автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.03, диссертация на тему:Флотационное облагораживание газетной и писче-печатной макулатуры

Введение.

1. Обзор научно-технической и патентной литературы, посвященной использованию макулатуры при производстве бумаги.

1.1. Ретроспектива использования макулатуры.

1.2.Современное состояние использования макулатуры в мире.

1.3. Перспективы использования макулатуры в мире.

1.4. Анализ использования и организации сбора макулатуры в СССР до 1989 г.

1.5 Состояние технологий и оборудования переработки макулатуры в России.

1.6 Способы печати и характеристики печатных красок.

1.7 Проблемы переработки макулатуры для производства печатных видов бумаги.

1.8 Обзор работ по влиянию поверхностных явлений на флотацию типографской краски.

1.9 Обзор работ по видам флотационных установок.

1.10 Технологии переработки газетной макулатуры.

1.11 Выводы и постановка задачи.

2.Теоретические основы облагораживания макулатуры.

2.1. Общие положения.

2.2. Теоретические представления о процессе отрыва типографской краски от волокна.

2.2.1 Общие положения.

2.2.2 Механизм отделения частиц типографской краски от волокна.

2.3. Теоретические основы процесса флотации типографской краски из макулатуры.

2.3.1. Закономерности взаимодействия крупных частиц типографской краски с воздушными пузырьками.(с1>20 мкм ).

2.3.2. Закономерности флотации малых частиц краски (d<20 мкм ).

2.3.3 Роль дзета-потенциала в механизме отделения типографской краски от волокна.

2.3.3.1 Строение двойного электрического слоя.

2.4. Роль химикатов при облагораживании макулатуры.

2.5 Транспортная стадия процесса флотации частиц типографской краски.

2.6 Оптимизация числа каскадов (ступеней) флотационной установки.

3. Экспериментальные исследования флотационного облагораживания макулатуры.

3.1 Лабораторные исследования процесса флотации.

3.1.1. Оборудование и химикаты, используемые в эксперименте по облагораживанию.

3.2. Методики определения £ - потенциала.

3.2.1. Определение 'С, - потенциала частиц краски (электрофорез).

3.2.2. Определение £ - потенциала макулатурной массы (потенциал протекания).

3.2.2.1 Определение плотности волокна.

3.2.3 Определения С, - потенциала пузырька воздуха.

3.3. Методика определения краевого угла смачивания.

3.4. Определения размеров частиц типографской краски.

3.5. Методика определения размеров пузырьков.

3.6. Определение ККМ методом отрыва кольца.

3.7 Влияние длины углеводородной цепи ПАВ на облагораживание макулатуры.

3.8 Роль ПАВ при флотации частиц типографской краски малых размеров.

3.9. Серия 0.

3.10 Серия 1.

3.11 Серия 2.

3.12. Серия 3.

4. Анализ полученных результатов и их практическое применение.

4.1. Обсуждение результатов исследований.

4.2. Серия 2.:.

4.3 Серия 3.

4.4 Практическое применение результатов.

4.4.1 Расчет транспортной стадии флотации типографской краски.

4.4.2 Расчет взаимодействия частиц краски с воздушными пузырьками.

4.4.3 Расчет сил прилипания и сил отрыва крупных частиц краски и пузырька воздуха.

4.4.4 Определение числа каскадов флотационной установки.

4.5 Типовой технологический регламент облагораживания макулатуры.

4.6 Экономические преимущества процесса флотации.

Макулатура является ценным сырьем для целлюлозно-бумажной промышленности. Известно, что каждые 100 т макулатуры сохраняют 300-400 м древесины или около 1500 взрослых деревьев. По данным журнала [1]^ степень возврата макулатуры (количество макулатуры, регенерированной для повторного использования относительно количества потребляемой бумаги) составляет в Японии и на Тайване около 50%, в Германии свыше 35%, в Англии 60%, в США свыше 30%, в России - около 20% .

В США развитие производства товарной облагороженной макулатуры в период с 1994 по1999 гг. резко контрастирует со снижением темпов прироста мощностей по товарной целлюлозе. Ежегодный прирост производства облагороженной макулатуры составляет 25,6%, и мощности возрастут с 776 тыс. т. в 1994 г. до 1,7 тыс. т. в 1999 г.

По литературным данным [2]^ мировой уровень использования макулатуры поднялся с 40% в 1992 г. (в 42х обследованных станах) до 43% в 1994 г. Практически предел регенерации может быть около 50% .

Степень регенерации макулатуры зависит от следующих факторов:

Уровень жизни

Более высокому уровню жизни соответствует повышенный уровень потребления культурных видов бумаги (газеты, журналы, книги), а так^-же конторских бумаг, бумаг для компьютерных распечаток, рекламных материалов и других сортов, использование некоторых связанно с развитием торгово-промышленной деятельности.

Плотность населения

Сбор макулатуры на предприятиях торговли и промышленности, а так/же бытовой макулатуры проще и дешевле при более высокой плотности населения.

Общественная необходимость

Часть макулатуры регенерируют в силу социальных убеждений. Повторное использование макулатуры сохраняют леса .

На степень использования макулатуры влияет такхже уровень научных исследований, а так^же наличие техники и технологии ее переработки. В последнее время во всем мире ускоренными темпами совершенствуется технология удаления загрязнений из макулатуры, включая разработку оборудования, химикаты и производственный контроль. Эта технология связывает макулатуру с конечным продуктом.

Широкое использование макулатуры при производстве бумаги объясняется так/же причинами: меньшей энергоемкостью и трудоемкостью затрачиваемых на 1 т., более низкими затратами на охрану окружающей среды, значительно более низкими капитальными затратами на строительство новых предприятий. В то же время новые процессы обработки макулатуры дают макулатурную массу, сравнимую с целлюлозой из лиственной древесины по таким основным показателям, как разрывная длина, сопротивление раздиранию и про давливанию.

Одной из главных тенденций развития мировой целлюлозно-бумажной промышленности является расширение использования макулатуры в композиции бумаги. К 2005 году доля макулатурного волокна в производстве бумаги и картона возрастет до уровня свыше 40% за счет сокращения доли небеленой сульфатной, сульфитной целлюлозы и механической древесной массы. К 2000 году целлюлоза уступит свое доминирующее положение как источник волокнистого сырья для бумажно-картонного производства, макулатурной массе [3].

Во многих штатах США уже сейчас законодательным образом определяется уровень содержания вторичного волокна в композиции бумаги или вводится налог на производство бумаги, вырабатываемой исключительно из природного волокна.

Эта тенденция ускоренно реализуется в США, где в ближайшие годы планируется построить свыше 25 предприятий по переработке макулатуры общей мощностью свыше 2,5 млн. тонн товарной облагороженной макулатуры для газетной бумаги.

Анализ литературы и статистических данных показывает, что в России наиболее динамичная для всего мира тенденция увеличения использования макулатуры в композиции бумаги отсутствует. Макулатура используется только для производства низкосортных сортов картона и бумаги. Совершены® отсутствуют технологии и оборудование для облагораживания макулатуры как методом промывки, так и методом флотации. В то же время назрела необходимость более широкого и более квалифицированного использования макулатуры для производства газетной и книжно-журнальных видов бумаги, во-первых, потому, что цены на отечественные товарную целлюлозу и древесную массу уже превысили мировые цены, что делает бумагу из них не конкурентно-способной. Во-вторых, большое количество мелких и старых бумажных фабрик в центральной части России и на Урале позволит им «выжить» только при использовании дешевого местного сырья при производстве из него высококачественной продукции.

В то же время по статистическим данным [4], около 70% состава твердых бытовых отходов, вывозимых на свалки, приходится на бумагу, картон и бумажные изделия. При длительном хранении на свалках макулатуры, представляющей органические быстро разлагающиеся вещества, потенциально вероятно выделение и вымывание их из свалок поверхностными водами, которые, попадая в водоемы, отравляют их. Из таких отходов активно выделяются токсичные газы: БСЬ, N02, Н28, ЫН4, СО, СКЦ, что вызывает вторичные загрязнения приземного слоя воздуха. Территории свалок благоприятны для развития патогенных энтеробактерий и гельминтов.

Все это говорит о необходимости утилизации макулатуры в более крупных масштабах. Это не только снизит антропогенную нагрузку на природу, но и позволит получить дешевые бумажные изделия и сырье для производства печатных видов бумаги.

В настоящее время утилизируется только низкосортная макулатура в виде картонной тары и то не в полном объеме. Печатная макулатура (старые газеты и журналы, конторские бумаги, отходы типографий и различных издательств, рекламная продукция, писчая макулатура), составляющая больше половины всего объема, не собирается и не используется, загрязняя окружающую среду.

Облагораживание макулатуры в смысле очистки ее от типографских красок и чернил представляет в настоящее время особый интерес. Рассмотрение существующих за рубежом технических приемов облагораживания макулатуры позволяет разделить их на два основных подхода - промывание и флотация. Обе системы имеют одну и ту же первоначальную стадию - извлечение типографской краски из бумажной основы путем сочетания теплового, химического и механического воздействия в зависимости от характера связи между пигментом краски и бумажной основы.

Флотационный метод является одним из выдающихся достижений техники XX века. Этот метод основан на физических, физико-химических и химических явлениях, происходящих во флотационной пульпе. При этом решающее значение имеют поверхностные явления, происходящие вблизи поверхности раздела фаз, в результате которых образуются флотационные комплексы, состоящие из частиц и пузырьков.

Избирательное прикрепление частиц к воздушному пузырьку - это элементарный акт пенно-флотационного процесса.

Теория флотации, начиная с момента ее зарождения, значительно отстает от практики. Вначале общий уровень развития науки не позволял вскрыть физическую сущность явлений, происходящих при флотации, настолько полно и правильно, чтобы теория могла возглавить технический прогресс. С течением времени разрыв между теорией и практикой постепенно сокращался. Достижения науки и большое число работ в области теории флотации 9 позволили приступить к обобщению отдельных исследований, к подготовке создания общей теории флотации.

Практика флотации достигла больших успехов в обогащении полезных ископаемых, в том числе и труднообогатимых руд.

Особенностью данной работы является попытка использования накопленных наукой знаний в области флотации, для процесса разделения сложных композиций волокнистых суспензий, используемых в целлюлозно-бумажной промышленности и, в частности, применение ее для облагораживания макулатуры путем отделения типографской краски.

Общие выводы.

183

3. В работе впервые рассмотрен механизм флотации малых (безинерционных) частиц типографской краски на основе фундаментальных представлений коллоидной химии и, в частности, теории ДЛФО.

4. Предложен уточненный механизм отделения типографской краски от волокна.

5. Установлена решающая роль - потенциала суспензии при флотации малых частиц типографской краски.

6. Показана роль вспомогательных химических веществ, как регуляторов -потенциала.

7. Разработан эффективный способ определения количества и размеров пузырьков воздуха.

8. Предложена рациональная технологическая схема облагораживания макулатуры, обеспечивающая recycling.

9. Показаны экологические и экономические преимущества использования облагороженной макулатуры.

1. Целлюлоза бумага и картон, ВНИПИЭИлеспром-М., 1989,-Вып. И

2. Палп энд Пейлер Интернешенел, 1995,- №8;С14-16

3. НОУ ХАУ Уайр, 1995г№1г £4-6

4. The race to recycle "Paper". 1990, № 49. - p.34-36

5. Налл Д., (Co. Джекобе Сиррин Консалтантс, США) сравнение экономической привлекательности строительства предприятии, работающих на макулатуре и природном волокнистом сырье, Палн энд Пейпе, 1996-№7,-015-119.

6. Каванет Р., Повышение уровня сбора и использования макулатуры в США, ТАППИ, 1994. ,-№1г£ 12-13

7. Утела Э., Пеуро Ф.Я., Перспективы использования вторичного волокна и производства бумаги и картона, Ноу-хау уайер, 1990 №2 с.22-24

8. Палп энд Пейпер, 1990;№3,-с.29,31,222

9. Галин Р., Использование макулатуры в производстве различных видов печатной и писчей бумаги, Палп энд Пейпер, 1990-№3-0 98-200

10. Харрис Р. (ко.НЛК Консалтатс), Тенденции использования макулатуры в производстве бумаги, Юропиан Пейпермейкер, 1994 №2 -С.20-22 .

11. Пеурю Я., Современное состояние и перспективы использования макулатуры в мировом масштабе, Паперия пуу, 1993 №7--£453-455

12. Нильсон С., (Международный Институт Прикладного Анализа, Австрия) О возможности использования макулатуры для компенсации дефицита древесного сырья в Зап. Европе, Юропиен Пейпермейкер, 1995-№4,-^20-21.

13. Материалы ФАО 1993, 1994 гг., ф.Саймонс, 1994, и др.

14. Гетчинг JI., (Институт бумаги, Германия) Макулатура, как сырье бумажно -картонного производства и производства энергии, Папер я пуу, 1994'№8;£.479-484

15. Готчинг Л., (Технический Университет г. Дармшггадт, Германия) Современное состояние технологии облагораживания печатной макулатуры в Европе, Интернешенел Пейпермейкер, 1994,-№8 37-42

16. Агеев М. А. Агеев А. Я. Отходы в доходы // Журнал "Инновации'.'-№ 2-3, С. - Петербург, 1997

17. Шамко В. Е. Анализ использования макулатуры в СССР и за рубежом. Инф. Сб. отеч. произв. опыт. М.: ВНИПИЭИлеспром, 1989, - С. 28

18. Хойер Д. Производство картона, Лесная промышленность, М., 1977

19. Прайзер Р.Н., Prior, Paper Trade J. Ш № 15, 223-228, oct. 11., 1953

20. Лунабба П. и др. ко.СЦА График Рисерч, Швейцария. Влияние старения макулатуры на эффективность удаления типографской краски, Сборник докладов 5-й Международной конференции по новым технологиям в ЦБП, Стокгольм, Швеция, 4-7 июня 1996-том 1 ;С. 179-188.

21. Palp and Paper International (США), 1978, v.52, №12 p.125-130

22. Проблемы и тенденции в технологии переработки макулатуры. Экспресс-информация. - Зарубежный опыт. - М.: ВНИПИЭИлеспром, 1991. - с. 2-17 (целлюлоза, бумага, картон; Вып. 14).

23. Материалы симпозиума фирмы «Фойт», М., 1978.

24. Гаев Ф. Ф., Повышение эффективности флотационного облагораживания макулатурной массы на основе исследований реологических свойств. Автореферат на соискание уч. степ. канд. техн. наук, Ленинград, 1988

25. Hornteck К., Liphard М., Schreck В., Grenzflächenuntersuchungen und anwendugstechnische Prüfungen zur Drückfarben und Füllstoff - Flotation, Wochenblatt fiir Papierfabritation,-№21, 1990; C. 93 5-941.

26. Соковнин О. M. Флотационная очистка сточных вод с аномальнойвязкостью, автореферат на соискание уч. степ. д.т.н., Архангельск, 1998

27. Копылов В. А. Очистка сточных вод напорной флотацией,-М., Лесная промышленность, 1978, С. 95

28. Копылов В. А., Меньшикова Г. Ф. Очистка сточных вод производства типографской бумаги Целлюлоза, бумага, картон, 1975;№19-6*8-9.

29. Сотскова Т. 3., и др. // Химия и технология воды, 1981, Т.З №5 с. 396-399

30. Дерягин Б. В. // Успехи химии, 1979.-Т.48,-№4~ С. 675-721

31. Дерягин Б. В., Духин С. С., Рулев Н. Н. // Успехи химии, 1982.-Т.51-№1.< 92-118

32. Deijaguin B.V., Dukhin S.S. // Mineral Processing, Procedings of Thirteenth International Mineral Processing Congress, Warszawa, 1979, Amsterdam: Elsevier, 1981, p. 98-103

33. Maüjevie E. //Pure App. Chem. 1981. V.53, №11. p.2167-2179

34. Дерягин Б. В., Духин С. С., Рулев Н. Н. Микрофлотация: водоочистка, обогащение. М.: Химия, 1986. - 112 с.

35. Маккини Р. (ф. Файбер Рисеч Консалтантс, Великобритания). Роль флотации в переработке макулатуры. «Палп энд Пейпер Интернешенел», 1998, №6, с.45-48

36. Целлюлоза, бумага и картон. Производство обесцвеченной макулатурной массы. Обзорная информация вып. 10., М. 1980.

37. Материалы симпозиума фирмы «Фойт»-М., 1978

38. Проспект фирмы «Эшер-Висс».

39. Новая установка для обесцвечивания. Материалы фирмы «Свемак», 1978

40. Palp and Paper International,--№9., 1976

41. Edwin D. Healy. Deinking presents profitable alternatives.To different technologies discussed, «Palp Age» (США), 1982, 18, №11,18-20

42. Gilkey M. W., und Yoshida H., Eine neue Hochleistungs-Flotationseinrichtung, Wochenblat fur Papierfabrikation-№ 1 1994'£20-24

43. Пирсон Дж. Новое оборудование для облагораживания печатной макулатуры. «Палп энд Пейпер»? 1990-№3.-£ 80-83

44. Броерен Л. (Ко. Саймоне. Истерн, США) Развитие мощностей и технологии по облагораживанию типографской макулатуры «Палп энд Пейпер», 1990- №3-С 71-75.

45. Зиферт П. (вице-президент ф. Блэк Клаусон, США). Новое оборудование ф. Блэк Клаусон для облагораживания печатной макулатуры. «ТАППИ», 1994,~ №2,-^149-152

46. Renner К., Putz Н. J. und Göttsching L., Bestimmung sichtbarer schmutzartikel -Vergleich zwischen zwei Bildanalysesystemen, Das Papier, Heft 7, 1995

47. Herstellung von grafischen Papier aus 100% Altpapier. «Wochenblett fiir Papierfabrikation» 1991. V. 119, №2. S. 601-604

48. Verf Bhrens technik Deiking. WFP, 1991, №6, 183-187, 190.

49. Papiertechnische Stiftung fiir Forschung und Ausbildung in Papiererzeugung und Papierverarbeitung; «Grundlagen der Chemie für Papieringenieure»; Teil 1; Kapitel 3.4; 1991

50. Фридрихсберг Д. А. Курс коллоидной химии. JL: Химия, 1984. - 368 с.

51. Липатов С. М. Физико-химия коллоидов, Госхимиздат, М.:1948, 372 с.

52. Нейман Р. Э., Ляшенко О. А., Кирдеева А. П., Исследование устойчивости и коагуляции синтетических латексов // Коллоидный журнал. 1961. - Т.23. №6,--£732-738

53. Адамсон А. Физическая химия поверхности. М.: 1979. — 568 с.

54. Ferguson L. D., Deinking Chemistry, TAPPI Deinking Short Course, Abschnitt «Deinking Chemistry»; 1993

55. Borchhardt J. K., An introduetion to deinking Surfactants, TAPPI Recycling Symposium, 1993, Seite 131-151

56. Практикум по коллоидной химии, под ред. Неймана Р. Э., Высшая школа, М., 1972.-175 с.

57. Gerischer G. F. R., Sanderson R. D., The use of Zeta-Potential as a qualitative stability criterion for concentrated clay suspensions, Paperi ja Puu Papper och Trä, 1981, №.8, Seite 477-566

58. Агеев M. А., Бауэр О. Ю., Агеев А. Я. Особенности флотации мелких частиц типографской краски при облагораживании газетной макулатуры // Журнал Лесной весник №1, Издательство МГУЛ, 1999

59. Papiertechnische Stiftung für Forschung und Ausbildung in Papiererzeugung und Papierverarbeitung; «Grundlagen der Chemie für Papieringenieure»; Teil 1; Kapitel 1.1; 1991

60. Hornfeck K. Flotationshilsmittel und deren Einfhiss auf den Deinking-Prozess. Wochenblatt für Papierfabrikation. №15, 1982

61. Дерягин Б. В., Духин С .С., Рулев Н. Н., Микрофлотация., М. «Химия», 1986.

62. Фролов В. В., Химия. М.: Высшая школа, 1986.

63. Ребиндер П. А. Избранные труды, М.: Паука, 1978-1979 Т.1 и 2.

64. Дерягин Б.В., Духин С.С., Рулев H.H. Успехи химии, 1982 т.51, №1 с.92-118.

65. Deijaguin B.V., Dukhin S.S. // Mineral Processing. Procedings of Thirteenth International Mineral Processing Congress, Warszawa, 1979. Amsterdam: Elsevier, 1981. p. 98-103.

66. Deijaguin B.V., Dukhin S.S., Rulev N.N. // Surf. And Colloid Science N.Y. London: Wiley Inter Science V.14. p. 71-111.

67. Рулев H. Н., Духин С. С., Оптимизация гидродинамических параметров флотационных установок // Химия и технология воды, 1980, Т. 2, №3 с. 211-220

68. Фрумкин А. Н., Левин В. Г., О влиянии ПАВ на движение на границе жидких сред, журнал физич. химии, 1947. Т. 21-ßbin. 10

69. Козлов Б. К., Нологин М. А., О скорости подъема и о гидравлическом сопротивлении газовоздушных пузырей в жидкости, Известия АНСССР, ОТН, 1951, №8

70. Рулев H. H., Эффективность захвата частиц пузырьком при безинерционной флотации, Коллоида. Журнал, 1978-40, №45

71. Clarke Ann N., Wilson D. J. Foam Flotation. New York. Basel. Morcel Decker. 1983.418 р.

72. Рулев H. H., Горшков В. П. Роль перемешивания пульпы в работе флотатора непрерывного действия и пути повышения его производительности // Химия и технология воды, 1990,-Т. 2-№5,<395-402

73. Бауэр О. Ю., Агеев М. А., Санников С. П., Агеев А. Я. Исследование коллоидно-химических свойств парафиновой дисперсии // Лесной журнал №6 -Архангельск, 1999

74. Григоров О. Н., Карпов И. Ф., Козьмина 3. П., Тихомолова К. П., Фридрихсберг Д. А., Чернобережский Ю. М., Руководство к практическим работам по коллоидной химии. М. - Л.: Химия. - 1964. — 331 с.

75. Mikromeritics Instrument Corporation in Norcross, Georgia, USA; Handbuch fur den «Zeta Potential Analyser Model 1202 mit der Seriennummer 589»; Kapitel III: «Theory».о

76. Roberts J. С., Paper Chemistry, Kapitel 3, Seite 39-43, Chapman and Hall, New York; 1991.

77. Агеев M. А., Бауэр О. Ю., Еремеева Н. Механизм флотации типографской краски // IX Всероссийская студенческая научная конференция «Проблемы теоретической и экспериментальной химии», Екатеринбург, 1999, Тез.докл.

78. Москвитин Н. И., Физико-химические основы процессов склеивания и прилипания. М.: Лесная промышленность. — 1974. - 190 с.

79. А. С. 999421 (СССР). АДС анализатор дисперсного состава./ Дрикер Б. Н., Костромитин А. Л., Ремпель С. И./ опубл. в Б. И. 1982, №24.

80. Баранова В. И., Бибик Е. Е., Кожевникова H. М., и др., Практикум по коллоидной химии, М.: Высшая школа. 1983. - 215 с.

81. Mikromeritics Instrument Corporation in Norcross, Georgia, USA; «Kaolinite Referenz Material», Part Number 004-16824-00; Begleitschreiben.bedrucktem Altpapier im Flotations Deinking - Verfahren»; PTS-RH 010/87; Januar 1987.

82. Ефремов И.Ф. Периодические коллоидные структуры. -JL: Химия,- 1971, 190 с.

83. Агеев М. А. Технология облагораживания макулатуры // Выставка и семинар «Производство целлюлозы, бумажных, бумагоподобных материалов и изделий», Екатеринбург, 1996, Тез.докл.

84. Агеев М. А. Исследование и разработка технологии и расчет оборудования для производства литых бумажных изделий на основе макулатуры // Тез. докл. Областной конкурс научно-исследовательских работ студентов вузов, Екатеринбург, 1996

85. Huddieston R.W., Smith A.L., Electric charge at the air solution interface. -Intern. Confer. Soc. Of Chemical Industry, 8-10 Brunal University, 1975, Preprint, p. 147-160

86. Агеев M.А., Бауэр О.Ю., Еремеева H.H. Механизм флотации типографской краски // Журнал Лесной Вестник №6, Издательство МГУЛ, 1999