白水回收工艺的制作方法
【专利说明】
[0001] 相关申请
[0002] 本申请是于2013年3月13日提交的题目为"Whitewater Recovery Process"的 美国专利申请序列号13/801,306的部分继续申请，其整体出于所有目的通过引用并入本 文。
技术领域
[0003] 总体上描述了白水回收工艺及相关系统和组件。
【背景技术】
[0004] 在传统的造纸工艺中，将水作为载体流体引入造纸系统中。所述载体流体用于使 木纤维、悬浮助剂和填充材料等混悬为浆料，将所述浆料均匀地铺在线网上。将载体流体从 网中排出、挤出（例如，使用夹子）并进行真空处理，而大部分填料、纤维和助留剂保留在网 上并最终形成纸页。从纸页中排出的水称为白水，原因是其高残余的纤维、填料和增白剂含 量在一些情况下使水呈白色。
[0005] 造纸工艺通常利用大量的水，其典型使用量为200加仑/吨纸（对于高度再生纸 板）至30, 000加仑/吨纸（对于专业高级纸）。在早期造纸中，常规地消耗来自河或湖的 淡水来生产纸。然而，如此大量的淡水消耗对环境是有害的。为了限制环境破坏，发起了减 少淡水使用和减少来自纸浆和造纸设施的废水排放的运动。
[0006] 目前的纸浆厂和造纸厂实施了多种白水再使用策略。这些策略中的大多数策略 使用简单的悬浮固体澄清、过滤和筛选技术来清洁再循环废水。减少向纸机的淡水补充 (make-up)导致白水系统中的污染物浓度大幅度增加。所回收的水在其最终被排放之前通 常使用了很多次。简单的悬浮固体澄清、过滤和筛选技术并没有解决白水回路中溶解固体 和胶体固体增加的问题。在许多目前的系统中，向白水流中供给化学添加剂以试图控制有 机物、胶体固体和溶解离子的积聚。然而，许多典型的再使用策略不能有效地移除细小的胶 体物质、总溶解固体（包括致垢离子（scale causing ion))和污垢（如铁铝和细菌）。因 此，在不断地重复使用白水时以及在减少淡水补充时，使得通过造纸工艺引入的大量溶解 物质和胶体物质的浓度周期性升高（cycle up)。这在纸机、纸产品和工厂的其他区域中可 以引起许多问题。例如，当微溶性盐的浓度周期性升高时，其最终可发生沉淀并结垢。当胶 体阴离子微粒（通常称为阴离子杂质（anion trash)或阴离子垃圾（anionic trash)，其在 本文中可交换使用）的浓度周期性升高时，其可抑制悬浮固体的絮凝和控制，导致制造出 劣质纸产品。此外，总溶解固体CTDS)尤其是阴离子胶体垃圾的累积不利地影响助留剂的 性能，所述助留剂是在湿浆进行脱水工艺时促进纤维在纸幅上保留和纸产品脱水的化学添 加剂。如果网上的纤维没有适当地脱水，贝U可应用助滤剂（drainage aid)。白水中增加的 污染物负载降低了助滤剂的有效性。因此，生产中的纸页具有更高的含水量，从而可以使用 于在纸机的干燥部中干燥纸所需的热能的量增加。能量增加可以是大量的且昂贵的。
[0007] 主要利用两种基本技术来控制微溶性盐和阴离子胶体物质的累积。一种这样的技 术涉及化学添加。例如，可以向配合或螯合多价阳离子中添加螯合（sequestration)化学 品，使得所述阳离子可以不再轻易地与抗衡离子如硫酸根和碳酸根结合以形成水垢。另一 种技术涉及化学软化。该技术基于这样的原理：在碱性离子存在下提升溶液的pH使微溶性 盐到达其饱和点。这使得存在的盐沉淀为固体，随后通过污泥脱水系统移除。
[0008] 添加化学添加剂以处理白水可以引起多个问题。例如，连续添加化学添加剂对于 控制结垢和污染是必需的。还需要连续添加化学添加剂以弥补白水回路中增加的污染物浓 度。所述化学品被白水中增加的污染物负载部分地电荷中和。过量的化学品消耗对于工厂 来说是昂贵的，并且造成了总溶解固体（TDS)的累积，这使得白水在最终排放时难以处理。 如上所述，化学添加剂和背景盐的累积对工厂生产、纸页质量和热能消耗具有显著的负面 影响。当阴离子带电胶体附着至阳离子化学添加剂时，传统白水再循环工艺中使用的化学 添加剂也被白水中的阴离子垃圾部分地消耗掉。由于阴离子垃圾消耗化学添加剂，所以必 须添加过量的化学添加剂，这可以增加添加剂在该工艺中累积的程度。
[0009] 不涉及大量化学添加剂添加的用于白水澄清的系统和方法将是期望的。
【发明内容】
[0010] 总体上描述了白水回收工艺及相关系统和组件。一些实施方案涉及其中使用选择 性离子交换从白水中移除溶解离子的白水回收工艺，其可以降低在该工艺中使用化学添加 剂的程度。在一些实施方案中，可以采用絮凝和/或过滤组件来帮助从白水中移除悬浮固 体。本文描述的某些发明系统和方法实现了污染物移除技术与减少化学添加剂添加之间的 平衡，最终增加了造纸工艺的盈利能力和有效性。在一些情况下，本发明的主题涉及相关产 品、特定问题的替代解决方案、和/或一种或更多种系统和/或制品的多种不同用途。
[0011] 在一个方面中，提供了一种用于回收包含阳离子和悬浮固体的白水的系统。在一 些实施方案中，所述系统包括：容纳絮凝剂的絮凝容器，在将所述絮凝剂暴露于包含白水或 来源于白水的液体输入流时，所述絮凝剂能够使悬浮固体凝聚以形成絮凝剂和悬浮固体的 凝聚体，所述絮凝容器配置为产生与液体输入流相比包含更少量悬浮固体的上清液流；过 滤器，所述过滤器配置为接收至少部分的上清液流，所述过滤器配置为产生保留物流和滤 液流，与保留物流相比所述滤液流包含更少量的悬浮固体；和离子交换容器，所述离子交换 容器配置为接收至少部分的滤液流，所述离子交换容器容纳配置为从滤液流中移除至少部 分的阳离子的离子交换介质。
[0012] 在一些实施方案中，提供了 一种处理白水的方法。在一些实施方案中，所述方法 包括：将包含白水或来源于白水并包含阳离子和悬浮固体的液体输入流暴露于絮凝剂，使 得形成絮凝剂和悬浮固体的凝聚体；从所述液体输入流中移除至少部分的凝聚体，以产生 与液体输入流相比包含更少量悬浮固体的上清液流；过滤上清液流以产生保留物流和滤液 流，与保留物流相比滤液流包含更少量的悬浮固体；和使用离子交换介质从滤液流中移除 至少部分的阳离子。
[0013] 在一些实施方案中，所述方法包括：使包含白水或来源于白水并包含阳离子的液 体输入流流经容纳离子交换介质的离子交换容器；和使用离子交换介质从液体输入流中移 除至少部分的阳离子以产生经离子交换的流出物流。
[0014] 在一些实施方案中，所述方法包括：使包含白水或来源于白水并包含碳酸钙的液 体流与离子交换介质接触；和在与离子交换介质接触时或之前调整或保持液体输入流的 pH为约7. 5或低于约7. 5,使得至少部分的碳酸钙溶解在液体输入流中。
[0015] 在一些实施方案中，所述方法包括：将包含白水或来源于白水并包含阳离子和悬 浮固体的液体输入流暴露于絮凝剂和磁响应材料，使得形成絮凝剂、磁响应材料和悬浮固 体的凝聚体；使用磁体从液体输入流中移除至少部分的凝聚体，以产生与液体输入流相比 包含更少悬浮固体的上清液流；和使用离子交换介质从上清液流中移除至少部分的阳离 子。
[0016] 在一些实施方案中，所述方法包括：使包含白水或来源于白水并包含光学增亮剂 的液体输入流流经容纳离子交换介质的离子交换容器；和使用离子交换介质从液体输入流 中移除至少部分的光学增亮剂，以产生与液体输入流相比包含更少量光学增亮剂的流出物 流。
[0017] 当结合附图考虑时，根据以下对本发明的各种非限制性实施方案的详细说明，本 发明的其他优点和新颖特征将变得显而易见。在本说明书和通过引用并入的文献包含矛盾 和/或不一致的公开内容的情况下，应以本说明书为准。
【附图说明】
[0018] 本发明的非限制性实施方案将通过举例的方式参照附图进行描述，所述附图是示 意性的并且不旨在按比例绘制。在附图中，每个示出的相同或几乎相同的组件通常以单一 附图标记表示。为了清楚起见，在不需要图解以使得本领域普通技术人员能够理解本发明 的地方，不是每个组件都被标记在每幅图中，也不是本发明每个实施方案中的每个组件都 被示出。在图中：
[0019] 图1A是根据一些实施方案的白水回收系统的离子交换工艺步骤的示例性示意 图；
[0020] 图1B是根据一些实施方案的离子交换容器的示意图；
[0021] 图2A是根据一些实施方案的包括絮凝步骤和离子交换步骤的白水回收系统的示 意图；
[0022] 图2B是根据一些实施方案的絮凝容器的示意图；
[0023] 图3是根据一些实施方案的白水回收系统的示意图；
[0024] 图4A至4C是根据一些实施方案的白水回收系统和工艺的示意图；和
[0025] 图5A至图5C是根据一组实施方案，钙、镁和锰的浓度根据离子交换工艺步骤的持 续时间而变化的图。
[0026] 发明详述
[0027] 总体上描述了白水回收工艺及相关系统和组件。一些实施方案涉及其中通过离子 交换从白水中移除溶解离子的白水回收工艺，其可以降低在该工艺中使用化学添加剂的程 度。在一些实施方案中，可以采用絮凝和/或过滤组件来帮助从白水中移除悬浮固体。在一 些实施方案中，絮凝和/或过滤组件也可在很少或没有净添加化学试剂的情况下操作。能 够在很少或没有净添加化学试剂的情况下从白水中移除悬浮固体和溶解离子（或者以其 他方式控制其浓度）可以提供多个优点，包括减少造纸系统中的沉淀和结垢，提高在热干 燥纸产品之前脱水达到的程度以及提高所生产纸的质量等益处。
[0028] 在一些实施方案中，离子交换用于移除所回收白水中的至少部分阳离子。一些 实施方案涉及以下的发明认知：多种固体（包括沉淀物如固体碳酸钙（例如，沉淀碳酸钙 (PCC))和另一些微溶性盐）可以通过将所述固体溶解在白水中（例如，通过调节白水中的 pH或其他条件），然后从白水中移除溶解离子来移除。这与其中使用传统固体移除方法（例 如，过滤器等）移除这样的固体物质的许多现有技术方法形成对比。
[0029] 特别地，本文所述的白水回收系统可以用于移除微溶性盐的阳离子（包括多价阳 离子，如Mg 2+、Ca2+、Sr2+、Ba2+、Fe2+、Mn2+和A1 3+)。微溶性盐的阳离子可以在造纸工艺中沉淀 析出，并且当其与抗衡阴离子（例如，碳酸根、硫酸根、氢氧根等）结合时导致结垢。此外， 多价离子（尤其是Ca 2+)的存在可以使来源于木浆和纤维的沥青的溶解度降低，从而可以 从溶液中沉淀析出。所沉淀的沥青是粘性的，并且可以在纸机中和纸产品上引起污染问题。 移除多价阳离子可以降低在造纸工艺中发生的沉淀和结垢的程度，从而可以降低必须清洁 纸机的频率并改善纸质量。在一些实施方案中，调节处理中的水的pH以增加微溶性盐（如 多价阳离子）的溶解度，在所述调节之后，可以采用离子交换介质来移除溶解离子。
[0030] 在一些实施方案中，与典型的常规白水回收方法相比，本文描述的离子交换法可 以在不添加化学螯合剂的情况下或者在使用减少量的化学螯合剂的情况下移除微溶性盐。 在许多现有系统中，来自背景盐的离子电荷在白水中产生了缓冲作用，破坏了湿强度剂、淀 粉改性剂、施胶化学品和造纸工艺中通常采用的许多其他化学添加剂。这使得必须添加过 量的这些添加剂以克服电荷中和/缓冲效应。此外，可能需要额外的新的专用化学品来解 决缓冲效应，通常使得成本溢价。不断添加过量的化学品和额外的专用化学品产生了复合 效应并导致化学品在白水中累积。这使得最终流出物更难处理，并最终增加了对环境、造纸 机和通过造纸机制得的纸产品的污染物负载，以及环境、造纸机和通过造纸机制得的纸产 品中的盐度。本发明的离子交换工艺涉及非常不同的方法。不是通过添加化学试剂来螯合 污染物，该离子交换工艺有效地从白水中移除污染物。因此，使用离子交换可防止污染物浓 度随着淡水补充流量下降发生的周期性升高。
[0031] 在本发明离子交换工艺的一些实施方案中，使用离子交换介质（例如，离子交换 树脂，如阳离子交换树脂）从白水中移除一种类型的溶解阳离子，将其替代为另一种类型 的阳离子。例如，本文描述的本发明离子交换工艺的特定实施方案可以用于移除多价阳离 子（例如，Mg 2+、Ca2+、Sr2+、Ba2+、Fe2+、Mn2+和/或A1 3+)，并将其替代为单价阳离子（例如， Na+、K+和/或氮基离子（例如，铵离子、胺离子等，如NH 4+))，所述单价阳离子在许多条件下 (例如，在具有高浓度碳酸根和硫酸根的环境中）的溶解度通常比多价阳离子大得多。由于 单价离子的溶解度大得多，所以其在典型情况（造纸工艺中使用白水）下不易沉淀或结垢。 作为一个特定实例，在约32°C下，硫酸钠的溶解度是硫酸钙溶解度的700倍以上。
[0032] 图1是示出白水回收系统100的示意图，所述白水回收系统100可以用于回收包 含白水或来源于白水的液体输入流105。液体输入流105中的白水可以包含来源于造纸工 艺中任何来源的水。流105中的液体可以是直接来自于白水源的白水，或者是经预处理或 以其他方式改性的白水。在一些实施方案中，液体输入流105可以包含阴离子和/或阳离 子。例如，液体输入流105可以包含多价阳离子，如Mg 2+、Ca2+、Sr2+、Ba2+、Fe2+、Mn2+和/或 Al3+。液体输入流105也可能包含悬浮固体如纸碎片（例如，木纤维、浆等）、胶体物质（如 阴离子胶体垃圾）或其他固体成分，但是在另一些实施方案中，可能不存在这样的污染物 (例如，其可使用例如絮凝和/或过滤工艺（包括本文其他地方描述的那些工艺）预先移 除）。在一些实施方案中，液体输入流105来源于白水回收工艺中的上游工艺，如以下更详 细描述的絮凝或过滤工艺。在另一些实施方案中，液体输入流105直接来源于造纸工艺的 白水流出物流。
[0033]在图1A中，使液体输入流105流经容纳离子交换介质的离子交换容器110。当液 体输入流105与离子交换介质接触时，可以移除液体输入流105中的至少部分阳离子（并 且可以释放出离子交换介质中的阳离子），以产生经离子交换的流出物流115。在一些实 施方案中，经离子交换的流出物流115中多价阳离子的量低于液体输入流105中多价阳离 子的量。例如，在一些实施方案中，经离子交换的流出物流115中多价阳离子（例如，Mg' Ca 2+、Sr2+、Ba2+、Fe2+、Mn2+和/或A1 3+中的任意一种或更多种）的量比液体输入流105中多 价阳离子的量低至少约70%、至少约80%、至少约90%、至少约95%或至少约99%。
[0034]可以使用多种类型的离子交换介质，并且当选择离子交换介质时，通常要考虑多 个因素。通常，离子交换介质应配置为使得在将离子交换介质暴露于白水时，白水中相对不 期望的离子（包括某些多价离子）选择性地与离子交换介质结合。在一些这样的情况下，离 子交换介质中的其他离子（例如，钠、钾等）同时释放到白水中以交换多价离子物质。在多 个实施方案中，在离子交换步骤中完全移除所有离子是不必要的或不实际的。例如，在许多 情况下，白水流中的所有离子化盐的浓度将容易破坏离子交换装置并且需要过量的再生化 学品和再生水。白水的正常高盐含量将迅速地耗尽离子交换介质，并且供给再生试剂（使 离子交换介质再生所需的）的水的体积将接近或超过待回收的初始白水的体积，因此使得 所述工艺不切实际。
[0035] 因此，在一些实施方案中，选择从白水流中选择性地移除目标离子的离子交换树 月旨。例如，可以选择这样的离子交换介质使得其仅移除微溶性盐（例如，多价离子如Mg2+、 Ca2+、Sr2+、Ba2+、Fe 2+、Mn2+和/或Al3+)组分。在一些这样的实施方案中，离子交换介质将移 除的离子替代为高可溶性离子，如Na +、K+和/或氮基离子（例如，铵基离子、胺基离子等如 NH:)。
[0036] 在选择离子交换介质期间可以考虑的另一个因素是白水回收工艺的流量。在一 些实施方案中，白水回收工艺配置为处理相对高流量的白水（例如，流量为至少500加仑/ 分钟、高达5, 000加仑/分钟或更高）。因此，在这样的实施方案中，选择以下离子交换介 质可以是重要的：其能够允许这样的流量经济地经过离子交换树脂并同时维持树脂与白水 之间的紧密接触。不需要本文所述的白水回收系统来处理整个白水流。例如，在一些实施 方案中，回收白水系统配置为使得其仅处理高到足以抑制或阻止造纸工艺中污染物积聚的 流量。在一些实施方案中，白水回收系统配置为使得污染物移除速率等于或超过从造纸工 艺中引入污染物的速率。以这种方式配置白水回收系统可以使白水回路中的污染物到达平 衡点，从而防止污染物的浓度周期性升高并防止导致结垢和污染。此外，以这种方式配置白 水回收工艺可以减少对添加过量化学添加剂的需要。特定离子交换介质维持高操作流量的 能力可以取决于离子交换介质自身的几何结构和树脂中离子交换位点的数量。例如，如果 离子交换介质包括孔相对较大的珠或微粒（例如，大孔树脂），则水（和任何不想要的污染 物，如有机物）可以更自由地流动（例如，扩散）经过介质基质的孔。每单位体积离子交换 介质中的高浓度离子交换位点还将使得介质能够在高操作通量下表现出快速动力学并维 持有效的污染物移除。另一方面，如果离子交换介质中的孔较小（可能在多种常规凝胶离 子交换介质的情况下就是如此），则在正常的离子交换树脂再生期间，树脂可以截留有机物 并使得难以移除所述有机物。总悬浮固体污染物可以导致水围绕介质流动（而不是流经介 质），并且限制白水中的离子与离子交换介质中的活性位点之间的相互作用。该原理还说明 了为何建立适当的预处理以保护离子交换柱和离子交换介质免受污染（例如，使用本文其 他地方所述的方法进行）是重要的。
[0037] 在一些实施方案中，重要的是选择具有高操作容量的离子交换介质（即，其每单 位体