автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.03, диссертация на тему:Облагораживание макулатурной массы в процессе роспуска

На прамх рукописи

Хорьков Владимир Геннадьевич

ОБЛАГОРАЖИВАНИЕ МАКУЛАТУРНОЙ МАССЫ В ПРОЦЕССЕ

РОСПУСКА

05.21.03 - технология и оборудование химической переработки биомассы дерева; химия древесины

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

г р ноя 2013

Санкт-Петербург 2013

005540535

005540535

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный технологический университет растительных полимеров» на кафедре аналитической химии. Научный руководитель: к.х.н., профессор A.A. Комиссаренков

Официальные оппоненты: д.т.н., профессор A.C. Смолин

к.т.н., доцент Е.Г. Смирнова Ведущая организация: ОАО «Всероссийский научно-

исследовательский институт целлюлозно-бумажной промышленности»

Защита состоится У/?2013 г. в часов на заседании диссертационного совета Д 212.231.01 при ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургском государственном технологическом университете растительных полимеров» (198095, Санкт-Петербург, ул. Ивана Черных, д.4).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного технологического университета растительных полимеров.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 198095, Санкт-Петербург, ул. Ивана Черных, д.4.

Автореферат разослан « А /f 2013

года

Учёный секретарь >—■

диссертационного совета, д.т.н. ОУ&и&Я&б^ Махотина Л.Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Развитие использования вторичного волокна на современном этапе характерно как увеличением объемов применения, так и расширением ассортимента производимой на основе макулатуры продукции. При этом увеличивается производство на основе вторичных волокон светлых и белых видов бумаги (газетная, санитарно-гигиеническая, писчая бумага), а также картона с верхним белым слоем. Такое положение предусматривает введение в оборот значительных объемов писчепечатной макулатуры. Основная трудность в использовании макулатуры этого вида - значительное содержание неволокнистых компонентов - минеральные наполнители и пигменты, полимерные материалы и загрязнения в виде печатной краски от процессов полиграфии.

Наиболее распространенным процессом осветления и облагораживания является процесс флотации. Однако флотационные процессы требуют специального оборудования технологических потоков. Менее дорогостоящим и более доступным является метод химического облагораживания вторичного волокна, осуществляемый в процессе его роспуска с использованием специальных химических реагентов.

Использование химических добавок в процессе роспуска в настоящее время осуществляется с целыо ускорения разволокпения макулатуры, что , способствует повышению производительности гидроразбивателей и экономии энергоресурсов.

Работа является актуальной, так как связана с разработкой нового малозатратного метода химического облагораживания вторичного волокна, осуществляемого на стадии роспуска для изготовления продукции высокого качества с обеспечением устойчивой работы бумагоделательного оборудования.

Целыо настоящей работы является совершенствование процесса роспуска вторичного волокна путем введения эффективных химических реагентов для

очистки макулатуры и улучшения качества продукции на ее основе.

3

Научная новизна показано, что неиногенные ПАВ оказывают не только диспергирующее действие относительно компонентов печатной краски и липких веществ, по и изменяют состояние поверхностных слоев волокон, содержащих различные включения. При этом на поверхности ' волокон образуется адсорбционный слой, что нивелирует макро-и микронеоднородности, вызванные ранее использованными реагентами.

Предложены к использованию в качестве реагента для химического облагораживания макулатурной массы полиэлектролитные комплексы (ПЭК), образованные из катионных и анионных полиэлектролитов различного состава, иммобилизированных на поверхности мела.

Практическая ценность предложено изменение технологии роспуска макулатурного сырья путем воздействия различных химических добавок с целью облагораживания вторичного волокна.

Показано, что действие высокодисперсных частиц наполнителей, модифицированных катионным полиэлектролитом и неионогенным ПАВ, а также введение коллоидного кремнезема с пероксидом водорода, изменяющим поверхностные свойства добавок, обеспечивает ускорение разволокнения и повышение качества макулатурной массы, что позволяет считать предложенный процесс облагораживания, совмещенный с роспуском, самостоятельным технологическим элементом в схеме массоподготовки.

Методы исследования, поставленные в работе задачи решаются путем анализа факторов, влияющих на эффективность облагораживания при использовании различных реагентов. Экспериментальные исследования проведены с использованием лабораторного гидроразбивателя, а также стандартных методов оценки свойств массы и полученных из нее образцов бумаги.

Положения выносимые на защиту:

1. Совершенствование технологии роспуска макулатуры путем добавок различных химических реагентов с целью облагораживания вторичного волокна.

2. Механизм облагораживающего действия неионогенных поверхностно-активных веществ.

3. Использование полиэлектролитных комплексов, содержащих катионные и анионные полиэлектролиты в различных соотношениях, с улучшения качества бумаги на основе вторичного волокна

4. Введение на стадии роспуска мела, модифицированного неиногенными поверхностно-активными веществами и полиэлектролитными комплексами с целью активации роспуска вторичного волокна и повышения показателей прочности бумги.

Реализация результатов результаты исследований диссертационной работы используются на ОАО «БФ «Коммунар». ПАВ «Неонол» введен в композицию бумаги для печати на основе макулатуры. Расход реагента согласно удельным нормам составляет 1 кг.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на XII межотраслевой научно-практической международной конференции «Организация системы управления охраной окружающей среды», СПбГТУРП, 23-24 апреля 2002 г. и межотраслевой научно-практической международной конференции «Новое в подготовке волокнистой массы для различных видов бумаги и картона», СПбГТУРП, 26 марта 2010 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 работ, в том числе 5 в изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура н объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех разделов, выводов, библиографического списка и приложений, изложенных на 153 страницах, содержит 24 рисунка, 15 таблиц, библиографический список включает 120 наименований.

Краткое содержание работ Во введении приводится обоснование актуальности выбранной темы и сформулированы положения, выносимые на защиту.

В литературном обзоре рассматривается современное состояние, основные проблемы и перспективы развития мировой целлюлозно-бумажной промышленности (ЦБП) с выделением роли переработки макулатуры. На примере ведущих зарубежных стран отражены возможные пути развития ЦБП. Проведен анализ основных волокнистых полуфабрикатов с экономической, экологической и энергетической точек зрения. Рассмотрение основных мировых тенденций позволяет сделать вывод о перспективности развития в России методов облагораживания при глубокой переработке макулатуры на основе писчепечатной продукции.

Приводится системный анализ физнко-химических факторов, влияющих на эффективность удаления печатной краски из макулатурной массы при ее облагораживании. Эффективность определяется следующими основными факторами: зольность бумаги, вид волокнистых полуфабрикатов, площадь запечатанной поверхности, характер отделки поверхности, технология печати, использование функциональных химикатов и флотореагентов.

Рассмотрена классификация поверхностно-активных веществ (ПАВ) и их использование. В настоящее время во всех отраслях промышленности, биологии, медицине и других разделах науки применяют ПАВ. По объему производства, ассортименту на мировом рынке и важности в экономике ПАВ стоят на одном уровне с каучуками, красителями, взрывчатыми веществами и рядом других важнейших продуктов. ПАВ применяют для самых различных целей: в качестве моющих агентов, для стабилизации дисперсных систем -эмульсий, пен, суспензий; для понижения прочности обрабатываемых материалов, покрытия поверхностей, например, с целью гидрофобизации или защиты от испарения и других целей. В бумажной промышленности их используют чаще всего в процессах флотации при очистке бумажной массы и

при «пенном» способе формования бумажного полотна.

6

В методической части охарактеризована макулатура марки МС-1А, МС-5Б, МС-7Б в соответствии с ГОСТ 1070011-97. В процессе роспуска макулатуры применялись химикаты, используемые в производстве бумаги и картона: поверхностоактивные вещества (ПАВ), катионоактивные и гидрофобизирующие реагенты.

Для улучшения эффекта облагораживания макулатурной массы (ММ) использовали модифицированные химическими реагентами наполнители: высокодисперсный мел, РСС, цеолекс и ветлекс.

Роспуск макулатурного сырья осуществляли в лабораторном гидроразбивателе с горизонтальном расположением ротора, содержащим конструктивные дополнения в виде выступающих ребер и отбойника, что обеспечивало высокую турбулентность массы в аппарате. В гидроразбиватель дозировались выше перечисленные реагенты.

После роспуска в гидроразбивателе массу отбирали для дополнительного диспергирования в гомогенизаторе-диспергаторе. Приготовленную таким образом бумажную массу использовали для изготовления образцов бумаги на листоотливном аппарате ЛА - 3. Показатели качества бумаги определяли по стандартной методике. Технологическая блок-схема опытной установки по облагораживанию макулатурной массы представлена на рис. 1.

макулатура

вода химикаты

4

п X" -П X

--

...................

ГРГ 700 об/мин

Вакуумный отвод пены

Рис. 1. Технологическая схема опытной установки по облагораживанию макулатурной массы:

Эффективность роспуска макулатуры с применением различных реагентов оценивали весовым методом по содержанию нераспустившихся пучков волокон, выявленных на лабораторной сортировке.

Модифицирование наполнителей проводили методом сорбции в статических условиях при периодическом перемешивании системы. Параметры процесса сорбции определяли традиционными аналитическими методами.

Определение количества ПАВ в растворах при оценке сорбционных свойств мела осуществляли фотометрическим методом с применением, йодно-йодистой смеси. Предварительно определялась сорбция ПАВ на образцах чистого наполнителя, а также обработанного реагентами.

Экспериментальная часть состоит из 3 разделов.

1. Влияние химического облагораживания с использованием различных реагентов на эффективность роспуска.

Приводятся результаты влияния различных реагентов, введенных в композицию, содержащую вторичное волокно, на процесс роспуска. В табл. 1 приведены данные о влиянии расхода различных добавок на кинетику роспуска макулатурной массы.

Данные табл. 1 показывают, что введение композиции, содержащей поверхностно-активные, катионактивные и гидрофобизирующие вещества, а также композиции, включающей пероксид водорода и коллоидный силикат натрия, приводят к интенсификации процесса роспуска, который оценивался по количеству пучков нераспустившихся волокон. На основании проведенных экспериментов ПАВ неонол АФ9-10 был выбран как основной реагент для облагораживания и использовался в последующих опытах.

2. Кондиционирование макулатурной массы с использованием катионпых

полиэлектролитов

Приводятся результаты влияния наполнителей, обработанных полиэлектролитными комплексами (ПЭК) на основе катионных и анионных полиэлектролитов, на показатели качества бумаги для офсетной печати.

Таблица 1. Оценка влияния реагентов на характеристики процесса роспуска

макулатуры

№ п/п Реагент (основное вещество) Расход реагентов % а.с.в рН исходной суспензии °Шр Остаточное количество пучков, % а.с.в. за время роспуска, мин

20 40 60

1 Сиалит-30 фЮг) 0,06 0,12 0,30 0,60 8,0 8,2 8,4 8.4 8.5 27 26 25 23 22 0,94 1,00 1,00 1,10 1,10 0,62 0,80 0,80 0,80 1,00 . 0,52 0,70 0,60 0,70 0,70

2 Сиалит-30/ Неонол АФ9-10 Смесь 1:1 0,001 0.01 0,01 8,4 8,6 8,6 20 24 28 0,78 1,08 0,98 0,60 0,66 0,66 0,54 0,58 0,52

3 Жидкое стекло (8102) 0,03 0,12 0,30 8,4 8,6 8,4 28 25 23 1,04 0,86 1,22 0,80 0,62 0,82 0,62 0,40 0,62

4 №КМЦ 0,1 0,5 8,6 8,6 27 31 0,72 0,76 0,60 0,46 0,46 0,38

5 Крахмал катионный СЗ-0,056 0,1 0,5 8,2 8,2 25 25 1,00 0,66 0,76 0,50 0,60 0,38

6 Септодор 0,05 0,20 0,50 8,2 8,2 8,0 25 25 25 1,00 1,00 1,00 0,62 0,62 0,56 0,42 0,40 0,36

7 Аквапел 320 0,05 0,1 0,5 8,0 8,0 8,6 24 24 25 1,10 1,04 1,06 0,72 0,78 0,76 0,54 0,56 0,60

8 Аквапел 320/ Септодор 0,05-сош1 0,05 0,50 8,6 8,6 27 31 0,90 0,86 0,44 0,38 0,30 0,22

9 Сиалит-30/ Н202 0,12-сопб1 0,18 0,88 2,6 2,6* (без БЮз) 8,4 9,4 8,7 9,4 29 27 25 23 0,88 0,90 0,76 1,08 0,60 0,58 0,42 0,78 0,44 0,38 0,30 0,52

В табл. 2 представлены показатели бумаги, полученной из вторичного волокна. В качестве добавки использовали ПЭК различного состава, иммобилизированного на поверхности мела путем последовательной обработки сначала катионным, а затем анионным полиэлектролитом. Действие таких полиэлектролитов, иммобилизованных на поверхности мела в процессе роспуска, обеспечивает облагораживание макулатурной массы, которое проявляется в тенденцией к снижению сорности и увеличению белизны бумаги (табл.2). Изменение соотношения катионного полиэлектролита (КПЭ) и анионного полиэлектролита (АПЭ) приводит к эффекту упрочнения образцов бумаги, которое оценивалось по увеличению показателя «разрушающее усилие» (рис. 2).

Таблица 2 Влияние полиэлектролитных комплексов (ПЭК) различного состава на основе ВПК-402 и Магнофлок 338 в фазе мела на показатели бумаги для офсетной печати массой 55 г/м2 после роспуска макулатуры МС - 1А и МС -5Б (1:1)

№ п/п Расход ВПК 402, кг/т Расход Магна-флока, кг/т Расход мела, кг/т Разруш. усилие, Н Стойкость поверх, по Деннисону Белиз на, % Непрозра чность % Сорность число сор.на 1м , шт Золь ность, %

х.п. 0 0 0 22 5 92 88 126 10,9

1 0 0 10 21 5 93 91 110 11,8

? 0.5 0.1 10 27 7 92 93 1 17 12,2

3 0.5 1 10 32 7 93 94 102 12,1

4 0.5 1.5 10 31 7 92 94 ИЗ 12,0

5 0.5 2 10 30 6 92 93 130 11,5

6 0.1 0.5 10 30 6 94 91 121 11,9

7 1 0.5 10 31 8 93 92 131 12,0

8 1.5 0.5 10 33 8 92 93 129 12,1

9 2 0.5 10 35 8 91 94 127 12,2

10 0.1 0.1 10 24 7 93 93 125 11,9

11 0.5 0.5 10 30 8 93 93 122 12,0

12 1 1 10 32 8 92 92 122 11,8

13 1.5 1.5 10 31 9 90 94 130 12,2

14 1 2 2 1 10 31 8 93 93 138 11,У

Рис.2. Изменение показателя «разрушающее усилие бумаги» в зависимости от расхода ПЭК в составе мела при изменяющихся содержаниях компонентов ПЭК: 1 - ВПК-402, при постоянном расходе Магнафлок-338, - 0,5 кг/т, 2 -Магнафлок-338, при постоянном расходе ВПК-402 - 0,5 кг/т; 3 - суммарный расход компонентов ПЭК при соотношении -1:1

3. Химическое облагораживание с использованием модифицированного наполнителя.

Известно положительное влияние модифицированных наполнителей на качество готовой продукции. Роль же модифицированных наполнителей на процесс роспуска вторичного сырья ранее не изучалась. Способность адсорбировать на своей поверхности включения, ухудшающие технологичность процесса и как следствие качество готовой продукции, подтолкнули к использованию наполнителей в данной серии экспериментов.

Для расширения функциональных свойств наполнителя, а также уменьшения его отрицательного влияния на механические свойства бумаги проводили модификацию наполнителя неиногонным поверхностно-активным веществом (НПАВ) Неонол АФ9-10. Предварительно определялась, сорбция

НГТАВ на образцах чистого мела, а также обработанного катионным крахмалом, клеем АКД, анионным ПАА (рис. 3).

Рис.3. Сорбция НПАВ на меле: 1- чистый мел; 2- мел +АКД; 3 - мел + анионный ПАА;

4 - мел + катионный крахмал

Несмотря на различный характер поверхности мела из-за обработки различными химическими реагентами, его способность, как показали кривые сорбции поглощать НПАВ не изменяется, что дает возможность использовать модифицированный мел в композиции из вторичного волокна (рис. 3).

Данные табл. 3 показывают, что облагораживание макулатурной массы путем введения при ее роспуске мела модифицированного НПАВ улучшает практически все показатели бумаги, в том числе сорность и белизну. Добавка мела модифицированного НПАВ приводит к улучшению показателей не только за счет увеличения значения рН растворов суспензии активизирующей добавки, но и благодаря присутствию в композиции НПАВ, т.е. проявляется комплексное воздействие.

Таблица 3 Показатели качества бумаги для офсетной печати из макулатуры МС-1А и МС-7Б (1:1) массой 55 г/м2 с добавкой мела, модифицированного НПАВ

Расход, кг/т Мел НПАВ - 10 10 0,1 10 0,5 10 1,0 10 1,5 10 2,0 0,5 5 0,5 15 0,5 20 0,5 30 0,5

Разрушающее усилие, Н 22 21 26 23 24 23 25 28 28 25 26 25

Относительное удлинение,% 0,7 0,6 0,8 0,8 0,8 0,8 0,9 0,8 0,9 0,8 0,8 0,7

Разрывная длина, км 2,9 2,8 3,1 3,0 3,1 3,1 3,0 3,2 3,2 3,0 2,9 2,8

Стойкость поверхности к выщипыванию по Деннисону 5 5 7 6 6 5 5 6 6 5 5 4

Белизна,% 92 93 96 102 100 100 102 98 100 100 95 94

Гладкость по верхней стороне, с 110 108 108 100 110 109 110 100 105 108 108 107

Непрозрачность, % 88 91 93 91 92 92 93 88 94 92 . 95 95

Сорность, шт число соринок на 1м", площадью от 0,1 до 0,5 мм2 290 285 258 193 170 155 114 188 186 180 179 175

Зольность, % 10,9 11,8 12,3 12,2 12,8 12,8 12,1 12,2 12,1 12,7 13,0 13,5

В последующей серии экспериментов было изучено влияние различных наполнителей, модифицированных НПАВ (цеолекс, витлекс, переосажденный карбонат кальция) на показатели качества бумаги.

Установлено, что белизна и непрозрачность бумаги заметно возрастают при сохранении на требуемом уровне остальных показателей. При постоянном расходе наполнителей 10 кг/т и увеличении расхода модификатора НПАВ от 0,1 до 2,0 кг/т, помимо роста белизны и непрозрачности улучшаются, показатели прочности бумаги (разрушающее усилие, разрывная длина, стойкость к выщипыванию по Деннисону), при расходе 0,5 и 1,0 кг/т эти показатели достигают своего максимума (табл 4.).

Таблица 4 Влияние расхода модификатора на качество бумаги(расход наполнителя 10 кг/т)

Показатели качества Расход НПАВ, кг/т

- 0,1 0,5 1,0 1.5 2.0

1 .Разрушающее усилие, Н

Цеолекс 24 26 30 32 28 27

Витлекс 24 26 30 30 28 27

РСС 21 26 23 24 23 25

2.Разрывная длина, км

Цеолекс 2,8 3,1 3,3 3,3 3,1 3,2

Витлекс 3,0 3,3 3,3 3,3 3,2 3,2

РСС 2,8 3,1 3,0 3,1 3,1 3,0

3.Относительное удлинение, %

Цеолекс 0,7 0,8 0,9 0,9 0,9 0,8

Витлекс 0,9 0,8 0.9 0,9 0,9 0,8

РСС 0,6 0,8 0,8 0,8 0,8 0,9

4.Белизна, %

Цеолекс 99 100 103 102 100 101

Витлекс 91 90 92 91 93 93

РСС 93 96 102 100 100 102

5 .Непрозрачность,%

Цеолекс 92 93 93 90 93 92

Витлекс 89 89 92 92 90 91

РСС: 91 93 91 92 92 93

б.Стойкость поверхности к

выщипыванию по Деннисону

Цеолекс 7 7 9 8 7 7

Витлекс 7 8 ' 8 8 6 7

РСС 5 7 6 6 5 5

7.3ольность, %

Цеолекс 11,9 12,7 12,9 12,9 12,6 12,6

Витлекс 11,0 11,2 11,0 11,2 10,9 10,7

РСС 11,8 12,3 12.2 12,8 12,8 12,1

Выводы

1. Установлена возможность облагораживания макулатуры на стадии роспуска путем введения различных химических реагентов, обеспечивающих повышение эффективности разволокнения вторичного волокна и улучшение качества бумаги.

2. Установлено положительное влияние неионогенных поверхностно-активных веществ, вводимых в процессе роспуска макулатуры, на ускорение разволокнения, а также повышение чистоты и белизны бумаги.

3. Показана высокая эффективность полиэлектролитных комплексов, содержащих катионные и анионные полиэлектролиты в различных соотношениях при получении бумаги на основе вторичного волокна с повышенными показателями прочности, чистоты и белизны.

4. Установлено положительное воздействие введения мела, модифицированного неионогенными поверхностно-активными веществами, полиэлектролитными комплексами либо их комбинацией на активизацию роспуска, очистку макулатурной массы и повышение физико-механических показателей бумаги.

5. Опытно-промышленная проверка облагораживания макулатурной массы на стадии роспуска подтвердила эффективность использования предложенного НПАВ Неонол АФ9-10. НПАВ введен в композицию бумаги для печати на основе макулатуры.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:

1. Хорьков, В.Г. Переработка макулатуры как метод, обеспечивающий экологическую безопасность населения [Текст] / В. Г. Хорьков, A.A. Комиссаренков //Организация системы управления охраной окружающей среды: сб. докл. межотрасл. научно-практ. междунар. конференции -СПб.:2002. - С.75-78.

2. Хорьков, В.Г. Облагораживание макулатурной массы в процессе роспуска вторичного сырья [Текст] / В. Г. Хорьков, A.A. Комиссаренков //Целлюлоза. Бумага. Картон - 2006. - №9.- С.44-48.

3. Комиссаренков, A.A. Модифицирование мела НПАВ для использования в качестве добавки в процессе облагораживания макулатуры при роспуске [Текст] / A.A. Комиссаренков, В. Г. Хорьков //Лесной журнал. - 2009. - №6.-С. 119-125.

4. Комиссаренков, A.A. Химическое облагораживание макулатуры в процессе роспуска [Текст] / A.A. Комиссаренков, В.Г. Хорьков // Новое в подготовке волокнистой массы для различных видов бумаги и картона: сб. трудов 3-й междунар. научно-практ. конференции. - СПб.: СПбГТУРП, 2010. - С.69-71.

5. Комиссаренков, A.A. Действие химических реагентов на процесс роспуска макулатурного сырья [Текст] / A.A. Комиссаренков В.Г. Хорьков //Химия растительного сырья. - 2010. - №1,- С. 177-182.

6. Комиссаренков, A.A. Кондиционирование макулатурной массы в процессе роспуска с применением полиэлектролитов [Текст] / A.A. Комиссаренков В.Г. Хорьков //Химия растительного сырья - 2010. - №1.-С. 183-187.

7. Комиссаренков, A.A. Кондиционирование макулатуры в процессе роспуска с применением модифицированных наполнителей [Текст] / A.A. Комиссаренков, В.Г. Хорьков // Лесной журнал. - 2011. - №1.- С. 77-83.

Подп. К печати 30.10.13 Формат 60x84/16. Бумага тип.№1 Объем 2.25 пл. Тираж 100. Заказ № 25

Изготовлено методом ризографии с оригиналов заказчика Копировальный центр ООО «СЛ- СЕРВИС» Санкт-Петербург, Нарвский пр., 18

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ РАСТИТЕЛЬНЫХ

ПОЛИМЕРОВ

На правах рукописи

04201 451 148

Хорьков Владимир Геннадьевич

ОБЛАГОРАЖИВАНИЕ МАКУЛАТУРНОЙ МАССЫ В ПРОЦЕССЕ РОСПУСКА

05.21.03 - технология и оборудование химической переработки биомассы дерева; химия древесины

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: кандидат химических наук,

Комиссаренков А.А.

Санкт-Петербург - 2013

содержание;

Введение.......................................................................................................................4

1. Литературный обзор............................................................................................10

1.1. Бумажная макулатура: предпосылки использования, области применения, классификация, бумагообразующие свойства и способы их улучшения...............................................................................................................10

1.2. Современные схемы подготовки бумажной массы из макулатуры к отливу; оборудование, способы и составы для отбелки, методы улучшения механических и других свойств............................................................................20

1.3. Поверхностно-активные вещества (ПАВ)-классификация, свойства; оборудование и свойства пен; флотация-процесс и оборудование...................44

2. Методическая часть...............................................................................................73

2.1. Характеристика применяемых образцов макулатуры и химикатов..........73

2.2. Характеристики используемых материалов.................................................73

2.3. Методика подготовки макулатурной массы и образцов бумаги................75

2.4. Метод оценки количества нераспустившихся волокон..............................76

2.5. Методика модифицирования накопителей...................................................78

2.6. Методы анализа отливок бумаги и образцов воды и волокна....................79

2.7. Статистическая обработка данных эксперимента.......................................79

3. Экспериментальная часть.....................................................................................82

3.1. Основы облагораживания макулатурной массы..........................................82

3.2. Требования, предъявляемые к массе, по содержанию примесей, удаляемых при промывке......................................................................................87

3.3. Области применения и основные характеристики процесса флотации ....91

3.4. Влияние химического облагораживания с использованием различных реагентов на эффективность роспуска.................................................................98

3.5. Кондиционирование макулатурной массы с использованием катионных полиэлектролитов.................................................................................................107

3.6. Химическое облагораживание с использованием модифицированного

наполнителя...........................................................................................................115

4. Общие выводы по работе....................................................................................132

5. Библиографический список................................................................................134

6. Приложения................................................................................146

Программа проведения опытно-промышленных испытаний...................146

Акт проведения опытно-промышленных испытаний.............................148

Введение

Развитие использования вторичного волокна на современном этапе характерно как увеличением объемов применения, так и расширением ассортимента производимой на основе макулатуры продукции. При этом увеличивается производство на основе вторичных волокон светлых и белых видов бумаги (газетная, санитарно-гигиеническая, писчая бумага), а также картона с верхним белым слоем. Такое положение предусматривает введение в оборот значительных объемов писчепечатной макулатуры. Основная трудность в использовании макулатуры этого вида - значительное содержание неволокнистых компонентов - минеральные пигменты, полимерные материалы и загрязнения в виде печатной краски от процессов полиграфии.

Процессы удаления неволокнистых компонентов из макулатуры и освобождение ее от полиграфических загрязнений представляет собой перспективное направление модернизации технологических потоков, использующих вторичное волокно от продукции, произведенной на основе светлых и белых полуфабрикатов. Получаемая облагороженная макулатурная масса представляет собой конкурентоспособный полуфабрикат для производства светлых и белых сортов бумаги.

Наиболее распространенным процессом осветления и облагораживания является процесс флотации. Флотационные методы очистки вторичного волокна основаны на отделении загрязнений, в том числе печатной краски с последующим удалением взвешенных веществ пузырьками воздуха. Процесс флотации осуществляется благодаря различию поверхностных свойств составляющих суспензию частиц.

Флотация - достаточно эффективный способ осветления и облагораживания писчепечатной макулатуры. Однако для осуществления процесса необходима достаточно сложная и дорогостоящая аппаратура. Флотационные установки или установки «деинкинг» отсутствуют на российских предприятиях, за исключением одного технологического потока на

ЗАО «Каменногорская фабрика офсетных бумаг», в настоящее время неработающего.

В то же время возможно активное воздействие на полиграфические и иные загрязнения путем применения различных реагентов в процессе роспуска макулатуры. Процесс химического облагораживания, в отличие от флотационного, не требует сложного аппаратурного оформления и гораздо проще в осуществлении, однако физико-химические основы этого процесса требуют специальных исследований.

Процесс составления композиции бумажной массы состоит из последовательного или совместного введения ряда реагентов в разбавленную целлюлозную массу, которые обеспечивают удержание компонентов композиционной системы и придание необходимых свойств бумаге. В основном в качестве реагентов в настоящее время используют полимерные вещества, которые не рассматриваются с точки зрения возможного неконтролируемого взаимодействия друг с другом с образованием полиэлектролитных комплексов (ПЭК). Тем более, что расходы таких реагентов устанавливают опытным путем для достижения необходимых свойств бумаги, а в оборотной и сточной воде фиксируется содержание этих реагентов в различных количествах.

Стехиометрические полиэлектролитные комплексы (СПЭК), образующиеся при взаимодействии катионных и анионных полиэлектролитов за счет кооперативных реакций являются малорастворимыми соединениями и обладают высокой адгезией к формующим сеткам, прессовым сукнам, сушильным сеткам и могут обуславливать загрязнения этих материалов.

С другой стороны, такие ПЭК сами обладают сорбционными свойствами и могут использоваться при очистке сточных вод целлюлозно-бумажных предприятий.

На стадии роспуска при переработке макулатуры возможно воздействие таких продуктов на дисперсную среду вместе со сверхмалой фракцией волокна,

отделенной из основной массы целлюлозы. Отрыв микрочастиц целлюлозы, содержащей ранее используемые реагенты, может быть связан с тем, что силы адгезии волокна с образовавшимся в процессе производства бумаги СПЭК значительно больше сил когезии межволоконных связей.

Эти вновь образовавшиеся структуры, способные к набуханию с проявлением липкости бумажной массы, и составляют какую-то долю из общего содержания «анионного мусора».

Для устранения влияния «анионного мусора» на технологический процесс изготовления бумаги в композицию бумажной массы вводят катионные полиэлектролиты (КПЭ), которые выполняют роль жидкого анионита и способны связать определенное количество «анионного мусора» без селективности. В какой фазе находятся такие соединения, и их повторное влияние на технологический процесс достоверно оценить трудно.

Химическое облагораживание макулатурной массы проводили на ранней стадии подготовки макулатуры на ступени роспуска, что увеличивает время реакции с эффектом отбелки и повышает технологические свойства композиции при изготовлении бумаги. Одновременно при введении реагентов для химического облагораживания макулатурной массы проявляется вторичный эффект ускорения роспуска макулатуры.

В качестве реагентов ускорителей роспуска и химического облагораживания могут применяться растворы полиэлектролитов, а также наполнители, модифицированные полиэлектролитами или

полиэлектролитными комплексами.

В последнем случае такие модифицированные наполнители выполняют функцию сорбентов, на поверхности которых происходит сегрегация примесей, выделяющихся из состава макулатуры. При этом сегрегированные примеси вместе с твердой фазой или удаляются на стадии традиционной очистки массы, или равномерно распределяются в целлюлозной массе в фазе

модифицированного наполнителя и не влияют на технологический процесс производства бумаги.

Образование ПЭК на поверхности наполнителей, т.е. ассоциатов включения, может происходить по различным механизмам, в том числе за счет электростатического взаимодействия положительно заряженной модифицированной поверхности наполнителя с «анионным мусором» или по реакции образования соответствующих полиэлектролитных солей, достраивая модифицированную поверхность наполнителя до стехиометрического содержания анионного ПЭК. Не исключаются обменные взаимодействия компонентов «анионного мусора» с поверхностью наполнителя, а также адсорбция коллоидных образований на поверхности твердой фазы.

Запечатанная целлюлоза в виде микровключений может также служить коллектором примесей, выделяющихся из макулатуры за счет наличия гидрофобизированных участков, выполняющих роль адсорбционных центров.

Диспергирование таких загрязненных микрочастиц целлюлозы может привести к отделению целлюлозного волокна от загрязнений, которые переходят в пенную фазу или распределяются в бумажном полотне, не снижая физико-механические характеристики готовой продукции.

Химическое облагораживание макулатурной массы с включением различных добавок на стадии роспуска макулатуры, обеспечивающих функциональные реакции, в том числе сорбционные процессы, приводит к получению технологической массы, удовлетворяющей требованиям производства.

Цель работы

Разработка основ химического облагораживания макулатуры, обеспечивающего интенсификацию процесса очистки вторичного волокна и улучшения качества продукции на его основе.

Научная новизна работы

Предложен механизм действия неионогенных поверхностно-активных веществ, связанный с нивелированием макро и микронеоднородностей на поверхности растительных волокон за счет образования адсорбционного слоя в результате реакции взаимодействия концевой гидроксильной группы оксиэтилированного продукта с гидроксилами дисперсной фазы. Установлено влияние электростатического и стехиометрического факторов в случае использования мела, модифицированного полиэлектролитным комплексом, содержащим катионный и анионный полиэлектролиты, проявляющиеся как в увеличении заряда мела, так и в изменении состава сорбированного комплекса при увеличении соотношения катионного полиэлектролита/анионного полиэлектролита КПЭ/АПЭ.

Получены изотермы сорбции НПАВ на поверхности чистого мела, а также модифицированного гидрофильными и гидрофобными реагентами. Характер изотерм предполагает поглощение НПАВ как в молекулярной форме, так и в виде ассоциатов вплоть до мицелл (при смещении ККМ) на поверхности мела с иммобилизированным модификатором.

Практическая ценность работы Предложено использование неионогенных поверхностно-активных веществ для повышения качества макулатурной массы и бумаги на ее основе, а также ускорения роспуска макулатуры в гидроразбивателе. Показана возможность управления процессом путем изменения расхода реагента, изменения температуры и отбора удаленных примесей из пенной среды.

Исследовано влияние различных реагентов на эффективность роспуска макулатурной массы. Установлена высокая эффективность бинарных композиций на основе катионоактивных и гидрофобизирующих реагентов, а также пероксида натрия и коллоидного силиката натрия.

• Показано влияние полиэлектролитных комплексов не только на облагораживание макулатурной массы, но и на показатели прочности бумаги из нее.

• Установлено влияние модифицированных неионогенными поверхностно-активными веществами наполнителей на процесс облагораживания макулатуры при роспуске, что выражается в увеличении белизны бумаги, снижении сорности при высоких показателях прочности и максимально возможном сохранении волокна и наполнителя.

На защиту выносятся:

• Основы технологии химического облагораживания вторичного волокна.

• Механизм облагораживающего действия неионогенных поверхностно-активных веществ.

• Использование в качестве облагораживающего реагента образцов мела, модифицированного полиэлектролитными комплексами.

• Механизм облагораживающего действия на вторичные волокна полиэлектролитных комплексов различного состава в сочетании с неионогенными поверхностно-активными веществами.

1. Литературный обзор

1.1. Бумажная макулатура: предпосылки использования, области применения, классификация, бумагообразующие свойства и способы их улучшения

В историческом плане использование бумажной макулатуры неразрывно связано с началом производства бумаги, так как образующийся при этом «сухой брак», возвращаемый в технологический поток, является ничем иным, как вторичным сырьем - макулатурой.

Помимо использования макулатуры в бумажно-картонном производстве существовал целенаправленный сбор и применение макулатуры в композициях, низкокачественных видах картона, и в меньшей степени в бумаге. Это обусловлено несколькими причинами [1]:

1) ресурсосбережением, так как примерно 50-60 кг макулатуры сохраняет от вырубки одно дерево, которое вырастает до деловой спелости в течение 50-80 лет;

2) экологическими проблемами, которые весьма актуальны при наличии труднораспускаемой, влагопрочной, битумированной, ламинированной полиэтиленом и другими покрытиями бумажной макулатуры. В природе такая макулатура будет разлагаться десятилетиями. Поэтому необходимость ее утилизации промышленными методами совершенно очевидна и необходима;

3) экономическая целесообразность является главной причиной использования макулатуры в бумажно-картонном производстве. Стоимость 1 т макулатуры в России колеблется в зависимости от марки в пределах 180-230 $, в то время как 1 т целлюлозы стоит 750-850 $; относительно низкой капиталоемкостью проектов новых предприятий, работающих на макулатуре, по сравнению с предприятиями, использующими первичное волокнистое сырье. Удельные капитальные затраты по созданию новых мощностей по переработке макулатуры составляют 250-350 тыс.долл./l т суточной мощности против 400-

500 тыс.долл. на 1 т в сутки для предприятий, работающих, например, на сульфатной целлюлозе;

4) простотой создания новых небольших предприятий, в частности, из-за более легкого согласования новых проектов с надзорными органами;

5) повышенным спросом на бумагу и картон из вторичного волокна из-за более низкой стоимости.

Последнее обстоятельство является тем стимулом, который заставляет бумажников изготовлять продукцию из макулатуры, так как прибыль от ее использования получает не производитель картона и даже тары из него, а потребитель более дешевой тары из тестлайнера [2].

Переработка макулатуры в современной мировой индустрии производства бумажно-картонной продукции представляет самостоятельное динамично развивающееся направление. Большее внимание этому уделяется и в России. Не случайно, только в 2009 г. в нашей стране прошли две международные научно-технические конференции в Подмосковье и Санкт-Петербурге [3, 4], а в 2010 г. вновь в Подмосковье [5-9]. Это обусловлено тем, что с ростом масштабов производства и потребления бумаги и картона увеличивается и доля макулатуры, что позволяет говорить о ней, как о волокнистом сырье XXI века. Повышение доли макулатуры, вовлекаемой в производство бумаги и картона, является одной из главных современных тенденций. Ожидается, что уже к 2012 году около половины волокон для производства бумажно-картонной продукции будет регенерироваться из макулатуры. Так, по оценкам экспертов, к 2010 году производство бумаги и картона в мире вырастет с 325 до 420 млн т, а это более 210 млн т потенциальных ресурсов вторичного волокна.

В нашей стране первым серьезным этапом в повышении доли использования макулатуры до 25 % от выпускаемой бумажно-картонной продукции произошло в 70-х годах прошлого века. Для этого провели ряд мероприятий по увеличению сбора макулатуры, в том числе и бытовой, путем выдачи за нее талонов на приобретение дефицитных в то время произведений

художественной литературы. Были построены базы для сортирования макулатуры, 16 фабрик для производства массовых видов картона (в основном коробочного) из 100 % макулатуры производительностью по