автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.03, диссертация на тему:Коагуляционные и гетерокоагуляционные процессы в водной системе микрокристаллическая целлюлоза - диоксид титана - титанилсульфат

На правах рукописи

ИЗМАЙЛОВА НАДЕЖДА ЛЕОНИДОВНА

КОАГУЛЯЦИОННЫЕ И ГЕТЕРОКОАГУЛЯЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ В ВОДНОЙ СИСТЕМЕ МИКРОКРИСТАЛЛИЧЕСКАЯ ЦЕЛЛЮЛОЗА - ДИОКСИД ТИТАНА - ТИТАНИЛСУЛЬФАТ

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

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

28 НОЯ 2013

005541223

Санкт-Петербург-2013

005541223

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный технологический университет растительных полимеров» на кафедре охраны окружающей среды и рационального использования природных ресурсов

Научный руководитель: кандидат химических наук, доцент

Лоренцсон Александр Валентинович

Официальные оппоненты: доктор химических наук, профессор

Сухов Дмитрий Александрович

доктор химических наук, профессор Голикова Евгения Викторовна

Ведущая организация: Санкт-Петербургский государственный

лесотехнический университет имени С.М. Кирова

Защита диссертации состоится декабря 2013 года в ~Н часов на заседании диссертационного совета Д 212.231.01 при ФГБОУ ВПО Санкт-Петербургском государственном технологическом университете растительных полимеров по адресу: 198095, г. Санкт-Петербург, ул. Ивана Черных, 4.

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

Автореферат разослан « ли ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, »

доктор технических наук 0/іл/дх^ее/ Махотина Л. Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Бумага представляет собой сложный композиционный материал, который помимо целлюлозы включает наполнители и проклеивающие вещества. На всех этапах формирования бумажного полотна происходят различные физико-химические процессы, а сама бумажная масса представляет собой сложную коллоидную систему.

В качестве наполнителей бумажной массы применяют следующие ' минеральные соединения - каолин, карбонат кальция, диоксид титана и др придающие бумаге необходимые оптические, печатные и физико-механические свойства. Применение минеральных наполнителей имеет также и экономическое значение, так как позволяет заменить часть волокна более дешёвым минеральным материалом.

Минеральные наполнители, вводимые в бумажную массу не полностью удерживаются в бумаге. Если не принять соответствующих' мер то провал наполнителя в подсеточную воду увеличится. При надлежащей организации технологического процесса степень удержания наполнителя в бумаге составляет 70-80 %.

Одним из условий конкурентоспособности производства бумаги является рациональное использование водных ресурсов. Для этого на предприятиях формируют оборотные системы водоснабжения Это существенно снижает потребление свежей воды, уменьшает потери волокна и наполнителей. Однако для поддержания требуемого качества оборотных вод их следует подвергать локальной физико-химической очистке. При очистке этих сточных вод применяют в качестве коагулянта соли алюминия которые образуют сильно обводненные и трудно фильтруемые осадки а также приводят загрязнению воды алюминием. В последние годы появились публикации об использовании при очистке воды коагулянтов на основе солей Т! (IV), которые обладают рядом преимуществ в процессах водоочистки и водоподготовки по сравнению с солями алюминия.

В настоящее время проводится много исследований, направленных на получение модифицированных наполнителей на основе целлюлозных материалов, которые впоследствии могут использоваться для изготовления различных видов бумаги. Введение таких комплексных наполнителей позволяет увеличить степень удержания компонентов, непрозрачность, воздухопроницаемость и другие показатели качества бумаги. Таким образом,' определение возможности использования плакированных неволокнистых производных целлюлозы при производстве бумаги является актуальным направлением соответствующим современным тенденциям развития технологии бумажного производства.

В связи с этим исследование коагуляционных и гетерокоагуляционных процессов в системе содержащей микрокристаллическую целлюлозу (МКЦ) наполнитель (диоксид титана), коагулянт (титанилсульфат) представляет значительный интерес для решения как фундаментальных, так и прикладных

задач, связанных с совершенствованием технологии бумажного производства и охраной окружающей среды.

Целью работы являлось получение информации о коагуляционных и гетерокоагуляционных взаимодействиях компонентов в водной системе МКЦ-диоксид титана-титанилсульфат для нахождения оптимальных условий (рН, концентрации компонентов) их использования.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

- изучены зависимости электроповерхностных свойств (плотность поверхностного заряда, £ - потенциал) отдельных компонентов (МКЦ ТЮ2) от рН и концентрации коагулянта ТЮ804;

- изучен процесс гидролиза '11080, и электроповерхностные свойства образующихся продуктов (ПГТ);

- изучены зависимости агрегации частиц отдельных компонентов (МКЦ, ТЮ2) от рН и концентрации коагулянта ТЮ804;

- изучены зависимости агрегации частиц в смеси компонентов МКЦ и ТЮ2 от рН и концентрации коагулянта ТЮ804;

- выбраны оптимальные условия максимальной агрегации компонентов смеси;

- изучено влияние условий формирования композиций, содержащих частицы МКЦ и ТЮ2, а также их смеси в присутствии ТЮ804 на их фильтрационные свойства (скорость фильтрования, удержание);

- изучено удержание ТЮ2 в волокнистой массе в отсутствие и при введении титанилсульфата;

- изучено удержание ТЮ2 при введении в волокнистую массу комплексного наполнителя МКЦ- ТЮ2-ПГТ;

- исследованы физико-механические свойства отливок.

Научная новизна.

В ходе проведенного исследования впервые:

- изучены закономерности коагуляционного и гетерокоагуляционного взаимодействия частиц микрокристаллической целлюлозы и ТЮ2 в присутствии ТЮБО.,;

установлены оптимальные условия (рН, концентрации) гетерокоагуляционного выделения МКЦ, ТЮ2 и их смеси в присутствии ТЮ804;

- получены отливки с использованием композиционного наполнителя МКЦ-ТЮ2-ПГТ и исследованы их основные физико-механические показатели качества.

Практическая значимость работы.

Полученные данные могут быть использованы при разработке технологических решений для увеличения удержания наполнителя (ТЮ2), мелкого волокна и др. химикатов в мокрой части бумагоделательной машины. Это позволит решить не только технологические задачи бумажного производства но, и экологические вопросы, связанные с уменьшением загрязнения окружающей среды.

На защиту выносятся:

- механизмы коагуляционных и гетерокоагуляционных процессов в водной системе МКЦ -диоксид титана - титанилсульфат;

-оптимальные условия (рН, концентрации) использования титанилсульфата в качестве коагулянта;

- получение плакированных неволокнистых производных целлюлозы диоксидом титана с помощью титанилсульфата.

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на международных и всероссийских конференциях: XVI Международной экологической студенческой конференции (МЭСК) - 2011 «Экология России и сопредельных территорий» Новосибирск, 28-31 октября 2011- VI Всероссийской конференции молодых ученых, аспирантов и студентов с международным участием «Менделеев - 2012», Санкт-Петербург, 3-6 апреля УП МеждУ11аР0ДН0Й экологической студенческой конференции (МЭСК) - 2012 «Экология России и сопредельных территорий» Новосибирск, 26-29 апреля 2012; III Всероссийской конференции молодых ученых «Биоразнообразие: глобальные и региональные процессы», г. Улан-Удэ, 16-21 сентября 2013. Награждена дипломом участника студенческого конкурса РАР-РОЯ на XII международной выставке и деловом форуме по целлюлозно-бумажной, лесной, перерабатывающей, упаковочной промышленности и отрасли санитарно-гигиенических видов бумаг Санкт-Петербург, 30 октября-2 ноября 2012 г.

Публикации. Основные результаты исследования изложены в 9 публикациях (3 статьи опубликованы в журналах, рекомендованных ВАК 1 в зарубежном журнале и 5 тезисов докладов).

Структура и объем работы. Диссертация включает следующие разделы: введение, обзор литературы, методическую часть, результаты экспериментов и их обсуждение, выводы, список использованной литературы из 225 наименований. Общий объем диссертации - 189 страниц 77 рисунков, 8 таблиц и 2 приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследования, сформулированы цели и задачи диссертационной работы, ее научная новизна и практическая значимость.

В первом разделе «Обзор литературы» проанализированы современные тенденции в технологии бумаги. Проведен анализ существующих видов наполнителей и удерживающих агентов, а также систем на их основе, применяемых в целлюлозно-бумажной промышленности. Рассмотрены результаты современных исследований направленных на повышение степени удержания наполнителя на волокнах.' Приведена информация о коллоидно-химических свойствах объектов исследований (МКЦ и ТЮ2). Рассмотрены представления о гидролизе солей титана и алюминия.

Во втором разделе «Методическая часть» приведены основные характеристики объектов исследования: хлопковой микрокристаллической целлюлозы, диоксида титана и титанилсульфага (ТЮ804-2Н20). В работе применены следующие методы исследования:

• Спектрофотометрия

• Потенциометрия

• Кондуктометрия

• Микроэлектрофорез

• Фильтрационный анализ

• Физико-механические методы определения качества бумаги

• Сканирующая электронная микроскопия (СЭМ)

• Энергодисперсионный рентгеновский микроанализ (ЭРМ)

Методом спектрофотометрии исследовали агрегативную и седиментационную устойчивость систем при помощи определения изменения оптической плотности (О) растворов во времени с использованием сканирующего спектрофотометра ЬЕК1 БбЗиУ при длине волны 540 нм в течение 60 мин. В основу данной части работы был положен метод «мгновенного смешения», предложенный Матиевичем для изучения процессов гидролиза солей в водных растворах и коагуляции золей.

Величину разности адсорбции ОН" и Н+ ионов (Г01Г . н+) определяли методом непрерывного обратного кислотно-основного потенциометри-ческого титрования.

Методом кондуктометрического титрования исследован процесс гидролиза 'ПОЭО,. Значения рН исследуемой системы определяли при помощи рН-метра «рН-410» с комбинированным измерительным электродом ЭСЛК-01.7. Электропроводность раствора измеряли с помощью Мультитеста КСЛ-101.

Процесс фильтрования исследовали на модельных системах, которые пропускали через бумажный фильтр (фильтры обеззоленные белая лента ТУ 6-09-1678-86, диаметр фильтра 12,5 см, размер пор 4-Н2 мкм). Оценивались степень удержания и скорость обезвоживания дисперсий отдельных компонентов, состоящих из частиц МКЦ и наполнителя (ТЮ2), и их композиций при введении коагулянта в широком диапазоне рН и концентрации электролита.

Изготовление отливок для проведения физико-механических испытаний проводилось по стандартной методике согласно ГОСТ 14363.4-89 «Целлюлоза. Метод подготовки проб к физико-механическим испытаниям». Приготовление модельной бумажной массы проводили на основании данных о массе 1 м , площади отливки, промоя, влажности, удержания наполнителя. рН бумажной массы находился в диапазоне 4-5.

Для определения показателей качества отливок (массы 1 м2, толщины, прочности при растяжении, белизны, непрозрачности, воздухопроницаемости) использовались следующие приборы:

- Вертикальная разрывная машина «HOUNSFIELD»

- Толщиномер индикаторный со следующими параметрами: площадь контакта (200±10) мм2, давление измерительной пяты (100±5) кПа, скорость опускания измерительной пяты (5±1) мм/с;

- Прибор для определения шероховатости и пористости по методу Бендтсена.

- Прибор Эльрефо. С помощью этого прибора можно измерить яркость, цвет, непрозрачность и белизну бумаги, картона целлюлозы, покрытий и наполнителей.

Зольность отливок определяли в соответствии с ГОСТ 7629-93.

Электронно-микроскопические исследования проводились на сканирующем электронном микроскопе Supra 55 VP фирмы Carl Zeiss (Германия), 2010 г. Спектры сняты с помощью INCA Energy SEM - системы энергодисперсионного рентгеновского микроанализа (EDX) фирмы Oxford Instruments NanoAnalysis (Великобритания, 2010 г.): SDD детектор Х-Мах с активной площадью 80 мм2 (диапазон элементов Be-U). Напыление проводили с помощью системы для высоковакуумного напыления образцов ' металлами (Pt, Au, Сг) и углеродом серии Q150T ES фирмы Quorum Technologies (Великобритания), 2010 г.

В третьем разделе «Результаты экспериментов и их обсуждение» приведены и обсуждаются результаты исследований электроповерхностных свойств, агрегативной и седиментационной устойчивости, фильтрации суспензий хлопковой микрокристаллической целлюлозы и ТЮ2 и их смесей в водных растворах электролитов H2S04, NaOH, Na2SO„, Ti0S04, A12(S04)3 в широком диапазоне их концентраций и рН, а также исследований по получению отливок с использованием комплексного наполнителя МКЦ-Ti02-Ti0S04 и проведения испытаний их физико-механических свойств.

На рис.1, представлена зависимость электрокинетического потенциала частиц компонентов от рН системы в отсутствие фонового электролита, из которого видно, что изоэлектрическая точка (ИЭТ) (£=0) частиц МКЦ (кривая 1) в отсутствие фонового электролита находится при рН 2.2. При рН > рНиэт наблюдается рост отрицательного значения ^-потенциала (при рН ~ 6 составляет - 40 мВ), связанный с увеличением степени диссоциации кислотных групп на поверхности частиц МКЦ.

Для частиц ТЮ2 рНЮт=4 (кривая 2). При рН<рНиэт, частицы ТЮ2 имеют небольшой положительный потенциал (+ 8 мВ), при рН>рНИэт, они заряжены отрицательно, и чем больше рН смещается в щелочную область, тем выше ^-потенциал частиц. Увеличение отрицательного значения С,-потенциала связано с возникновением на поверхности диоксида титана поверхностной группы - Ti - 0"(5) вследствие диссоциации гидроксильной группы и перехода ионов водорода Н+ в жидкую объемную фазу.

Изоэлектрическая точка для продуктов гидролиза титанилсульфата находится при рН=5,5 (кривая 3). При смещении в щелочную область рН частицы ПГТ имеют высокий отрицательный потенциал (-105 мВ при рН=7),

который может быть обусловлен наличием значительного количества 804"2 -ионов входящих в структуру ПГТ.

Зависимость разницы адсорбции ОН" и Н+ ионов ( Г0ц". ц+ ) для частиц МКЦ и ТЮ2 от рН при различных концентрациях электролита - Кта2804 представлена на рис. 2, 3. Точка нулевого заряда (рНТНз) для частиц МКЦ и ТЮ2 составляет рН 5,6 и 5,2 соответственно. Различие в положениях рНгаз и рНиэт, Для данных объектов объясняется специфической адсорбцией анионов 804" на частицах. При введении фонового электролита (Ыа2804) с концентрацией 10"2 М рНтш частиц МКЦ смещается в более кислую область (рН 4,0), а величина ДГ возрастает (рис. 2, кривые 2,3,4). Увеличение концентрации №2804 до 3-Ю"2 и 10"' М приводит к дальнейшему росту величины ДГ, однако к более сильному смещению рНтнз не приводит. Непрерывный рост плотности отрицательного заряда, по мере увеличения рН, связан с увеличением степени диссоциации кислотных групп на поверхности частиц МКЦ. При рН=6 эти группы диссоциированы практически полностью. Дальнейшее увеличение плотности отрицательного заряда при рН>8, связано с началом диссоциации ОН-группы при атоме углерода С2 глюкопиранозного звена молекулы целлюлозы.

Та же тенденция наблюдается для дисперсии ТЮ2 при введении ИагБО.) (рис. 3., кривые 2,3,4), рНщз при этом так же смещается в кислую область с 5,2 до 4,6. Увеличение плотности отрицательного заряда при увеличении рН, а также при увеличении концентрации электролита, связано с возникновением на поверхности диоксида титана поверхностной группы -Т1 - 0"(5) -, вследствие диссоциации гидроксилыюй группы и перехода ионов водорода Н+в жидкую объемную фазу. Смещение ТНЗ в более кислую область рН при введении электролита в систему, а также то, что величина адсорбции не становится отрицательной, связано со специфической адсорбцией ионов Ыа+ на частицах МКЦ и ТЮ2 (рис. 2, 3).

На рис. 4 приведены ряд зависимостей оптической плотности (Б) дисперсий МКЦ и 'П02 от времени, характеризующих агрегативную и седиментационную устойчивость исследуемой системы при различных значениях рН. Видно, что во всем исследованном диапазоне рН суспензия МКЦ является седиментационно неустойчивой, о чем свидетельствует снижение оптической плотности системы во времени (кривые 1,2,3). Суспензия ТЮ2 характеризуется значительно более высокой седиментационной устойчивостью (кривые 1*,2*,3*). Наибольшей агрегативной и седиментационной устойчивостью суспензии МКЦ и ТЮ2 обладают при рН=9,0; наименьшей - при рН=1,3. Это согласуется с данными по -потенциалу для частиц МКЦ и ТЮ2 (рис.1., кривая 1,2).

При рН<рНИэг -потенциал частиц МКЦ равен нулю и, следовательно, энергия отталкивания частиц также равна нулю. Частицы ТЮ2 при рН<рНИЭт заряжены положительно, значения

Рис. 1. Зависимость С,-потенциала от рН для: 1 -МКЦ;2-ТЮ2;3-ПГТ

0,035 -|

Рис.2. Зависимость разиицы адсорбции ОН" и Н+ ионов (Г он - и+ ), частицами МКЦ от рН при различных концентрациях электролита - Ма2804 (моль/л): 0 (1); 10"2 (2); 3-10"2 (3); 10"'(4)

-0,005 л

Рис. 3. Зависимость разницы адсорбции ОН" и Н+ ионов (Г он -н+), частицами ТЮг от рН при различных концентрациях электролита - Ыа2504 (моль/л): 0 (1); 10"2 (2); 3-10"2 (3); 10"'(4)

0,24-1

9. 0,2

о

о 0,16

А

; Рис.4. Зависимость

1* ! изменения

2* ! оптической

з* I плотности водных

о 0,08 -у

о

С 0,12-

дисперсий МКЦ и ТЮ2* от времени при различных значениях рН:

о 0,04 ■

5

: 9,0 (1,1*); I : 6,3 (2,2*); з : 1.3(3,3*)

о

о

1000

2000

3000 Время,с

£ -потенциала не превышают +10 мВ, следовательно, коагуляция частиц ТЮ2 в этом интервале возможна. При рН=9,0 частицы обоих компонентов имеют высокий отрицательный потенциал, в связи с этим возрастает роль ионно-электростатической составляющей энергии взаимодействия, приводящей к увеличению устойчивости систем.

На рис. 6. представлена зависимость разницы оптических плотностей от времени О-Б0=£ (I), где О - оптическая плотность смеси «МКЦ-ТЮ2» с коагулянтом - - оптическая плотность исходной бинарной

системы «МКЦ-ТЮ2», из которого следует, что при рН=2,3 (кривая 1) разница оптических плотностей вначале имеет отрицательное значение и спустя 1=100 с становиться положительной, достигая значения 0-0и=0,03 и далее не меняется во времени, что свидетельствует об образовании седиментационно устойчивой фазы, состоящей из мелких частиц ПГТ. С увеличением рН (кривая 2), этот эффект становиться более явным, значение разницы оптических плотностей достигает 0-00=0,062. При дальнейшем увеличении рН=4,5 (кривая 3) разница оптических плотностей вначале также имеет отрицательное значение, стремится к нулю 1=1700 с. Начиная с Р- 1700с, наблюдается снижение величины О-О0= - 0,065. Это свидетельствует о коагуляционном выделении бинарной смеси. При рН=5 и рН=6,0 (кривая 4,5) этот процесс протекает более интенсивно. Образуются более крупные агрегаты, о чем свидетельствует более быстрое их осаждение. Максимум потери агрегативной устойчивости (П-О0= - 0,11) наблюдается при рН= 6,0, близким к рН,от ПГТ (рис.1., кривая 3).

Отсутствие коагуляционного выделения в кислой области рН<4,0 связано с тем, что частицы ПГТ и ТЮ2 положительно заряжены, а частицы МКЦ практически не имеют заряда. В области 6,0>рН>4,5 происходит гетерокоагуляция, выделение бинарной смеси «МКЦ-ТЮ2» частицами ПГТ, так как частицы МКЦ и ТЮ2 отрицательно заряжены, а ПГТ имеют слабый положительный заряд.

0,08 т

2

Рис.6. Зависимости разности оптических плотностей водной дисперсии МКЦ-ТЮ2 с коагулянтом

ТЮ804(10"4М)(0)и без (Бо) от времени при различных

значениях рН:2,3(1); 3,0 (2); 4,5 (3); 5,0 (4); 6,0 (5); 8,0 (6)

-0,12

При увеличении концентрации ТЮ804 10'3 и 3-10"3 М наблюдавшаяся ранее тенденция сохраняется, однако эффекты более выражены.

На рис.7, приведены зависимости оптической плотности (Б) композиций МКЦ-ТЮг без и с добавкой коагулянтов от рН, измеренные спустя 60 мин после приготовления растворов. Представленные результаты сравнения влияния традиционно используемого коагулянта - сульфата алюминия с титанилсульфатом и их смесью - композиционным коагулянтом, показали, что наибольшая эффективность гетерокоагуляционного выделения при введении титанилсульфата (кривая 2) в смесь МКЦ-ТЮг наблюдается при рН 4,5-6. При введении АЦБО^з (кривая 3) система теряет свою устойчивость в диапазоне рН=5+9, однако эффективность выделения сульфатом алюминия ниже, чем титанилсульфатом. Рабочий диапазон композиционного коагулянта (кривая 4) лежит в области рН 4-8 и эффективность его выше, чем отдельных коагулянтов.

Наблюдаемое усиление коагулирующего действия КК по сравнению с отдельными коагулянтами ТЮ804 и АЬ^О^з обусловлено одновременным прохождением нескольких гетерокоагуляционных процессов в образующейся многокомпонентной дисперсной системе, содержащей отрицательно заряженные частицы МКЦ, ТЮ2 и положительно заряженные продукты гидролиза солей титана и алюминия.

При увеличении концентрации композиционного коагулянта до 10"3 М эффективность коагуляционного выделения бинарной смеси немного снижается, но расширяется диапазон рН действия данного коагулянта рН=3-

Для подтверждения выше приведенных результатов были проведены эксперименты по фильтрации исследуемых дисперсий. Результаты представлены в таблице 1, из которой видно, что при фильтрации дисперсии МКЦ удержание составляет 99,2 %, а скорость фильтрации - 0,138 мл/с. В отличие от дисперсии МКЦ, фильтрация дисперсии ТЮ2 происходит

9,5.

0,4

0,3

0,2-

0,1

Рис.7. Зависимость оптической плотности О композиций от рН:

1-МКЦ-ТЮ2;

2-МКЦ-ТЮ2-ТЮ804;

3-МКЦ-ТЮ2-А12(804)з

4-МКЦ-ТЮ2-КК при концентрации коагулянтов 10"4М

10 РН 12

быстрее (0,19 мл/с). Также уменьшается первичное удержание дисперсии (38 %). Различие в первичном удержании и скорости фильтрации дисперсий МКЦ и ТЮ2 объясняется различными размерами их частиц.

При фильтрации смеси МКЦ-ТЮ2 удержание составило 79,3 %, скорость фильтрации немного больше (0,142 мл/с), чем при фильтрации дисперсии МКЦ. При сопоставлении результатов по фильтрации отдельных дисперсий МКЦ и ТЮ2 первичное удержание при условии аддитивности должно было бы составить 72 % (см. табл.1). Разница полученных результатов по эксперименту и рассчитанных «теоретических» (аддитивных) значений объясняется взаимодействием компонентов.

Аналогичные эксперименты были проведены для смеси МКЦ-ТЮ2 с коагулянтом - Т10Б04 концентрацией 10"4 М при мгновенном фильтровании после сливания растворов и при перемешивании системы в течение определенного времени (1 минута). Из табл. видно, что удержание системы

Таблица 1. Результаты фильтрационного анализа (рН=4-5),

Суспензия Эо Оф Лэ, % рН £(ПО)а Ад, % Взаимодействие Скорость фильтрации, мл/с

МКЦ 0,240 0,002 99,2 4,4-4,7 0,138

ТЮ2 0,194 0,120 38,0 4,2-4,8 0,190

мкц+тю2 0,430 0,089 79,3 4,2-4,3 0,430 0,122 72,0 7,3 0,142

МКЦ+ТЮг+ТЮвО, (10-4 М) 0,427 0,008 98,1 4,5 0,443 0,122 72,5 26,5 0,098

МКЦ+ТЮ2+ТЮ804 10-4 М (1 мин) 0,272 0,001 99,6 4,4-4,6 0,445 0,122 27,4 72,2 0,136

МКЦ-ТЮ2 при введении ТЮ804 значительно увеличивается (98,1%). Высокое удержание в диапазоне рН 4-5 связано с тем, что частицы МКЦ и ТЮ2 заряжены отрицательно, а ПГТ - положительно (рис.1.- кривые 1,2,3).

При перемешивании компонентов (1 мин) увеличивается удержание (99,6%) и скорость фильтрации (0,136 мл/с). Это связано с тем, что перемешивание способствует значительному увеличению взаимодействия между компонентами (с 26,5 до 72,2 %).

Для проверки возможности применения ТЮ804 в качестве коагулянта, а также для выработки рекомендаций по его применению проведено исследование его влияния на физико-механические свойства бумаги. Были изготовлены отливки и изучены их физико-механические характеристики (табл. 2).

Из таблицы 2. видно, что при добавлении наполнителя (ТЮ2) в композицию № 1, прочность при растяжении уменьшается вдвое (композиция № 2), это связано с тем, что при введении минерального наполнителя происходит ослабление межволоконных связей. Воздухопроницаемость при этом не изменилась, но значительно возросла белизна и непрозрачность. При введении в композицию № 2 частиц МКЦ (композиция № 3), значительно возрастает воздухопроницаемость, остальные показатели немного уменьшились.

Таблица 2. Основные физико-механические характеристики отливок

№ Композиции Золь- Удер- Прочность Воздухо- Белиз- Непроз-

п/ ность, жа- при растя- проницае- на, рач-

її % ние, жении, мость, по КО ность,

% кН/м Бендтсену мл/мин % %

1 Целлюлоза - - 3,06 1400 71,43 92,60

2 Целлюлоза/ТЮг 25 47,6 1,67 1400 80,00 99,19

3 Целлюлоза/ТЮ2/МКЦ 22 43,7 1,55 1800 79,22 99,18

4 Целлюлоза/Ті02/ МКЦ/ТІ0804 22 72,2 1,94 1500 77,14 99,24

Увеличение воздухопроницаемости связано с тем, что частицы МКЦ внедряясь между волокнами, увеличивают пористость полотна. При этом происходит уменьшение степени удержания, частиц ТЮ2. При введении в композицию № 3 комплексного наполнителя, полученного путем закрепления ТЮ2 на поверхности частиц МКЦ с помощью титанилсульфата (композиция № 4), происходит увеличение степени удержания ТЮ2) значительно возрастает прочность, но уменьшается воздухопроницаемость. Это связано с образованием более плотной структуры отливки. Введение комплексного наполнителя позволило получить высокие показатели по удержанию, прочности и непрозрачности отливки.

Структура отливок, а также поверхностный состав были дополнительно исследованы методом СЭМ и ЭРМ.

В результате выполнения работы получены новые знания о механизмах коагуляции и гетерокоагуляции водных дисперсий МКЦ и ТЮ2, а также их смесей в присутствии коагулянта на основе соли титана - ТЮ804. Разработаны представления о взаимосвязи агрегативной устойчивости

исследованных дисперсий в водных растворах электролитов с их электроповерхностными свойствами. Показано, что оптимальный диапазон рН, при котором происходит максимальное гетерокоагуляционное взаимодействие между исследованными компонентами, является рН=4-5. В данной области рН также наблюдается максимальное удержание компонентов и оптимальное обезвоживание. Показана возможность применения комплексного наполнителя, представляющего собой плакированные ТЮ2 на не волокнистых производных целлюлозы, что в настоящий момент времени является актуальным направлением в ЦБП. Также показано, что титанилсульфат может быть использован в качестве коагулянта для локальной очистки сточных вод бумажного производства.

ВЫВОДЫ

Проведенные методами микроэлектрофореза, потенциометрии, кондуктометрии, фотометрии, фильтрационного анализа исследования электроповерхностных свойств, агрегативной и седиментационной устойчивости суспензий хлопковой микрокристаллической целлюлозы (МКЦ) и ТЮ2 в водных растворах электролитов Н2804, ЫаОН, №2804, ТЮ804, А12(804)з в широком диапазоне их концентраций и рН, а также исследования по получению отливок с использованием комплексного наполнителя и испытания полученных отливок, позволили сделать следующие выводы:

1. Изоэлектрическая точка (рНИэт) Для частиц исследованных образцов хлопковой микрокристаллической целлюлозы (МКЦ) и ТЮ2 в отсутствие фонового электролита находится при рН = 2.2 и рН= 4.0, а точка нулевого заряда рНунз при рН = 5.6 и рН = 5.2, соответственно. При рН<рНиэт перезарядки частиц МКЦ не происходит.

2. Выделение дисперсной фазы ПГТ начинается при рН>1,8. Наиболее крупные, быстрооседающие частицы продуктов гидролиза (ПГТ) образуются в области рН 4-5 для концентрации ТЮ804 1-Ю"4 М и в области рН 3-5 при концентрациях 1-10 3М и З-Ю"3 М. рНиэт ПГТ соответствует рН 5,5.

3. Во всем исследованном диапазоне рН суспензия МКЦ является седиментационно неустойчивой, о чем свидетельствует снижение оптической плотности системы во времени, тогда как суспензия ТЮ2 характеризуется значительно более высокой седиментационной устойчивостью. Во всех случаях наблюдается влияние рН на устойчивость системы. Наибольшая потеря седиментационной устойчивости водных суспензий МКЦ, ТЮ2 и их смесей, наблюдается в области рН 1,3, которая обусловлена процессами коагуляции частиц МКЦ, ТЮ2 , а также гетерокоагуляции частиц МКЦ и ТЮ2 в их смеси.

4. Титанилсульфат оказывает значительное влияние на устойчивость дисперсий МКЦ, ТЮ2 и их смеси. По данным спектрофотометрии и фильтрационного анализа дисперсий максимальные гетерокоагуляционные

выделения частиц МКЦ и ТЮ2 и удержание компонентов на фильтре (99-100 %) наблюдается в области рН 4-5. Перемешивание исследуемых систем значительно ускоряет гетерокоагуляционное взаимодействие. При этом образуются более крупные хлопья и рыхлый осадок, что приводит к увеличению скорости обезвоживания массы и большей степени ее удержания на фильтре.

5. Применение композиционного коагулянта (КК), содержащего титанилсульфат и сульфат алюминия, значительно расширяет диапазон рН, в котором происходит эффективное выделение бинарной смеси МКЦ - ТЮ2. Так диапазон рН действия композиционного коагулянта составил рН=4-9 при концентрации КК 10'4 М, а эффективность процесса увеличилась примерно в 1,5 раза. При увеличении концентрации КК до 10"3 М эффективность коагуляционного выделения бинарной смеси несколько снижается, однако диапазон рН действия данного коагулянта расширяется (рН=3-9,5). Оптимальную концентрацию КК (10"4 М или 10 М) следует выбирать в зависимости от необходимости получения нужной эффективности выделения (степени удержания) бинарной смеси и диапазона рН работы.

6. Введение комплексного наполнителя значительно повышает удержание ТЮ2 в отливке, способствует его закреплению не только в порах, но и на поверхности волокна, а также улучшает такие характеристики отливок, как прочность при растяжении, белизна и непрозрачность, что позволяет рекомендовать его к использованию на практике.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Измайлова, H.JI. Исследование влияния рН на взаимодействие частиц в водных дисперсиях микрокристаллической целлюлозы (МКЦ), ТЮ2 и их смеси [Текст] / H.JI. Измайлова, А.В. Лоренцсон, Ю.М. Чернобережский // Целлюлоза. Бумага. Картон., 2011. - №9. - С. 52-55.

2. Измайлова, Н.Л. Исследование влияния рН и Ti0S04-2H20 на взаимодействие частиц в водных дисперсиях микрокристаллической целлюлозы (МКЦ), ТЮ2 и их смеси [Текст] / Н.Л. Измайлова, А.В. Лоренцсон // Тезисы конференции XVI МЭСК - 2011 «Экология России и сопредельных территорий»: Новосиб. гос. ун-т. Новосибирск, 2011. - С. 210.

3. Измайлова, Н.Л. Исследование влияния рН и Ti0S04-2H20 на гетерокоагуляцию частиц в водных дисперсиях микрокристаллической целлюлозы и ТЮ2 [Текст] / Н.Л. Измайлова, B.C. Комарова, А.В. Лоренцсон, Ю.М. Чернобережский // Целлюлоза. Бумага. Картон., 2012. - №9. - С. 54-57.

4. Измайлова, Н.Л. Коагуляционные взаимодействия частиц микрокристаллической целлюлозы (МКЦ) и ТЮ2 в водных растворах Ti0S04-2H20 [Текст] / Н.Л. Измайлова, А.В. Лоренцсон, Ю.М. Чернобережский И Вестник Казахского национального университета им. Аль-Фараби, серия химическая, 3(67), 2012. - С. 142-145.

5. Измайлова, H.JI. Исследование гидролиза разбавленных водных растворов Ti0S04-2H20 и TiCU и электроповерхностных свойств образующихся продуктов [Текст] / H.JI. Измайлова, A.B. Лоренцсон // Тезисы VI Всероссийской конференции молодых ученых, аспирантов и студентов с международным участием «Менделеев -2012» СПб: Издательство Соло, 2012. -С. 205-207.

6. Измайлова, H.JI. Исследование коагулирующей способности композиционных коагулянтов на основе солей титана и алюминия по отношению к компонентам бумажной массы [Текст] / Н.Л. Измайлова // Тезисы конференции XVII МЭСК - 2012 «Экология России и сопредельных территорий». Том 1.: Новосиб. гос. ун-т. Новосибирск, 2012. - С. 109 - 110.

7. Комарова, B.C. Исследование влияния pH и электролитов на устойчивость дисперсий ТЮг [Текст] / B.C. Комарова, Н.Л. Измайлова // Тезисы конференции XVII МЭСК - 2012 «Экология России и сопредельных территорий». Т. 1.: Новосиб. гос. ун-т. Новосибирск, 2012. -С. 108- 109.

8. Измайлова, Н.Л. Применение коагулянтов для уменьшения промоя в мокрой части БДМ [Текст] / Н.Л. Измайлова, A.B. Лоренцсон, Ю.М. Чернобережский // Целлюлоза. Бумага. Картон., 2013. - №2. - С. 46-49.

9. Измайлова, Н.Л. Применение титанового коагулянта для уменьшения промоя в мокрой части бумагоделательной машины [Текст] / Н.Л. Измайлова, B.C. Комарова, A.B. Лоренцсон // Тезисы III Всероссийской конференции молодых ученых "Биоразнообразие: глобальные и региональные процессы" г. Улан-Удэ: изд-во БНЦ СО РАН, 2013. - С. 185186.

Подп. к печати 19.11.13. Формат 60x84/16. Бумага тип №1 Тираж 100 экз. Заказ № 33.

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

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования Санкт-Петербургский государственный технологический университет

растительных полимеров

Коагуляционные и гетерокоагуляционные процессы в водной системе микрокристаллическая целлюлоза - диоксид титана -

титанилсульфат

05.21.03 «Технология и оборудование химической переработки биомассы

дерева; химия древесины»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата химических наук

На правах рукописи

04201 451 978

Измайлова Надежда Леонидовна

Научный руководитель:

кандидат химических наук,

доцент Лоренцсон А.В.

Санкт-Петербург-2013

-2-

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ........................................................................................... 5

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.................................................................... 9

1.1. Современные тенденции в технологии производства бумаги.............................................................................. 9

1.2. Основы технологии производства бумаги.............................. 11

1.3. Основные компоненты, применяемые для производства бумаги...................................................................................................... 14

1.3.1. Химическое строение и физическая структура целлюлозы........................................................................ 14

1.3.2. Особенности строения микрокристаллической целлюлозы........................................................................ 18

1.3.3. Наполнение бумажной массы. Факторы, влияющие на удержание наполнителя в бумаге............................................ 19

1.3.4. Использование модифицированных волокон при

производстве бумаги........................................................... 27

\

V

1.3.5. Физико-химические свойства коагулянтов.................... 30

1.4. Химия мокрой части бумагоделательной машины............ 42

1.4.1. Общие представления о дисперсных системах и их устойчивости.................................................................... 43

1.4.2. Электроповерхностные свойства и агрегативная устойчивость дисперсий целлюлозы................................................. 47

1.4.3. Электроповерхностные свойства и агрегативная устойчивость дисперсий диоксида титана. ...... ........................ ^

1.4.4. Взаимодействия между компонентами бумажной

массы............................................................................................................................................................59

1.4.5. Механизмы действия химикатов и систем на их

основе..........................................................................................................................................................63

1.5. Выводы по обзору литературы и постановка задач

исследования..........................................................................................................................................66

2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ....................................................................68

2.1. Характеристики объектов исследования................................................................68

2.2 Методы исследования................................................................................................................................73

2.2Л. Определение размеров частиц методом оптической

микроскопии..........................................................................................................................................73

2.2.2. Метод спектрофотометрии..............................................................................................74

2.2.3. Метод потенциометрического титрования............................................77

2.2.4. Метод кондуктометрического титрования............................................79

2.2.5. Метод микроэлектрофореза..............................................................................................81

2.2.6. Исследование дисперсий методом фильтрационного анализа..........................................................................................................................................................84

2.2.7. Подготовка проб целлюлозы......................................................................85

2.2.8. Изготовление и испытание отливок....................................................86

2.2.9. Метод сканирующей электронной микроскопии....................87

3. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ....................90

3.1. Электроповерхностные свойства частиц исследуемых объектов в растворах электролитов..............................................................................................................90

3.2. Кондуктометрическое титрование ТЮ804 ..........................................97

3.3. Влияние рН на взаимодействие частиц в водных дисперсиях микрокристаллической целлюлозы, ТЮг и их смеси..............................................................................................................................................................101

3.4. Исследование гидролиза раствора Ti0S04 методом

, 107 спектрофотометрии.............................................................

3.5. Коагуляция частиц микрокристаллической целлюлозы в присутствии T1OSO4............................................................ 113

3.6. Коагуляция частиц ТЮ2 в присутствии TÎ0S04............... 117

3.7. Влияние рН и TiOSÛ4 на взаимодействие частиц в водных дисперсиях смеси микрокристаллической целлюлозы и ТЮ2

122

3.8. Влияние рН и концентрации коагулянтов TÎ0S04 и А1г(804)з на гетерокоагуляционное взаимодействие частиц микрокристаллической целлюлозы и ТЮ2................................ ^^

3.9. Влияние рН и концентрации композиционного коагулянта на основе TiOSC>4 и A12(S04)3 на гетерокоагуляционное взаимодействие частиц микрокристаллической целлюлозы и ТЮ2................................................................................. 131

3.10. Исследование коагуляционных и гетерокоагуляционных процессов в суспензиях микрокристаллической целлюлозы, ТЮ2 и их композициях в водных растворах Ti0S04 методом фильтрационного анализа..................................................... 134

3.11. Исследование свойств отливок................................ 148

ВЫВОДЫ............................................................................................................................................................................................155

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ........................................................................................................................................157

ПРИЛОЖЕНИЕ 1......................................................................................................................................................................179

ПРИЛОЖЕНИЕ 2................................................................................................................................187

-5-ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы.

Бумага представляет собой сложный композиционный материал, который помимо целлюлозы включает наполнители и проклеивающие вещества [1,2]. На всех этапах формирования бумажного полотна происходят различные физико-химические процессы, а сама бумажная масса представляет собой сложную коллоидную систему.

В качестве наполнителей бумажной массы применяют следующие минеральные соединения - каолин, карбонат кальция, диоксид титана и др., придающие бумаге необходимые оптические, печатные и физико-механические свойства. Применение минеральных наполнителей имеет также и большое экономическое значение, так как позволяет заменить часть волокна более дешёвым минеральным материалом [3].

Минеральные наполнители, вводимые в бумажную массу, не полностью удерживаются в бумаге. Если не принять соответствующих мер, то провал наполнителя в подсеточную воду увеличится. При надлежащей организации технологического процесса степень удержания наполнителя в бумаге составляет 70-80 % [3].

Одним из условий конкурентоспособности производства бумаги является рациональное использование водных ресурсов. Для этого на предприятиях формируют оборотные системы водоснабжения. Это существенно снижает потребление свежей воды, уменьшает потери волокна и наполнителей. Однако для поддержания требуемого качества оборотных вод их следует подвергать локальной физико-химической очистке [4]. При очистке этих сточных вод применяют в качестве коагулянта соли алюминия, которые образуют сильно обводненные и трудно фильтруемые осадки, а также приводят загрязнению воды алюминием. В последние годы появились публикации об использовании при очистке воды коагулянтов на основе солей

Т\ (IV), которые обладают рядом преимуществ в процессах водоочистки и водоподготовки по сравнению с солями алюминия [5-9].

В настоящее время проводится много исследований, направленных на получение модифицированных наполнителей на основе целлюлозных материалов, которые могут впоследствии использоваться для изготовления различных видов бумаги. Введение таких комплексных наполнителей позволяет увеличить степень удержания компонентов, непрозрачность, воздухопроницаемость и другие показатели качества бумаги. Таким образом, определение возможности использования плакированных неволокнистых производных целлюлозы при производстве бумаги является актуальным направлением соответствующим современным тенденциям развития технологии бумажного производства [10-12].

В связи с этим исследование коагуляционных и гетерокоагуляционных процессов в системе содержащей микрокристаллическую целлюлозу (МКЦ), наполнитель (диоксид титана), коагулянт (титанилсульфат) представляет значительный интерес для решения как фундаментальных, так и прикладных задач, связанных с совершенствованием технологии бумажного производства и охраной окружающей среды.

В связи с вышесказанным целью данной работы явилось: являлось получение информации о коагуляционных и гетерокоагуляционных взаимодействиях компонентов в водной системе МКЦ-диоксид титана-титанилсульфат для нахождения оптимальных условий (рН, концентрации компонентов) их использования.

В соответствии с целью работы были поставлены следующие задачи:

- изучить зависимости электроповерхностных свойств (плотность поверхностного заряда, С, - потенциал) отдельных компонентов (МКЦ, ТЮг) от рН и концентрации коагулянта ТЮ804;

- изучить процесс гидролиза ТЮ804 и электроповерхностные свойства образующихся продуктов (ПГТ);

-7- изучить зависимости агрегации частиц отдельных компонентов (МКЦ, ТЮ2) от рН и концентрации коагулянта ТЮ804;

- изучить зависимости агрегации частиц в смеси компонентов МКЦ и ТЮ2 от рН и концентрации коагулянта ТЮ804;

- выбрать оптимальные условия максимальной агрегации компонентов смеси;

- изучить влияние условий формирования композиций МКЦ-ТЮ2-ТЮ804 (рН, концентрация коагулянта) на их фильтрационные свойства (скорость фильтрования, удержание);

- изучить удержание ТЮ2 в волокнистой массе в отсутствие титанилсульфата;

- изучить удержание ТЮ2 при введении в волокнистую массу комплексного наполнителя МКЦ- ТЮ2-ПГТ;

- исследовать физико-механические свойства отливок

Научная новизна.

В ходе проведенного исследования впервые:

- изучены закономерности коагуляционного и гетерокоагуляционного взаимодействия частиц микрокристаллической целлюлозы и ТЮ2 в присутствии ТЮ804;

установлены оптимальные условия (рН, концентрации) гетерокоагуляционного выделения МКЦ, ТЮ2 и их смеси в присутствии ТЮ804;

- получены отливки с использованием композиционного наполнителя МКЦ-ТЮ2-ПГТ и исследованы их основные физико-механические показатели качества;

Практическая значимость работы.

Полученные данные могут быть использованы при разработке технологических решений для увеличения удержания наполнителя (ТЮ2), мелкого волокна и др. химикатов в мокрой части бумагоделательной машины. Это позволит решить не только технологические задачи бумажного

производства но, и экологические вопросы, связанные с уменьшением загрязнения окружающей среды. На защиту выносятся:

- механизмы коагуляционных и гетерокоагуляционных процессов в водной системе МКЦ - диоксид титана - титанилсульфат;

-оптимальные условия (рН, концентрации) использования титанилсульфата в качестве коагулянта;

- получение плакированных неволокнистых производных целлюлозы диоксидом титана с помощью титанилсульфата.

-91. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Современные тенденции в технологии производства бумаги

В настоящее время в мире производится свыше 400 млн. тонн бумаги и картона. Из них 42 % это бумага для печати (11 % газетная, 31 % белые виды бумаги), 51 - 52 % тароупаковочные виды бумаги и картона, 6 - 7 % -санитарно-гигиеническая бумага [13,14].

Производство печатных видов бумаги с повышенным использованием различных наполнителей получило в настоящее время мировое развитие. Один из импульсов этого - рост цен на полуфабрикаты и энергоресурсы. Одновременно композиция упаковочных видов картона все больше совершенствуется за счет снижения массоемкости, использования дешевых полуфабрикатов и наполнителей. Начало этим процессам положила Европа, где обычным стало производство офисных видов бумаги зольностью 25 %, газетной бумаги зольностью 7 - 12 %, картона с белым покровным слоем без мелования зольностью 10 - 15 %. На американском континенте тенденция наметилась немного позже, зольность офисных видов бумаги США на сегодня достигает 18 - 22 %. Между тем на ряде современных предприятий Азии достигнутая зольность офсетной и ксероксной бумаги 25 - 30 %, без ухудшения качества продукции и эффективности работы бумагоделательных машин (БДМ). Выполнены успешные внедрения технологий на основе микрополимеров на высокоскоростных БДМ по выработке офсетной бумаги с поверхностной проклейкой с зольностью 35 %. В России эта тенденция практически не выражена, химическая технология не претерпела изменений в течение последнего десятилетия. Между тем ввод новых мощностей и модернизация оборудования на предприятиях требуют быстрой окупаемости вложенных затрат, поэтому внедрение новых технологий и расширение ассортимента за счет высокорентабельных видов продукции при сотрудничестве предприятий - производителей бумажной продукции и

производителей химикатов с высоким уровнем научно-технического обеспечения приносит ощутимую экономию, в том числе для дальнейшего инновационного развития химической технологии [15].

Говоря о ближайших перспективах развития технологии повышения зольности, ученые и специалисты утверждают, что через 5 лет газетная бумага будет вырабатываться с зольностью 15 %, ксероксная с зольностью 35 %, картон - лайнер - с зольностью 15 %, бумага с меловальным покрытием, содержание минеральных компонентов в которой доходит до 40 - 50 % [13, 15-17].

Анализ рынка бумаги и картона в России показывает, что имеются все основания полагать, что возрастет спрос на высокозольную бумагу: офсетную/офисную и мел овальную бумагу. Это связано с увеличением спроса на высококачественную печатную продукцию (книги, газеты, элитные журналы, рекламу, фирменные и банковские отчеты, тару и разнообразную упаковку с многоцветной печатью, этикетки, вкладыши) [13].

Повышение зольности бумаги, увеличение содержания наполнителей в бумажной продукции требует настройки двух взаимосвязанных химических технологий: равномерного удержания частиц наполнителей без агломерирования, повышения прочности сформированного влажного полотна в мокрой части машины, на основе современных многокомпонентных систем химикатов упрочнения, модификации наполнителя, регулируемого обезвоживания и удержания при обязательной высокой микроравномерности по массе 1 м . При этом необходимо учитывать, что каждый процент повышения зольности бумаги снижает

л

прочностные свойства на 1 - 2 %, особенно с ростом массы 1 м готовой продукции [15, 18-22].

При выработке высокозольных видов бумаг, помимо изменений свойств качества бумажного листа, также необходимо учитывать, что при увеличении количества вводимого наполнителя его количество также пропорционально увеличивается и в подсеточной воде мокрой части БДМ за

счет провала - мелкого волокна и наполнителей. В связи с этим для повышения зольности бумаги, необходимы современные технологии оптимального обезвоживания/удержания волокна, наполнителя, химикатов в сеточной части БДМ, а также новые технологические решения, для снижения концентрации подсеточной воды мокрой части БДМ.

1.2. Основы технологии производства бумаги

Бумага как композиционный материал включает в себя несколько компонентов, состав и количество которых определяется в зависимости от вида и свойств получаемой бумаги [1].

Целлюлозу направляют в подготовительный цех, где производят роспуск при добавлении воды. В присутствии воды при размоле изменяются колоидно-химические свойства волокон - они становятся более эластичными, гибкими, труднее обезвоживаются [23, 24].

После роспуска производится размол, т.е. волокно измельчается, далее масса направляется на очистку и сортировку. После сортировки в мешальный бассейн добавляют компоненты, которые придают бумажной массе бумагообразующие свойства. К этим компонентам относятся - наполнители, проклеивающие вещества, красители [25].

Очищенная и полностью подготовленная бумажная масса подается в сеточную часть бумагоделательной машины (БДМ), которая состоит из массонапускного устройства (напорный ящик) и сеточного стола. Напорные ящики служат для равномерного расширения потока бумажной массы, обеспечения однородности его -концентрации, необходимой скорости, исключив при этом возможность образования в потоке поперечных струй и флокул из отдельных волокон и других компонентов бумажной массы [23].

Разбавленная волокнистая суспензия непрерывным потоком поступает на движущуюся сетку, равномерно разливается по ширине сетки и движется вместе с нею, постепенно теряя воду и превращаясь в мокрое бумажное

полотно. Находящиеся в суспензии волокна под влиянием силы тяжести и отсасывающего действия регистровых валиков и гидропланок оседают на сетку, образуя на ней волокнистый фильтр, через который фильтруется вода и на котором задерживается более мелкие волокна и частицы наполнителя и проклеивающих вещес