矿浆中的膨润土是什么？
膨润土在造纸工业中的应用及发展前景
陆肇庆张美云
摘要:我国膨润土矿产资源丰富。膨润土具有特殊的物理和化学性质，在造纸生产中有许多用途。本文主要综述了膨润土在造纸工业领域的应用现状和发展前景，重点介绍了膨润土作为工艺助剂在制浆造纸生产中的应用，如助留助滤、污水处理、树脂控制、纸张显色和废纸脱墨等。
关键词:膨润土；造纸工业；应用；前景
膨润土是一种以蒙脱石为主要成分的细粘土。我国膨润土矿产资源丰富，全国23个省(区)都有膨润土矿产。预测资源量70多亿t，到2005年底，中国已探明储量近50亿t，居世界第一。膨润土有很多种，包括钙基膨润土和钠基膨润土。虽然我国膨润土储量丰富，但对膨润土开发应用的研究还不够广泛，这在一定程度上制约了我国日益膨胀的资源优势向经济优势的转化。制浆造纸是一个复杂的行业，涉及许多物理化学反应，还需要添加各种无机和有机添加剂来优化工艺。膨润土作为一种优良的添加剂，在制浆造纸生产中有着广泛的应用。主要介绍了膨润土在助留助滤、污水处理、树脂控制、废纸脱墨和造纸加工中的应用。
膨润土的组成及理化特性
蒙脱石是膨润土的主要矿物，是一种含水的层状铝硅酸盐矿物。蒙脱石晶体由许多平行的晶体层组成，每个晶体层由上下硅氧四面体和中间铝氧八面体层组成。其化学分子式为a 12o 3·4 SiO 2·nH2O，晶层中含有水分子和可交换阳离子。八面体空位中的Al3+常被低价的Mg2+和Fe2+取代。四面体间隙中的Si4+被A13+取代。因为低价阳离子取代了高价阳离子，在蒙脱石结构中产生了额外的负电价。为了维持蒙脱石层间的电中性，除水分子外，还有半径较大的阳离子Na+、Ca2+、Mg2+等。这些阳离子是可交换的，因此蒙脱石具有一系列对造纸工业有价值的特性，如离子交换性、吸水性、膨胀性、触变性、粘结性和吸附性。
2.膨润土在制浆造纸工业中的应用
2.1膨润土在助留助滤剂中的应用
随着更高速度和更复杂的造纸机和各种化学添加剂的出现，白水封闭循环，填料负荷增加和二次纤维消耗增加，造纸技术取得了很大的进步。增加细纤维和填料的留着率；同时，改善纸机的排水条件可以大大提高经济效益。并能改善纸张的某些性能。此外，造纸机速度的提高必然导致纸张成型时剪切力更大，这就要求形成的絮体必须具有一定的抗剪切能力，传统的工艺改进和机械方法已经不能满足这一要求。为了实现这些目标，我们必须开发更清洁、有效和经济的助留助滤剂。
Hydrocol体系是由英国联合胶体公司开发的一种新型多组分颗粒助留助滤体系，由改性膨润土和阳离子聚合物组成。其助留机理是在料浆中加入高分子量聚合物，形成的絮体被混合泵和料浆筛分机切割，改性膨润土在料浆中团聚，形成独特的团聚体结构。即使在白水中，也可以看到强烈的再凝聚效应。
助留助滤剂体系中典型的膨润土颗粒为层状结构，层厚0.9nm，表面积约300nm×100n m，层叠5～7层。其水化时的比表面积较大，约700 ~ 800 m2/g，膨润土片层表面带负电，边缘带正电，容易吸附胶体物质。当膨润土在水中水解时，阳离子以钠离子的形式形成带负电荷的颗粒。这种带负电的粒子不受pH值的影响，在酸碱中也表现良好。它适用于机制纸和纸板所有领域的酸性和中性造纸，可以获得以往单一聚合物所不能获得的高留着率和高滤水效果。膨润土的上述特性广泛应用于造纸过程中，如助留助滤剂和白水回收和处理。
以下是在白水封闭系统中使用Hydrocol微粒助留系统的生产实例:加拿大蒙大拿州一家生产GCC瓦楞纸板的工厂在白水封闭后使用Hydrocol膨润土助留助滤系统，造纸废水排放量从6000m3/d降至零，留着率从85%提高到92%，白水回用后节能5%。
2.2膨润土在施胶中的应用
膨润土能在水相中形成分散良好的悬浮液，因此可用作水相中某些添加剂的稳定剂。最近的美国专利报道了膨润土在施胶中的应用，在膨润土悬浮液中加入反应性施胶剂，从而少用甚至不用表面活性剂。该浆料受分散在水中的膨润土的影响，具有良好的分散性和稳定性。这种施胶悬浮液可用于造纸过程内部或外部的施胶。用膨润土代替表面活性剂具有良好的物理性能，提高了化学稳定性，减少了水解的发生，也减少了表面活性剂对造纸过程的不利影响。当用作内部施胶时，膨润土还可以起到颗粒留着和排水系统的作用。所用的膨润土是钠基、锂基或钠盐活化的膨润土。
2.3膨润土在废水处理中的应用
膨润土在制浆造纸工业废水处理中的应用优势在于其较强的吸附和脱色能力。通过吸附废水中的污染物达到降低COD和脱色的目的。用于废水处理的膨润土通常需要进行有机改性，以增强其对有机污染物的吸附能力。常用的有机改性剂是有机胺阳离子表面活性剂，如十六烷基氯化吡啶(CPC)、十六烷基三甲基溴化铵(CTMBA)和十四烷基氯化吡啶(TPC)。改性膨润土对有机物有很强的亲和力，不仅能吸附在颗粒表面，还能进入膨润土层间，形成膨润土-有机物复合体。此外，改性膨润土对重金属离子有很好的吸附效果。
在碱法造纸或硫酸盐法制浆的过程中，蒸煮废水被称为黑液，颜色深且有臭味。1t纸浆生产产生的黑液为15 ~ 20m3，我国水污染总量的30%来自造纸黑液，污染严重。用膨润土处理造纸黑液在国外早有报道，但在国内应用和相关文献很少。武汉化工学院孙家寿通过硅交联和有机改性制备了有机交联膨润土，并探讨了有机交联膨润土对黑液酸化絮凝后水中COD的吸附性能。结果表明，当pH值为4.5，TBC用量为24g/LH2O时，室温下搅拌吸附60min，COD的吸附效率为665，438±0.5%，吸附容量为549.3 mg COD/g。此外，膨润土可与高分子絮凝剂配合用于脱墨废水处理和污泥脱水。杨久义等人介绍了一种用膨润土制备絮凝剂处理造纸黑液废水的方法。通过正交试验，筛选出最佳工艺条件，色度和COD去除率分别达到90%和70%。邵宏等人以钠基膨润土为原料，合成了镍锆无机柱撑和镍锆有机柱撑系列改性膨润土，并比较了不同改性膨润土对造纸废水的处理效果。研究结果表明，有机柱撑膨润土对造纸废水的处理效果最好，COD、色度和浊度的去除率分别为77.8%、94%和97.4%。
2.4膨润土在树脂控制中的应用
在制浆过程中，大量的水溶性聚合物和胶体在生产过程中被释放到水中。木材的胶体和树脂容易沉积在设备和产品的表面，这将导致生产问题和纸张缺陷。树脂控制的方法主要分为物理控制和化学控制。其中，化学控制法是目前最常用、最有效的树脂控制方法。它使用一些树脂控制剂，使树脂附着在纤维表面或稳定地分散在浆料体系中，从而避免树脂在设备表面的沉积。改性有机膨润土也是一种有效的树脂控制剂，因为它具有大的比表面积和有机亲和力。能吸附体系中的疏水性胶体树脂，降低树脂的表面能，使树脂失去特有的粘性，从而抑制树脂的粘附、聚结和沉积。在矿浆中加入0.5% ~ 1%的膨润土，可以有效地吸附这些杂质，防止它们聚集。膨润土不仅能吸附胶质树脂，还能附着在团聚的树脂颗粒上，从而降低树脂的粘度。但当体系中存在剪切力时，团聚的树脂颗粒可能重新露出新鲜表面，并有团聚沉积的趋势，因此合理选择膨润土的加入位置至关重要。
2.5膨润土在废纸脱墨中的应用
在废纸回收系统中，膨润土(单独使用或与滑石粉混合使用)可以将油墨和胶粘物吸附并结合到纤维上，从而最大限度地减少油墨和胶粘物沉积在造纸机各部件上的趋势。废纸回收中，成品纸存在肉眼可见的斑点，这是油墨颗粒因“难分散”而分散不良的结果。颗粒通常呈片状，厚度从几微米(小颗粒)到10μm(大颗粒)不等。废纸制浆过程中，通过机械分散控制斑点，机械破碎颗粒，通过减小颗粒尺寸使斑点变得不可见。这些颗粒没有被去除而是残留在纸浆中，因此纸浆变成灰色，白度大大降低。如果在废纸配料中加入膨润土，可以防止斑点的形成。膨润土可以减小油墨颗粒的尺寸，使其通过洗涤从纸浆中除去，或者将小油墨颗粒聚集成大尺寸颗粒，通过浮选或离心提纯可以有效除去，从而提高纸浆的白度。膨润土在整个过程中发挥了多种作用，如吸附、分散、沉淀控制和抗再沉积。
2.6膨润土在颜料涂料加工中的应用
用于生产涂布纸的涂料主要由颜料、粘合剂和添加剂组成。在所使用的添加剂中，有一种流变控制剂，其作用是调节涂料的流变性能，以满足生产工艺的要求，避免因涂料流变性能不好而导致的产品质量问题。当蒙脱土分散在水相中时，表面水合作用和层间双电层的排斥作用会使膨润土的层间距增大，体积膨胀，使膨润土在水相体系中增稠，因此膨润土可作为造纸涂料的流变控制剂。同时，由于膨润土具有规则的层状结构，也有利于提高涂层的覆盖性能和光滑度，从而起到一定的颜料作用。
一项专利报道了用膨润土作为部分颜料生产涂布纸的工艺，其产品特别适用于压光后的照片印刷和胶印。
2.7膨润土作为填料的应用
如前所述，膨润土具有很强的水化作用，因此能形成较细的片状结构，呈胶体状态，吸收大量带正电荷的电解质，可与带负电荷的纤维结合，从而将膨润土留在纤维上。同时，膨润土还起到纸张填料的作用。此外，膨润土具有“质优价廉”的特点，可应用于低定量纸张的生产，在不降低纸张强度尤其是撕裂度的情况下，可获得较高的填充量。杭州某研究所的应用研究表明，改性膨润土可作为低白度纸和纸板(膨润土本身白度不高)的填料，表现出强吸附高分散，高留着率，对纸张强度影响小。同时，由于改性膨润土可以吸附细小纤维等细小物质，可以降低造纸厂排放的白水浓度，减少排放污水对水质的污染。
2.8膨润土在纸张显色中的应用
用盐酸、硫酸或磷酸处理过的天然膨润土称为酸性粘土。与膨润土相比，酸性白土具有显著增加的比表面积、高的吸附性能和催化活性。用于传真纸、发票和计算机记录的压敏复印纸利用酸性粘土和白色(无色)染料之间的化学反应实现化学显色。
膨润土作为无碳复写纸中力敏颜料的显色剂，用于无碳复写纸中膨润土产品的酸活化处理，在英国、德国和日本已有较长时间的生产和使用。浙江省地质矿产研究院利用丘山优质膨润土制作无碳复写纸专用漂白土。该产品已被北京造纸研究所等单位使用，被认为完全可以替代进口产品。
以三层无碳复写纸为例，含有颜料的明胶和阿拉伯胶微胶囊包裹在上层纸和中层纸背面使用的粘合剂中，酸性粘土作为显色剂附着在中层纸和下层纸的表面。纸张中的颜料受到微胶囊的保护，重叠后不会自行显影。然而，当用笔尖或打字机针按压纸张表面时，微胶囊会破裂，染料会溢出并接触涂层表面。酸性粘土显影剂具有吸附力，可以提供质子。无色染料获得质子后，内酯环断裂形成极化离子结构实现显色。
3摘要
总之，膨润土作为颗粒助留助滤剂体系应用广泛，但在其他方面的研究和应用不多，有待进一步开发。膨润土性能优异。根据对其物理化学特性的分析，它在制浆造纸的许多环节中具有巨大的潜在应用价值。随着膨润土的开发、改性和深加工，其应用领域将进一步扩大。目前，国内很多企业仍然依赖进口膨润土。中国膨润土储量居世界第一，分布广泛。充分利用这一独特优势，自主开发高品质膨润土产品，对造纸行业具有重要意义。