Облагораживание макулатуры в производстве бумаги

На правах рукописи

Агеев Максим Аркадьевич

ОБЛАГОРАЖИВАНИЕ МАКУЛАТУРЫ

В ПРОИЗВОДСТВЕ БУМАГИ

05.21.03 – технология и оборудование химической переработки

биомассы дерева; химия древесины

Автореферат диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Екатеринбург – 2008

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Уральский государственный лесотехнический университет» на кафедре химии древесины и технологии целлюлозно-бумажных производств

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Смолин Александр Семенович

доктор технических наук, профессор Руденко Анатолий Павлович

доктор химических наук Демин Валерий Анатольевич

Ведущая организация:

ГОУ ВПО «Архангельский государственный технический университет»

Защита состоится «14» ноября 2008 г. в 10-00 на заседании диссертационного совета Д 212.253.01 в ГОУ ВПО «Сибирский государственный технологический университет» по адресу: 660049, г. Красноярск, пр. Мира, 82.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Сибирского государственного технологического университета

Отзывы на автореферат в двух экземплярах просьба направлять в адрес ученого секретаря диссертационного совета

Автореферат разослан «____»_________________2008 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Исаева Е.В.

Актуальность работы

Анализ научно-технической литературы, данные иностранных фирм, рекламные материалы в период с 1994 по 2005 годы показывают, что бумага завтрашнего дня будет характеризоваться возросшим содержанием макулатурного волокна. Производство бумаги и картона из вторичных волокон растет быстрыми темпами, примерно в два раза быстрее, чем производство бумаги из свежих полуфабрикатов. Этому способствуют как экономические, так и экологические факторы.

Широкое использование макулатуры при производстве бумаги объясняется меньшей энергоемкостью и трудоемкостью, более низкими затратами на охрану окружающей среды, значительно более низкими капитальными затратами на строительство новых предприятий.

В то же время на пути широкого использования макулатуры имеется ряд проблем.

В ряду таких проблем наиболее важными являются более низкие бумагообразующие свойства макулатурных волокон, причем снижающиеся по мере числа циклов ее переработки. Многочисленные научные исследования и практика использования макулатуры показывает, что после трех-четырех циклов ее переработки вторичные волокна становятся непригодными для производства бумаги. Поэтому задача улучшения бумагообразующих свойств и сохранения их в процессах циклической переработки является актуальной.

Другой важной проблемой, тормозящей широкое использование макулатуры при производстве высококачественных видов бумаги, является отсутствие в России одной из самых перспективных технологий ее переработки, широко распространенной на Западе – облагораживания – и его основного процесса – флотации. Отсутствует оборудование и технологии облагораживания. Научно-технические публикации носят единичный и разрозненный характер. Отсутствуют теоретические исследования, позволяющие научно-обоснованно проводить расчеты флотации типографской краски и рационально проектировать оборудование.

Традиционное рассмотрение процесса флотации, в котором основное внимание уделяется физико-химическим основам формирования агрегата пузырек-частица, недостаточно для решения проблемы флотации типографской краски. Флотационная система волокно–частица краски–пузырек характеризуется довольно сложной гидродинамикой, которая совершенно не разработана. Все найденные нами работы рассматривают движение газового пузырька в дисперсной среде, подчиняющейся ньютоновскому реологическому закону, в то время как волокнистая суспензия обладает особыми реологическими свойствами. Она может находиться в двух состояниях: структурированном и диспергированном в зависимости от приложенных градиентов скоростей, концентраций, компонентного состава, степени разработанности волокна и т.д. и поэтому требует критического отношения к возможности использования сведений из гидродинамики чистой воды для расчета гидравлического режима процесса флотации типографской краски.

Таким образом, задача разработки технологии флотационного облагораживания макулатуры с целью использования ее для производства газетной и других печатных и упаковочных видов бумаги, разработка методики расчета флотации малых (безынерционных) частиц, а также гидродинамики процесса является актуальной и важной.

Изложенные в диссертации результаты получены в ходе выполнения работ по Федеральной целевой научно-технической программе «Исследования и разработка по приоритетным направлениям развития науки и техники гражданского назначения», подпрограмма «Комплексное использование древесного сырья», направление 02 – новые экологически чистые технологии, при выполнении проекта №980/6 по инновационной подпрограмме «Биологические системы, биотехнологические процессы и переработка растительного сырья, в ходе выполнения гранта для молодых ученых в области гуманитарных, естественных и технических наук (приказ Госкомвуза РФ №856 от 08.05.97 г., и во время полугодовой командировки в институт бумаги при техническом университете в г. Дармштадт (Германия) под руководством проф. Л. Гетчинга.

На основании изложенного вытекают цели и задачи работы:

Цель работы: разработать теоретические основы процесса облагораживания макулатуры с внедрением результатов работы в производство.

Задачи исследования:

• Определить причины снижения бумагообразующих свойств вторичных волокон при многократном их использовании с учетом реологических характеристик, понятия «необратимого ороговения». Теоретически и экспериментально обосновать возможность их улучшения.
• Обосновать гидродинамический режим процесса флотации, используя достижения отечественной школы гидродинамики волокнистых суспензий (О.А.Терентьев, И.Д.Кугушев и др.). Теоретически и экспериментально обосновать гидродинамический режим в ячейке флотатора.
• Выявить закономерности акта взаимодействия малая частица-пузырек, оценить наиболее существенные факторы, влияющие на процесс флотации.
• Предложить механизм отделения типографской краски от макулатурного волокна.
• Практически реализовать результаты облагораживания макулатуры. Разработать рациональную технологическую схему облагораживания.

Научная новизна.

• Расширены представления о причинах «необратимого ороговения», как следствия действия усадочных напряжений и образования низкомолекулярных монолитных пленок, и установлены возможности улучшения бумагообразующих свойств путем дополнительной технологической обработки.
• Впервые применена теория растворов полимеров Флори и Хаггинса для объяснения улучшения бумагообразующих свойств макулатуры при ее дополнительной обработке горячим низкоконцентрированным водным раствором щелочи.
• Показана полезность использования реологической модели поведения бумажного полотна в процессах высыхания-увлажнения с учетом представления о структурном стекловании.
• Впервые рассмотрено движение пузырька воздуха в диспергированном потоке волокнистой суспензии низкой концентрации, и получены решения распределения скоростей и давлений.
• Разработана модель флотации типографской краски, включающая набор дифференциальных уравнений в частных производных, хорошо согласующаяся с экспериментальными результатами.
• Предложен механизм отделения типографской краски от волокон, основанный на реакции омыления жирных кислот, входящих в состав связующего краски.

Практическая значимость.

• Предложена рациональная технологическая схема процесса облагораживания макулатуры, обеспечивающая реализацию принципа recycling.
• Предложен метод расчета элементарного акта взаимодействия пузырек-частица на основе теории ДЛФО.
• Предложен метод расчета гидродинамического режима ячейки флотатора, обеспечивающего максимальную производительность по извлекаемой краске.
• Разработаны методы и приборы для автоматического измерения размеров пузырьков и частичек краски.
• Показаны экологические и экономические преимущества использования облагороженной макулатуры.
• Основные научные положения и практические решения нашли конкретное воплощение в учебном процессе при организации учебно-исследовательской и научной работы студентов, курсовом и дипломном проектировании, курсах лекций и издании методических пособий для студентов специальности 240406 Технология химической переработки древесины.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на ежегодных научно-практических конференциях: «Вклад ученых и специалистов в развитие химико-лесного комплекса» (г.Екатеринбург, УГЛТА 1997-1999 гг.); Восьмой международной конференции молодых ученых «Синтез, исследование свойств, модификация и переработка высокомолекулярных соединений» (г. Казань, 1996 г.); Первой региональной конференции «Роль инноваций в экономике Уральского региона» (г. Екатеринбург, 1998 г.); Международных научно-технических конференциях «Техноген» (г. Екатеринбург, 1997, 1998 гг.); Научно-техническом семинаре «Экологические проблемы промышленных регионов» (г. Екатеринбург, 1998 г.); Девятой Всероссийской студенческой научной конференции «Проблемы теоретической и экспериментальной химии» (г. Екатеринбург, УрГУ, 1999 г.); Международном симпозиуме «Техника и технология экологически чистых химических производств» (г. Москва, кафедра ЮНЕСКО Московской государственной академии химического машиностроения, 1997 г.), Международном симпозиуме Zellcheming-Expo-98, (Baden-Baden, Германия, 1998 г.), Международном научном симпозиуме студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь и наука – третье тысячелетие (г. Москва, 1996 г.), V-ой Молодежной научной школе – конференции по органической химии (г. Екатеринбург, 2002 г.), II-ой Международной научно-практической конференции «Экология: образование, наука, промышленность и здоровье» (г. Белгород, 2004 г.), Всероссийской научно-практической конференции и выставке студентов, аспирантов и молодых ученых «Энерго и ресурсосбережение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии УГТУ-УПИ (г. Екатеринбург, 2004 г.)

Достоверность результатов предопределяется корректностью физических, физико-химических, химических методов исследования и анализа, используемых в целлюлозно-бумажной промышленности, коллоидной химии, механике дисперсных систем, а также международных стандартных методах исследований флотационного облагораживания макулатуры, разработанных союзом производителей бумаги (PTS).

На защиту выносятся:

• Теоретическое и практическое обоснование регулирования бумагообразующих свойств волокон макулатуры.

• Методы расчета элементарного акта флотации малых частиц типографской краски и гидродинамического режима ячейки флотатора.

• Аналитическая модель флотации типографской краски, включающая набор дифференциальных уравнений в частных производных.

• Механизм отделения типографской краски от волокна.
• Рациональная технология процесса облаграживания макулатуры.

• Экономическая и экологическая оценка использования облагороженной макулатуры.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 423 страницах машинописного текста, содержит 25 таблиц, 116 рисунков. Список цитируемой литературы включает 237 наименований. В приложении представлены экономические расчеты, акты опытно-промышленных выработок, акты о внедрении НИР в учебный процесс.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цели и задачи работы.

В первой главе представлена ретроспектива использования макулатуры в бывшем СССР, России и за рубежом. Также рассмотрено современное состояние использования макулатуры, приведены ресурсы макулатуры в России по регионам (рисунок 1), а также представлен глобальный мировой баланс переработки вторичного волокна. Представлена структура ассортимента продукции, производимой из макулатуры в России и в мире (рисунок 2).

Рисунок 1 – Суммарные ресурсы макулатуры по регионам России

А Б

Рисунок 2 – Структура ассортимента продукции, выпускаемой из макулатуры в России (А) и в мире (Б) в 2001 г.

Представлены перспективы использования вторичного волокна. Проведен анализ состояния оборудования и технологий по переработке макулатуры. Рассмотрены проблемы переработки макулатуры в зависимости от видов загрязнений. Поставлены задачи, которые необходимо решить в работе.

Регулирование бумагообразующих свойств

Большинством исследователей установлено, что бумагообразующие свойства вторичных волокон значительно хуже первичных. Экспериментальные исследования, проведенные нами, так же подтверждают эти результаты. На рисунках 3 и 4 представлены физико-механические показатели отливок из первичных и вторичных волокон при различных градусах помола.

Рисунок 3 – Зависимость физико-механических показателей первичных и вторичных волокон от степени помола

На рисунке 4 показано уменьшение степени набухания волокон и разрывной длины отливок после нескольких циклов обработки (роспуска, отлива и сушки). Видно, что самое большое снижение бумагообразующих свойств наблюдается после 1-го цикла обработки, а после последнего цикла – наименьшее.

Рисунок 4 – Зависимость свойств бумаги от числа циклов переработки

Наложение кривых разрывной длины и степени набухания при одинаковых циклах переработки показывает их симбатное изменение.

На рисунке 5 представлена обработка рисунка 4, позволяющая установить зависимость между разрывной длиной и степенью набухания для всех циклов переработки макулатуры как гидро-термообработанной, так и подверженной обычной переработке. На основе этого графика можно утверждать, что степень

Рисунок 5 – Влияние степени набухания волокна на разрывную длину

набухания оказывает существенное влияние на бумагообразующие свойства бумаги и что между набуханием волокна и разрывной длиной существует пропорциональная зависимость.

Большинство исследователей считают, что ухудшение бумагообразующих свойств и, в частности, разрывной длины связано с «необратимым ороговением» волокон, одним из объяснений которого Э.Л. Аким считает образование во время сушки бумаги нерастворимых в воде монопленок из гемицеллюлоз, препятствующих набуханию волокон макулатуры при повторной обработке. В этом случае повторное образование бумажного листа возможно только за счет создания новых поверхностей волокон, фибрилл и т.п., что реализуется только при усиленном размоле. Если первичные волокна обладали хорошо развитой удельной поверхностью (высокая степень помола), образование новых, свежих поверхностей происходит со значительными трудностями и только за счет дальнейшего измельчения волокон, при этом количество мелкого волокна с увеличением числа циклов переработки возрастает, а водоудерживающая способность, которая, по Кларку, может служить мерой способности волокон образовывать прочный бумажный лист, снижается. Таким образом, можно ожидать, что увеличение мелочи будет снижать бумагообразующие свойства волокон. Литературные данные о влиянии мелкого волокна, находящегося в бумажной массе, немногочисленны и носят противоречивый характер.

В нашей работе рассмотрено влияние мелочи, т.е. волокна, отделенного на фракционаторе с размером сетки №24, на бумагообразующие свойства бумаги из первичных и вторичных волокон. Для исследований использовали мелочь из молотой небеленой крафт-целлюлозы Новолялинского ЦБК, а также мелочь из распущенной и размолотой мешочной макулатуры.

Представленные на рисунке 6 результаты показывают, что добавление в макулатурную массу мелочи, отделенной путем фракционирования в предыдущем цикле переработки, повышает степень помола, которая косвенно характеризует водоудерживающую способность (набухание) волокон и разрывную длину бумажного листа из макулатуры.

Повышение степени помола и разрывной длины оказывается пропорциональным увеличению доли мелочи в макулатурной суспензии.

Рисунок 6 – Влияние мелкого волокна на разрывную длину и степень помола бумаги из макулатуры

Из рисунка 7 видно, что мелочь, полученная из молотой целлюлозы, имеет более высокую набухаемость, в то время, как мелочь из макулатурной массы имеет более низкую степень набухания.

Рисунок 7 – Зависимость набухаемости макулатурной массы от степени помола при содержании различной мелочи

Мелочь, извлеченная из макулатуры гидро-термообработанной по ниже приведенному режиму, имеет промежуточную степень набухания, это говорит о том, что часть монопленок, находящихся на поверхности волокон макулатуры, в растворе NaOH набухла и вместе с фибриллами отщепилась от волокон. Это подтверждает эффективность термообработки макулатуры в слабой щелочной среде. На рисунке 6 представлены результаты испытаний разрывной длины отливок из крафт-целлюлозы, макулатуры, обработанной и необработанной в зависимости от количества заданной мелочи.

Для того чтобы установить роль водонерастворимых монопленок, образующихся при сушке бумаги, в работе была проведена гидро-термообработка макулатуры в автоклаве при температуре 95 0С в присутствии 1,5 % NaOH в течение 30 мин. Результаты представлены на рисунке 4. Сравнение кривых на рисунке показывает, что бумагообразующие свойства гидро-термообработанной макулатуры значительно выше свойств волокон, распущенных традиционным способом. В работе была предпринята попытка теоретически объяснить растворение монопленок, препятствующих восстановлению поверхностей волокон и фибрилл в процессе роспуска, с помощью теории растворов полимеров Флори и Хаггинса.

Теория растворов полимеров Флори и Хаггинса предсказывает максимальное взаимодействие (растворение) при приблизительно равных величинах параметров растворимости полимера и растворителя. Параметр растворимости воды связан с плотностью энергии когезии и определяется по теплоте испарения.

Поскольку целлюлозу нельзя «испарить» без разложения, значение параметра растворимости для нее можно определить расчетным путем по инкрементам энергии отдельных атомов и групп атомов.

Расчеты, приведенные в диссертации, показывают, что параметры растворимости воды и целлюлозы совпадают с точностью до 5 % при условии взаимодействия с водой только гидроксильных групп глюкозидного звена. Это означает, что водородные связи между волокнами, фибриллами, микрофибриллами не препятствуют роспуску макулатуры, как это утверждается некоторыми исследователями.

С этих же позиций в работе рассмотрено взаимодействие с водой при повторном увлажнении макулатуры монопленок гемицеллюлоз, которые образовались на поверхности бумажного полотна в результате их растворения в горячей воде при сушке бумаги.