一种用作造纸填料的粉煤灰表面沉淀结晶式包覆改性的方法

摘要

本发明公开了一种用作造纸填料的粉煤灰表面沉淀结晶式包覆改性的方法。该方法以粉煤灰为原料，通过选取一定粒径范围的颗粒为改性对象，常温条件下通过其在的Ca（OH）

说明书

技术领域

本发明属于制浆造纸工程学科的填料改性技术领域，具体涉及一种用作造纸填料的粉煤灰表面沉淀结晶式包覆改性的方法。

背景技术

粉煤灰作为发电厂锅炉煤燃烧后的副产物，是我国最大的城镇固体废弃物排放源之一。粉煤灰的堆放将会直接或间接引发大气、土壤、河流等一系列环境问题，同时造成极大的资源浪费。多年来，国内外学者通过多种方法研究粉煤灰的资源化利用技术，并在建筑、道路、污水处理、矿物提取、材料加填等多方面取得突破。但在这些领域的利用存在产品得率低、附加值不高、处理过程成本高等一系列问题。由于粉煤灰具有和造纸行业用填料高岭土相似的化学组成和独特的表面孔洞结构，可用于造纸加填。而粉煤灰颗粒中未燃尽炭、铁氧化物等发色源的干扰，使之白度仅30%ISO左右，难以满足高白度纸张加填（≧80%ISO）要求，在造纸填料领域的应用因此受到限制。

盖国胜曾提出一种先将粉煤灰在40~100^oC条件下和Ca（OH）₂混合，之后再在冷却至常温条件下用CO₂进行中和，然后对浆料过滤并干燥，此方法主要利用高温碱性条件下粉煤灰的表面结构的变化进行改性，后期的CO₂只是起到中和过量Ca（OH）₂的辅助性作用。于晓东则公开了另一种粉煤灰脱色方法：先将炭含量0.1%~1%的粉煤灰完全浸泡至水中并加热至沸腾，然后通入200^oC高温CO₂气体充分接触5~15min后可以将白度提高至70~81%ISO，此方法在高炭含量的增白应用受到一定约束，并需要提供一定的高温环境。本发明人也曾公开一种先高温除炭再以淀粉为胶黏剂粘结PCC（沉淀碳酸钙）颗粒到粉煤灰颗粒表面的方法，此方法过程稍显复杂且需耗能，因此本发明在其基础上进行优化。

发明内容

基于以上方法存在的不足和片面性，本发明提出一种新型粉煤灰表面沉淀结晶式包覆改性方法。为了在常温条件下通过低成本的工艺原料和方案实现白度性能明显改善，同时不破坏煤灰原有的颗粒结构。

本发明方案如下。

一种用作造纸填料的粉煤灰表面沉淀结晶式包覆改性的方法，包括以下方法：

（1）原料选取：通过揺振筛选取粒径在30~55μm范围内的粉煤灰粉体颗粒作为表面改性的原料；

（2）结晶包覆：常温下将选取的粉煤灰与Ca（OH）₂溶液的混合悬浮液，均匀混合后，在搅拌条件下，从反应容器的底部以鼓泡法通入CO₂气体发生沉淀结晶反应，反应后，停止通入CO₂气体和搅拌终止反应；

（3）调浓备用：用清水对反应后的混合液进行浓度调整，后作为造纸填料备用。

上述方法中，采用常温下（10~30℃）的碳化反应实现粉煤灰表面的碳酸钙沉淀结晶包覆改性，不采用任何其它预处理方法或高温条件下的物理化学反应。

上述方法中，所粉煤灰与Ca（OH）₂溶液中的溶质Ca（OH）₂的质量比为0.1~3.0；所述粉煤灰在混合悬浮液中的质量百分比浓度为20%~50%。

上述方法中，所采用的包覆改性反应介质为Ca（OH）₂溶液，并通入CO₂在粉煤灰表面产生沉淀结晶，此外不加入其它任何化学品。

上述方法中，采用安装在反应容器底部连续鼓泡的气体分散装置，所述气体分散装置为单进气管口的曝气板。

上述方法中，所述搅拌速率控制范围为100~600rpm，CO₂流速控制在0.1~1.5L/min，反应时间为10~60min。

上述方法中，反应完成后获得的粉煤灰-碳酸钙复合体悬浮液直接调整浓度后用于纸张加填，调整后质量百分比浓度为1%~30%。

与现有技术相比，本发明的优势在于：

（1）原料（粉煤灰、Ca（OH）₂和CO₂）获取方便，成本较低，且在常温10~30^oC条件下即可发生反应,适用于不同环境；

（2）直接在粉煤灰表面进行温和条件下的沉淀结晶式包覆，晶体形状为片状、针状或柱状，粒径0.5~3μm（如图3所示），不对粉煤灰优异的颗粒结构造成影响；

（3）可以通过反应条件的调控最终产品的白度性能，白度调控范围65~86%ISO，可以满足不同白度要求纸张的加填需要。

（4）湿法改性后直接调整浓度为1%~30%送入造纸机配浆系统，无需干燥后再加入，有效降低能耗。

（5）该技术为粉煤灰固体废弃物的高附加值利用提供途径，同时为造纸行业提供一种新型填料来源。

附图说明

图1为粉煤灰表面沉淀结晶式包覆改性反应装置示意图；

图2为表面改性前粉煤灰颗粒SEM形貌；

图3为表面改性后粉煤灰颗粒SEM形貌。

图中各个部件如下：

搅拌器1、反应容器2、混合悬浮液（Ca（OH）₂+粉煤灰）3、

气体分散装置4、CO₂气体罐5、气体流量控制阀6。

具体实施方式

如图1所示实验装置，气体分散装置4处于反应容器2的底部，反应在所述气体分散装置4上方的混合悬浮液3中进行。所述气体分散装置4与外界的CO₂气罐5由气管连接，用于提供反应所需CO₂，并且通过气管上的气体流量控制阀6调节气体流速。同时搅拌器1的转子处于反应容器的混合悬浮液3中，用于反应过程的搅拌混合，通过控制其转速调控搅拌速率。

实施例1

在25^oC条件下按照M_粉煤灰：M_{氢氧化钙（溶质）}=1.0的质量比配备粉煤灰（平均粒径40μm）和Ca（OH）₂混合悬浮液，并将混合液中粉煤灰的质量浓度调整至30%。然后在400rpm搅拌速率下以0.4L/min流速通入CO₂气体，50min后，停止通入CO₂气体和搅拌终止反应，取样测定其白度为73%ISO，用清水稀释成1%质量百分比浓度后用于抄纸加填。

实施例2

在25^oC条件下按照M_粉煤灰：M_{氢氧化钙（溶质）}=1.6的质量比配备粉煤灰（平均粒径40μm左右）和Ca（OH）₂混合悬浮液，并将混合液中粉煤灰的质量浓度调整至40%。然后在400rpm搅拌速率下以0.1L/min流速通入CO₂气体，30min后，停止通入CO₂气体和搅拌终止反应，取样测定其白度为78%ISO，用清水稀释成5%质量百分比浓度后用于抄纸加填。

实施例3

在25^oC条件下按照M_粉煤灰：M_{氢氧化钙（溶质）}=0.185的质量比配备粉煤灰（平均粒径40μm左右）和Ca（OH）₂混合悬浮液，并将混合液中粉煤灰的质量浓度调整至25%。然后在300rpm搅拌速率下以0.1L/min流速通入CO₂气体，30min后，停止通入CO₂气体和搅拌终止反应，取样测定其白度为86%ISO，用清水稀释成10%质量百分比浓度后用于抄纸加填。

如图2所示为表面改性前粉煤灰颗粒SEM形貌，图3则为表面改性后粉煤灰颗粒SEM形貌。可以明显看到粉煤灰颗粒表面固着了大量粒径远远小于原始煤灰颗粒的碳酸钙晶体，并呈现均匀排布，起到一定的遮盖作用，并基本保持颗粒结构，有效地完成以提高粉煤灰的白度为目的的表面包覆。

本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。