典型廢紙加工利用過程中重金屬去除特征研究

根據(jù)廢紙再生利用環(huán)節(jié)篩選不同的樣品材料。在廣東省和浙江?。矀€某大型紙業(yè)公司廢紙車間選擇3捆原始廢紙，整理后采集5.0 kg裝入樣品袋運回實驗室。由于企業(yè)對回收的廢紙做了簡單的預(yù)處理以及垃圾分類的原因，所采集的3種廢紙樣品種僅含有少量的夾雜物如殘留膠帶、雜志的塑封膜及少量金屬雜質(zhì)等，樣品編號及外觀表述如表1所示。

各取適量1^#、2^#、3^#碎漿紙漿及2^#、3^#脫墨和漂白紙漿放入冰箱中平衡水分，后續(xù)在重金屬分析過程中分別取出即可。

紙和紙漿中重金屬Cd、Cr、Pb的測定可根據(jù)HJ 766—2015《固體廢物金屬元素的測定電感耦合等離子體質(zhì)譜法》^[15]處理，采用ICP-MS（Agilent7500a，美國Agilent科技有限公司）測定。紙和紙漿中的重金屬Hg、As可根據(jù)HJ 702—2014《固體廢物汞、砷、硒、鉍、銻的測定 微波消解原子熒光法》^[16]處理，采用雙道原子熒光光度計（AFS-3000，北京科創(chuàng)海光儀器有限公司）分析測定。

表2為典型進口廢紙重金屬含量特征。由表2可知，選取的3種典型進口廢紙中均含有Cr、Pb、As、Cd和Hg這5種危害較大的重金屬元素，重金屬含量大小均為Cr>Hg>Pb>Cd>As，其中Cr在3種典型廢紙中的含量分別為9.96、13.61、16.79 mg/kg，這是因為紙制品會添加大量的黏合劑或印刷油墨，油漆和黏合劑中含有的重金屬特別是Cr和Pb嚴重超標所致^[17]?？傮w而言，1^#、2^#、3^#的重金屬總量分別為21.61、30.14、40.38 mg/kg，均低于歐盟包裝和包裝廢棄物法令有害重金屬的限值（Cd、Cr、Hg、Pb 總量限值為100 mg/kg）^[18]。1^#廢紙主要是箱紙板、瓦楞紙板等較為潔凈的造紙材料，因此重金屬含量低于2^#、3^#廢紙；2^#、3^#廢紙主要來自于印刷油墨較多的造紙材料，印刷油墨中含有較多的重金屬，是2^#、3^#廢紙中重金屬含量較多的原因之一^[19]。

1^#、2^#、3^#廢紙碎漿環(huán)節(jié)重金屬去除特征如圖1和圖2所示。從圖中可以看出，經(jīng)碎漿處理后3種廢紙的碎漿紙漿中5種重金屬總量分別為17.77、26.01、33.38 mg/kg。相比碎漿前廢紙，重金屬含量分別降低了17.77%、13.70%、17.34%，可見去除效果一般。碎漿一般是將廢紙分散成纖維懸浮液，同時去除廢紙中的夾雜物如砂石、塑料、金屬等雜質(zhì)^[20-21]，所以碎漿對廢紙中的重金屬去除特征表現(xiàn)一般。

脫墨是廢紙加工利用過程的第二個環(huán)節(jié)，由于1^#廢紙是較為潔凈的箱紙板、瓦楞紙板，所以不對其進行脫墨和漂白。2^#、3^#廢紙脫墨環(huán)節(jié)重金屬去除特征如圖3和圖4所示。由圖中可以看出，脫墨結(jié)束后，2^#、3^#脫墨紙漿中重金屬總量分別為17.84、26.52 mg/kg，相比碎漿環(huán)節(jié)，重金屬含量分別下降了31.14%、20.54%。由此可見，脫墨對重金屬的去除效果明顯比碎漿好，即脫墨有利于減少廢紙中重金屬累積的風險。俞碧蕓等人^[22]研究表明，通過調(diào)整碎漿濃度、溫度及時間，可更有效增加脫墨漿白度，即更有效地去除油墨，降低廢紙中重金屬百分比。

圖3  2^#、3^# 廢紙脫墨環(huán)節(jié)不同重金屬去除特征

Fig. 3  Characteristics of heavy metal removal in 2^#， 3^# waste paper deinking process

圖4  2^#、3^# 廢紙脫墨環(huán)節(jié)重金屬總量去除特征

Fig. 4  Characteristics of total heavy metal removal in 2^#、3^# waste paper deinking process

漂白環(huán)節(jié)是在脫墨環(huán)節(jié)的基礎(chǔ)之后進一步去除廢紙中的重金屬，2^#、3^#廢紙漂白環(huán)節(jié)重金屬去除特征如圖5和圖6所示。從圖中可以看出，2^#、3^#漂白后紙漿中重金屬總量分別為15.39、20.29 mg/kg，相比脫墨環(huán)節(jié)，重金屬總量分別下降了13.73%、23.49%。隨著廢紙再生工藝的逐漸優(yōu)化，一般情況下，在脫墨環(huán)節(jié)利用合適的脫墨劑可高效的去除廢紙中的油墨^[23]，也就直接去除了印刷油墨中殘留的大量重金屬元素^[24]，如類似于3^#廢紙材料上含有較多的印刷油墨、顏料以及保證紙張品質(zhì)所加入的添加劑，漂白就很有必要。研究表明^[25]，漂白紙漿能進一步提高紙漿白度，且配合Lac/Gly方法處理能夠減少木質(zhì)素和抽提物。云娜等人^[26]發(fā)現(xiàn)，漂白能對脫墨紙漿殘留的油墨粒子進一步去除，這一結(jié)果與本研究相似。各項研究結(jié)果表明，基于脫墨環(huán)節(jié)之后的漂白能有效的去除廢紙中的重金屬，且去除效果良好。

圖5  2^#、3^# 廢紙漂白環(huán)節(jié)不同重金屬去除特征

Fig. 5  Characteristics of heavy metal removal in 2^#, 3^# waste paper bleaching

圖6  2^#、3^# 廢紙漂白環(huán)節(jié)重金屬總量去除特征

Fig. 6  Characteristics of total heavy metal removal in 2^#， 3^# waste paper bleaching

廢紙在不同再生利用環(huán)節(jié)排除少量重金屬進入廢水中，重金屬總體去除特征呈依次降低趨勢，如圖7所示，1^#、2^#、3^#廢紙雖然種類不同，但在碎漿環(huán)節(jié)對重金屬的去除都在10%~20%，對重金屬的去除效果一般。但2^#、3^#廢紙在脫墨環(huán)節(jié)的重金屬去除效果可以達到20%~40%，漂白環(huán)節(jié)對重金屬去除效果在10%~30%左右。由此可見，對于2^#、3^#這類廢紙，重金屬主要分布在印刷油墨中，而脫墨、漂白最主要的作用就是去除紙漿中的油墨和顏料等物質(zhì)。Singh等人^[27]采用酶進行辦公室廢紙脫墨，主要也是去除油墨顆粒。在實驗室整個廢紙再生利用環(huán)節(jié)2^#、3^#廢紙的重金屬去除效果可達60%~70%左右，在實際生產(chǎn)中可能效果更好。因此，在廢紙再生利用環(huán)節(jié)中要注重脫墨和漂白。

圖7  3種廢紙再生利用環(huán)節(jié)重金屬總量占比

Fig. 7  Three kinds of waste paper recycling link total heavy metal content ratio