤维来说，多次循环后的细小纤维强度贡献小，这个过程主要是有色污染物的吸附造成的。而本发明改性凹凸棒石能增加与细小纤维的摩擦效果（由于凹凸棒石表面多孔穴，且凹凸不平），使有色粒子进一步脱离纤维表面，提高细小纤维白度及强度贡献度。
（4）本发明所用凹凸棒石可重复回收利用，与人造水滑石一同定期清理回收并进行筛分后，超声分散清洗即可，通过改性，摒弃其粒径不一、表面易碎、易胶体化等不利因素，形成一种承载性良好的专用吸附材料，针对性匹配浓白水脱色、返白。
（5）浓白水中的阴离子垃圾主要由带阴电荷的溶解物质（DS）和胶体物质（CS）组成，其中危害最大的包括半纤维素、果胶酸、氧化木素、粘性胶体，本发明采用黑曲霉培养方式，既消耗了浓白水中的COD养分，又生产出了多种代谢酶，降解阴离子垃圾。
（6）水滑石由带正电荷层和层间带负电的阴离子以及水分子组成的层状结构化合物，其层间主体多由两种的金属氢氧化物构成，又称为层状双金属氢氧化物；本发明人造水滑石为水滑石前驱体经煅烧而成，其中的层板金属离子具有同晶替代性，可对特种污染物进行针对性吸附，其层间阴离子具有可交换性，可吸附价态低、离子半径大的阴离子垃圾，以恢复其层状结构，恢复后的水滑石与改性凹凸棒石一同定期清理回收并进行筛分后，又可循环煅烧，循环吸附。
（7）本发明酶处理层的黑曲霉和酵母菌可以利用造纸白水中的不同营养物质（无机盐、脂肪类、低聚糖果胶类物质）代谢出果胶酶、木聚糖酶和纤维素酶，而白水中含有大量细小纤维和胶体物质是COD的主要贡献者，经本发明混合菌培养处理后，其产生的生物酶能有效分解不饱和脂肪酸、低聚糖果胶类物质，可阻断阴离子垃圾的不断富集，防止化学环境恶化，提高产品质量。
附图说明
图1为本发明造纸浓白水回收利用装置的结构示意图；
图中 1为塔体，2为浓白水入口，3为下层浓水出口，4为上层清水出口，5为吸附架，6为吸附层，7为酶处理架，8为酶处理层，9为温度控制单元。
具体实施方式
下面结合具体实施例来说明本发明的具体实施方式，但以下实施例只是用来详细说明本发明，并不以任何方式限制本发明的范围。下述实施例中所涉及的原材料如无特别说明均为市售，所涉及的检测方法如无特别说明均为常规方法。
实施例1
一种造纸浓白水的回收利用装置，包括塔体、酶处理层和吸附层，所述酶处理层设置在塔体中部，为接种有混合菌的培养基，所述混合菌为活菌个数比为1:1.2的黑曲霉和酵母菌；所述吸附层设置在塔体下部，包括20wt%的凹凸棒石和80wt%的水滑石。所述酶处理层和吸附层外均有滤网包裹，且所述酶处理层下部设有酶处理架，以支撑酶处理层，所述吸附层下部设有吸附架，以支撑吸附层。位于所述酶处理层处的塔体内壁上设有温度控制单元。所述塔体顶部设有浓白水入口，其侧壁上部设有上层清水出口，其底部设有下层浓水出口；所述浓白水入口设有浓白水管道，该浓白水管道的出口位于上层清水出口下部，并位于吸附层上部。所述培养基为沙氏培养基，所述混合菌的活菌接种量为（1.5~1.6）×106个/g。所述凹凸棒石粒径为50～80μm，所述水滑石粒径为100～150μm。
实施例2
一种造纸浓白水的回收利用装置，除以下部分以外，与实施例1相同：
所述水滑石为人造水滑石，由以下步骤制成：
（1）称取一定量的Al(NO3)3•9H2O和Mg(NO3)2•6H2O，分别加入蒸馏水中充分溶解，各配制成浓度为1.0mol•L-1的溶液；
（2）将所得溶液按体积比1:2加入容器中混合，并进行超声分散5min后，得到混合溶液A；
（3）将混合溶液A持续进行搅拌和超声分散30min，同时滴加碱溶液，调节混合溶液pH值至10～11，得到混合溶液B；所述碱溶液为KOH或K2CO3溶液；
（4）将混合溶液B进行离心分离5min得到沉淀，在所得沉淀中加入蒸馏水并进行超声分散10min，然后再进行离心分离3min，照本步骤前述操作反复进行，直至洗涤液为中性，得到沉淀C；
（5）在所得沉淀C中加入乙醇，并进行超声分散10min，然后再进行离心分离5min，照本步骤前述操作反复3次，得到沉淀D；
（6）将沉淀D于100℃条件下烘干18h，然后，将烘干物打碎成颗粒状，即得水滑石前驱体E；
（7）将前驱体E置于加热装置中，以10℃•min-1的升温速率加热至400℃保温2h，再以6℃•min-1的升温速率继续加热至900℃保温5h，然后，自然冷却至室温，即得人造水滑石；该方法生产周期短，效率高，成本低，所得人造水滑石纯度高，粒径平均，分布100～150μm。
实施例3
一种造纸浓白水的回收利用装置，除以下部分以外，与实施例1相同：
所述凹凸棒石为改性凹凸棒石，由以下步骤制成：
将凹凸棒石用去离子水浸没，并加入适量的NaCl，混合均匀后，进行超声处理5分钟，超声波频率为65KHz，然后过滤、烘干，得到改性凹凸棒石；所述凹凸棒石、去离子水、NaCl之间的重量比为1：5：0.04。
实施例4
一种造纸浓白水的回收利用装置，除以下部分以外，与实施例2相同：
所述凹凸棒石为改性凹凸棒石，由以下步骤制成：
将凹凸棒石用去离子水浸没，并加入适量的NaCl，混合均匀后，进行超声处理5分钟，超声波频率为65KHz，然后过滤、烘干，得到改性凹凸棒石；所述凹凸棒石、去离子水、NaCl之间的重量比为1：5：0.04。
实施例5
一种造纸浓白水的回收利用装置，除以下部分以外，与实施例4相同：
所述混合菌为活菌个数比为1:1.5的黑曲霉和酵母菌，所述吸附层设置在塔体下部，包括30wt%的凹凸棒石和70wt%的水滑石。
实施例6
利用实施例1回收利用装置处理造纸浓白水的方法，包括以下步骤：
（1）将造纸产生的浓白水缓慢注入塔体，调节塔内条件为40～43℃、pH值5～6，设定停留时间为15小时；
（2）上层清水用来洗涤造纸毛毯和成形网；底部浓水送至制浆打浆；上层清水和底部浓水之间的流量比为1.5:1。所述混合菌活菌量为每mL浓白水3.5×104个；所述吸附层用量为塔体内浓白水重量的15%。浓白水处理效果见表1。
表1 实施例6浓白水处理效果
Figure DEST_PATH_IMAGE002
。
实施例7
利用实施例2处理造纸浓白水的方法，具体步骤与实施例6相同。浓白水处理效果见表2。
表2 实施例7浓白水处理效果
Figure DEST_PATH_IMAGE004
。
实施例8
利用实施例3处理造纸浓白水的方法，具体步骤与实施例6相同。浓白水处理效果见表3。
表3 实施例8浓白水处理效果
Figure DEST_PATH_IMAGE006
。
实施例9
利用实施例4处理造纸浓白水的方法，具体步骤与实施例6相同。浓白水处理效果见表4。
表4 实施例9浓白水处理效果
Figure DEST_PATH_IMAGE008
。
实施例10
利用实施例5处理造纸浓白水的方法，具体步骤与实施例6相同。浓白水处理效果见表5。
表5 实施例10浓白水处理效果
Figure DEST_PATH_IMAGE010
。
对以上实施例6～10白水处理效果分析：混合菌在浓白水中不断生长，消耗其中的有机营养物质，使COD显著下降，同时代谢产生的各种酶类又将白水中的阴离子垃圾降解成小分子，小分子再被混合菌生长利用，如此形成良性循环。随着混合菌的培养，胶体类物质不断的被果胶酶等分解成小分子物质，在胶体类物质是阴离子垃圾的主要贡献者，阴离子垃圾不断减少，同时其阳离子需求不断下降，减少对昂贵的阳离子化学助剂的消耗。
分别继续将实施例6～10用于浓白水封闭循环，并将所得纸浆在标准纸页成型器上抄片 (定量为200g/m2)，测白度及撕裂指数、耐破指数。白度根据国家标准GB 8940.1，采用数字白度仪YQ-Z-48B测定，裂断长采用裂断长测试仪ZB-WL100进行测试，抗张指数采用抗张强度测定仪RH-K300进行测试，撕裂指数采用撕裂度仪 ZSE-1000进行测试，耐破指数采用耐破度仪 RH-P1200进行测试。具体测试结果见表6：
表6 各实施例相关测试结果对比
Figure DEST_PATH_IMAGE012
。
本发明并不局限于上述具体实施方式，本领域技术人员还可据此做出多种变化，但任何与本发明等同或者类似的变化都应涵盖在本发明权利要求的范围内。

Claims (8)

1.一种造纸浓白水的回收利用装置，其特征在于：包括塔体、酶处理层和吸附层，所述酶处理层设置在塔体中部，为接种有混合菌的培养基，所述混合菌为活菌个数比为1:1.2～1.5的黑曲霉和酵母菌；所述吸附层设置在塔体下部，包括20～30wt%的凹凸棒石和70～80wt%的水滑石；
所述水滑石为人造水滑石，由以下步骤制成：
（1）称取一定量的Al(NO3)3•9H2O和Mg(NO3)2•6H2O，分别加入蒸馏水中充分溶解，各配制成浓度为1.0mol•L-1的溶液；
（2）将所得溶液按体积比1:2加入容器中混合，并进行超声分散5min后，得到混合溶液A；
（3）将混合溶液A持续进行搅拌和超声分散30min，同时滴加碱溶液，调节混合溶液pH值至10～11，得到混合溶液B；所述碱溶液为KOH或K2CO3溶液；
（4）将混合溶液B进行离心分离5min得到沉淀，在所得沉淀中加入蒸馏水并进行超声分散10min，然后再进行离心分离3min，照本步骤前述操作反复进行，直至洗涤液为中性，得到沉淀C；
（5）在所得沉淀C中加入乙醇，并进行超声分散10min，然后再进行离心分离5min，照本步骤前述操作反复3次，得到沉淀D；
（6）将沉淀D于100℃条件下烘干18h，然后，将烘干物打碎成颗粒状，即得水滑石前驱体E；
（7）将前驱体E置于加热装置中，以10℃•min-1的升温速率加热至400℃保温2h，再以6℃•min-1的升温速率继续加热至900℃保温5h，然后，自然冷却至室温，即得人造水滑石。
2.根据权利要求1所述的回收利用装置，其特征在于：所述酶处理层和吸附层外均有滤网包裹，且所述酶处理层下部设有酶处理架，以支撑酶处理层，所述吸附层下部设有吸附架，以支撑吸附层。
3.根据权利要求1所述的回收利用装置，其特征在于：位于所述酶处理层处的塔体内壁上设有温度控制单元。
4.根据权利要求1所述的回收利用装置，其特征在于：所述塔体顶部设有浓白水入口，其侧壁上部设有上层清水出口，其底部设有下层浓水出口；所述浓白水入口设有浓白水管道，该浓白水管道的出口位于上层清水出口下部，并位于吸附层上部。
5.根据权利要求1所述的回收利用装置，其特征在于：所述培养基为沙氏培养基，所述混合菌的活菌接种量为（1.5～1.6）×106个/g。
6.根据权利要求1所述的回收利用装置，其特征在于：所述凹凸棒石粒径为50～80μm，所述水滑石粒径为100～150μm。
7.一种利用权利要求1～6任一项所述回收利用装置处理造纸浓白水的方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将造纸产生的浓白水缓慢注入塔体，调节塔内条件为40～43℃、pH值5～6，设定停留时间为15小时；
（2）上层清水用来洗涤造纸毛毯和成形网；底部浓水送至制浆打浆；上层清水和底部浓水之间的流量比为1.5:1。
8.根据权利要求7所述的处理方法，其特征在于：所述混合菌活菌量为每mL浓白水（3.2～4.0）×104个；所述吸附层用量为塔体内浓白水重量的15%。
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