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煤灰作為一種工業(yè)廢棄物，隨著電力工業(yè)的迅速發(fā)展，其年排放量急劇增加。1995年我國(guó)粉煤灰排放量為1.25億t，2000年約為1.5億t［1］，2005年全國(guó)燃煤電廠和低熱值電廠排放的粉煤灰量高達(dá)3.3億t以上，居世界第一位［2］。粉煤灰的大量堆積，不僅占用耕地、浪費(fèi)資源，而且對(duì)大氣、地表水及地下水都有污染，給國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)及生態(tài)環(huán)境造成巨大的壓力。因此，開(kāi)展粉煤灰的綜合利用，化害為利已成為一項(xiàng)刻不容緩的戰(zhàn)略任務(wù)。

目前，粉煤灰的利用主要集中在建材制品(如粉煤灰水泥)、建設(shè)工程(如大體積混凝土)、道路工程(如護(hù)坡護(hù)堤)、農(nóng)業(yè)(如改良土壤)、填筑材料(如礦井回填)等領(lǐng)域，在一定程度上減輕了環(huán)境的壓力，也創(chuàng)造了可觀的收益［3］?？偟膩?lái)說(shuō)，粉煤灰的綜合利用水平還很低，進(jìn)一步拓展粉煤灰的應(yīng)用領(lǐng)域和實(shí)現(xiàn)其高值利用意義重大。粉煤灰成分復(fù)雜，其中含有SiO220%～60%、Al2O310%～35%、Fe2O35%～35%、CaO1%～20%、MgO0.3%～4%及TiO20.5%～1.2%等，其成分根據(jù)煤礦種類(lèi)及生產(chǎn)條件不同而略有差別［4］。粉煤灰的主要成分為硅、鋁及鐵的氧化物，有作為造紙填料的可能性。將粉煤灰用作造紙?zhí)盍?，可大幅度降低造紙成本，也有利于環(huán)境保護(hù)，是粉煤灰綜合利用的新嘗試［5］。但由于粉煤灰本身是灰色，白度很低，而且顆粒大，目前只能用于白度要求較低的箱紙板類(lèi)。本實(shí)驗(yàn)針對(duì)粉煤灰白度較低的特點(diǎn)，采用篩分、浮選方法提高粉煤灰的白度，以期使粉煤灰能夠用作對(duì)白度有一定要求的紙張?zhí)盍希瑪U(kuò)大其用作造紙?zhí)盍系倪m應(yīng)性。

1實(shí)驗(yàn)

1.1原料

粉煤灰，中國(guó)華電集團(tuán)哈爾濱發(fā)電有限公司提供;漂白針葉木漿，牡丹江恒豐紙業(yè)有限公司提供;聚丙烯酰胺、碳酸鈣、仲辛醇，均為分析純，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn);柴油為工業(yè)級(jí)。

1.2粉煤灰的處理

1.2.1粉煤灰的篩分

用振動(dòng)篩中目數(shù)為100、140、160、180、200、350以及400的篩板篩分20min，將粉煤灰分別標(biāo)為A、B、C、D、E、F、G、H共8個(gè)等級(jí)。A為100目篩板截留的部分;B為通過(guò)100目篩板而被140目篩板截留的部分，以此類(lèi)推，H為通過(guò)400目篩板的部分。計(jì)算出每一級(jí)粉煤灰的質(zhì)量和平均粒徑。同時(shí)測(cè)各級(jí)粉煤灰的白度。

1.2.2粉煤灰的浮選除碳

對(duì)粉煤灰進(jìn)行篩分，選擇篩分通過(guò)200目篩板部分的粉煤灰進(jìn)行浮選除碳(F、G、H部分)。浮選除碳過(guò)程［6-8］:將粉煤灰與適量水配成質(zhì)量濃度為30%的灰漿，預(yù)攪拌2min?；覞{靜置10～15min，去除液面漂珠。一邊攪拌灰漿一邊加入捕收劑柴油，攪拌10min左右。加入起泡劑仲辛醇，再攪拌10min左右，置于單槽浮選機(jī)，充入氣泡開(kāi)始浮選。對(duì)第一次浮選后獲得的粉煤灰灰漿按照上述步驟再進(jìn)行第二次浮選。對(duì)浮選后的灰漿抽濾，置于105℃的烘箱內(nèi)干燥;取部分干燥后的粉煤灰用400目篩板進(jìn)行篩分，備用;測(cè)浮選后粉煤灰的燒失量及白度(使用YQ-Z-48A白度顏色測(cè)定儀測(cè)定)。

1.3紙張的制備及檢測(cè)［9］

以陽(yáng)離子聚丙烯酰胺(CPAM)作為助留劑，用量為0.03%。抄紙時(shí)以加填的填料分5組進(jìn)行:空白試樣(不加填料)、浮選后粉煤灰加填試樣(Ⅰ)、浮選后再通過(guò)400目篩板部分粉煤灰加填試樣(Ⅱ)、浮選后再通過(guò)400目篩板部分粉煤灰與碳酸鈣混合加填試樣，混合比例:1∶1(Ⅲ)、碳酸鈣加填試樣(Ⅳ)，其中填料的用量分別為5%、10%、15%、20%、30%。稱(chēng)取相應(yīng)量的填料并倒入裝有40mL水的燒杯中，制成懸浮液，加入紙漿中攪拌，在ZQJ1-B-Ⅱ紙頁(yè)抄取器上按標(biāo)準(zhǔn)方法抄紙。將成紙置于ZQYCⅡ油壓機(jī)上壓榨5min，壓力0.5MPa左右。將壓榨后的紙頁(yè)置于上光機(jī)上烘干，備用。按GB/T10739—2002方法處理紙張。

1.4紙張的SEM及掃描電鏡-X射線(xiàn)能譜分析(SEM-EDXA)

采用QUANTA200掃描電子顯微鏡對(duì)紙張進(jìn)行掃描電鏡和能譜分析。

2結(jié)果與討論

2.1粉煤灰處理前后的性質(zhì)

2.1.1篩分的結(jié)果分析

表1給出了粉煤灰按不同尺寸分級(jí)后的物理性質(zhì)。被100目篩板截留的部分為黑色小顆粒，是粉煤灰中粒徑較大的碳粒和磁珠等物質(zhì)。大約42.7%的粉煤灰保留在篩縫尺寸為40μm的篩板上，這部分粉煤灰的平均粒徑為57.0μm。通過(guò)200目篩板的粉煤灰占59.0%，所以選擇這部分粉煤灰進(jìn)行浮選除碳，一方面降低顆粒粒徑，另一方面可以提高白度，為后續(xù)實(shí)驗(yàn)提供有利條件。

2.1.2浮選除碳的結(jié)果分析

粉煤灰浮選前后燒失量及白度對(duì)比如表2所示。由表2可知，浮選后粉煤灰的燒失量降低，即含碳量降低，同時(shí)白度提高，說(shuō)明通過(guò)浮選除碳可在一定程度上提高粉煤灰的白度，但因受粉煤灰自身性質(zhì)的影響，將其用于白度要求較高的紙張上還有一定的限制。另外，因粉煤灰提高白度有限(一次浮選后白度提高1.5個(gè)百分點(diǎn)，經(jīng)過(guò)兩次浮選后白度也僅提高了3.3個(gè)百分點(diǎn)左右)，故實(shí)際生產(chǎn)中可省去浮選步驟，以降低生產(chǎn)成本。

2.1.3填料混用的結(jié)果分析

將浮選除碳后的粉煤灰與碳酸鈣按一定比例混合，測(cè)得白度如表3所示。其中，a樣為浮選后粉煤灰與碳酸鈣混合樣;b樣為浮選后粉煤灰再通過(guò)400目篩板部分與碳酸鈣混合樣。從表3中可見(jiàn)，漂選后粉煤灰與碳酸鈣混合樣比純粉煤灰的白度提高明顯。浮選除碳后粉煤灰再通過(guò)400目篩板部分與碳酸鈣混合后白度與a樣相比有所提高。

2.2加填對(duì)紙張物理性能的影響

圖1為填料用量對(duì)填料留著率的影響。由圖1可見(jiàn)，隨著填料用量的增加，加填浮選后粉煤灰(Ⅰ)和混合樣(Ⅲ)紙張的留著率下降較快，由于填料粒徑大小不同的緣故，加填浮選后再通過(guò)400目篩板部分粉煤灰(Ⅱ)和碳酸鈣(Ⅳ)紙張的填料留著率稍有上升。

圖2為填料用量對(duì)紙張緊度的影響。從圖2可知，隨著填料用量的增大，紙張緊度有所下降，加填浮選后再通過(guò)400目篩板部分粉煤灰(Ⅱ)紙張的緊度比加填浮選后粉煤灰(Ⅰ)紙張的高，填料用量在20%～30%之間紙張緊度下降得較快;在相同的加填量下，加填混合樣(Ⅲ)紙張的緊度要比只加填粉煤灰(Ⅰ、Ⅱ)或碳酸鈣(Ⅳ)紙張的緊度高。

圖3為填料用量對(duì)紙張抗張指數(shù)的影響。由圖3可知，加填浮選后再通過(guò)400目篩板部分粉煤灰(Ⅱ)紙張的抗張指數(shù)在一定范圍內(nèi)大于加填浮選后粉煤灰(Ⅰ)紙張的抗張指數(shù)，加填混合樣(Ⅲ)的紙張具有較高的抗張指數(shù)，均高于以碳酸鈣(Ⅳ)為填料的紙張。圖4為填料用量對(duì)紙張耐破指數(shù)的影響。從圖4可知，紙張耐破指數(shù)隨填料用量的增加而逐漸降低。

相比之下，在加填量≤20%時(shí)，加填粉煤灰(Ⅰ、Ⅱ)紙張比加填碳酸鈣(Ⅳ)紙張的耐破指數(shù)要高;加填量＜15%時(shí)，加填混合樣(Ⅲ)紙張的耐破指數(shù)比加填粉煤灰(Ⅰ、Ⅱ)紙張的高，隨著加填量的提高，加填浮選后再通過(guò)400目篩板部分粉煤灰(Ⅱ)紙張的耐破指數(shù)下降較快。

圖5為填料用量對(duì)紙張不透明度的影響。從圖5可知，加填粉煤灰(Ⅰ、Ⅱ)紙張的不透明度明顯提高，并且隨填料用量的增加，其與加填碳酸鈣(Ⅳ)紙張的差異逐漸變大;如圖5所示，加填混合樣(Ⅲ)紙張的不透明度比單純加填粉煤灰(Ⅰ、Ⅱ)紙張的低，主要是受碳酸鈣的影響。

圖6為填料用量對(duì)紙張白度的影響。由于粉煤灰的白度低于碳酸鈣，以粉煤灰為填料的紙張白度隨填料用量的增加而降低。如圖6所示，加填混合樣(Ⅲ)紙張的白度高于加填純粉煤灰(Ⅰ、Ⅱ)紙張的，這一點(diǎn)在填料用量較高時(shí)更為明顯，這說(shuō)明通過(guò)將粉煤灰與碳酸鈣混合來(lái)提高紙張白度的方法是可行的。

2.3紙張的SEM及SEM-EDXA分析

2.3.1SEM分析

加填不同填料(填料用量為20%)紙張纖維表面掃描電鏡圖片對(duì)比如圖7～圖9所示。由圖7～圖9可見(jiàn)，加填后紙張纖維表面有明顯的沉積物，因加填物質(zhì)不同呈現(xiàn)不同形態(tài)。粉煤灰呈顆粒狀，表面光滑，與碳酸鈣相比粒徑較大，使其作為填料不易留著。另外，由于粉煤灰是煤燃燒后產(chǎn)生的飛灰，材質(zhì)較松軟，密度較低(接近于水)，表面光滑，沒(méi)有銳利的棱角，因此預(yù)期不像其他填料那樣對(duì)造紙網(wǎng)產(chǎn)生較大的磨損。

2.3.2SEM-EDXA分析

加填浮選后粉煤灰(Ⅰ)紙張的能譜分析結(jié)果如圖10、圖11和表4所示。由表4可見(jiàn)，粉煤灰中含有較高含量的Si、Al、Fe、Mg等元素。

3結(jié)論

3.1經(jīng)過(guò)篩分、浮選除碳及與高白度碳酸鈣填料混用后的粉煤灰用作造紙?zhí)盍鲜强尚械?，可在一定程度降低粉煤灰在白紙中?yīng)用的障礙。

3.2使用粉煤灰或粉煤灰與碳酸鈣的混合物(質(zhì)量比1∶1)作為造紙?zhí)盍?，紙張的不透明度可明顯提高，但隨填料用量的增加，紙張白度有所下降。

3.3粉煤灰用作造紙?zhí)盍?，?duì)紙張緊度有一定的影響;粉煤灰用量在一定的范圍內(nèi)，紙張的抗張指數(shù)和耐破指數(shù)優(yōu)于加填碳酸鈣的紙張。