Влияние содержания ионов натрия в воде на набухание и размол волокнистых полуфабрикатов

На правах рукописи

Кузнецова Лариса Викторовна

Влияние СОДЕРЖАНИЯ

ИОНОВ НАТРИЯ В ВОДЕ

НА НАБУХАНИЕ И РАЗМОЛ

ВОЛОКНИСТЫХ ПОЛУФАБРИКАТОВ

05.21.03 – Технология и оборудование химической

переработки биомассы дерева; химия древесины

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Архангельск

2011

Работа выполнена на кафедре технологии целлюлозно-бумажного производства Северного (Арктического) Федерального университета

и ОАО «Полотняно-Заводская бумажная фабрика»

Научный руководитель – доктор технических наук

Дулькин Дмитрий Александрович

Научный консультант – кандидат технических наук,

Спиридонов Валентин Александрович

Официальные оппоненты – доктор технических наук, профессор

Смолин Александр Семенович

кандидат химических наук

Почтовалова Александра Сергеевна

Ведущая организация: Уральский государственный лесотехнический университет (УГЛТУ), г. Екатеринбург

Защита состоится «17» февраля 2011 г., в 1000 часов на заседании диссертационного совета Д 212.008.02 в Северном (Арктическом) Федеральном университете по адресу: 163002, г. Архангельск, Набережная Северной Двины, 17.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Северного (Арктического) Федерального университета.

Автореферат разослан «14» января 2011 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

кандидат химических наук, доцент Т.Э. Скребец

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Влияние состава природной речной воды на систему водооборота, работу БДМ и качество тарного картона зачастую не учитывается. Вместе с тем, в природе компонентный состав речной воды, содержание в ней растворенных и взвешенных веществ меняются в зависимости от метеорологических условий, сезонных колебаний, геологических особенностей водоема, состава почвы, воздействия водной растительности, живых организмов и т.д. Все это оказывает значительное влияние на производство бумаги и картона (ухудшение проклейки, снижение физико-механических показателей продукции, образование отложений, пенообразование и т.д.).

При анализе сезонных изменений в составе природной речной воды, прежде всего, рассматриваются компоненты, оказывающие влияние на процессы окрашивания картона (ионы Fe2+, 3+, Mn2+, и др.), его проклейки (гуминовые кислоты, соли жесткости Ca2+, Mg2+), биологической активности (образование слизи в технологическом потоке). В то же время, не учитываются существенные сезонные изменения содержания ионов Na+ в природной речной и производственной воде, которые могут влиять на процессы набухания и размола волокнистых полуфабрикатов.

В связи с этим, анализ изменений в компонентном составе природной речной воды, и соответственно в системе водооборота БДМ, и поиск наиболее значимых причин, вызывающих снижение качества продукции, с последующей разработкой профилактических мер, является актуальным направлением исследований.

Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является исследование влияния сезонных изменений содержания ионов Na+ в природной речной воде и как следствие, в системе водопользования БДМ на набухание, размол волокнистых полуфабрикатов и качество готовой продукции.

Для реализации данной цели были поставлены следующие задачи:

1. Исследовать сезонные изменения компонентного состава природной речной воды, прежде всего, касающиеся содержания ионов Na+.
2. Исследовать влияние количественного содержания ионов Na+ в природной речной воде и системе водооборота БДМ на характеристики готовой продукции.
3. Изучить взаимосвязь процесса разволокнения бумажной массы в гидроразбивателе с бумагообразующими свойствами готовой продукции.
4. Установить взаимосвязь продолжительности размола бумажной массы с содержанием ионов Na+ в воде.
5. Исследовать взаимосвязь содержания ионов Na+ в производственной воде с деформационными и прочностными свойствами волокнистых полуфабрикатов.
6. Обосновать технологические решения по регулированию содержания ионов Na+ в системе водопользования с целью улучшения процессов набухания и размола волокнистых полуфабрикатов и технологии тарного картона в целом.

Научная новизна. Определено положительное влияние содержания ионов Na+ в системе водооборота БДМ на технологию тест-лайнера, бумаги для гофрирования и писчих видов бумаги. Установлено, что снижение количественного содержания ионов Na+ в речной воде вследствие паводка или в период сезонных проливных дождей должно компенсироваться добавлением в систему водооборота БДМ до содержания ионов Na+ 2,5…4,0 г/л.

Практическая ценность. Доказано, что регулирование содержания ионов Na+ до 2,5…4,0 г/л в системе водооборота БДМ в периоды резких сезонных изменений состава природной речной воды позволяет стабилизировать качество вырабатываемой продукции на ОАО «Полотняно-Заводская бумажная фабрика», ООО «Сухонский ЦБК», ОАО «Полиграфкартон». Рекомендации подтверждены актом опытно-промышленной выработки на БДМ № 1 и БДМ № 2 ОАО «Полотняно-Заводская бумажная фабрика» (Приложение Г в диссертационной работе). За счет снижения отбраковки тарного картона расчетный ожидаемый экономический эффект при использовании результатов диссертационной работы на ОАО «Полотняно-Заводская бумажная фабрика составил – 320,6 тыс. руб./ год (акт о внедрении представлен в приложении Б к диссертационной работе); на ООО «Сухонский ЦБК» составил – 452,9 тыс. руб./год (акт о внедрении представлен в приложении В к диссертационной работе).

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и получили положительную оценку на следующих международных конференциях: «Новейшие технологии в производстве бумаги из макулатурного сырья и переработки гофрокартона», 10-я Юбилейная международная научно-техническая конференция, Караваево, 2009; «Химия в ЦБП», II международная научно-практическая конференция, г. Санкт-Петербург, 2009; «Новое в подготовке волокнистой массы для различных видов бумаги и картона», 3-я международная научно-практическая конференция, Санкт-Петербург, 2010; «Современные тенденции в развитии производства бумаги, картона, гофрокартона из макулатурного сырья», 11-я международная научно-техническая конференция, Караваево, 2010.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, в том числе 3 – в журналах, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация включает в себя: введение; обзор литературы; методическую часть; экспериментальную часть, включающую 5 разделов; выводы, библиографический список и приложения. Содержание работы изложено на 150 страницах, включая 32 рисунка и 31 таблицу, библиография – 121 наименование, приложений – 5.

Автором выносятся на защиту следующие основные положения диссертационной работы:

1. Данные исследований сезонных изменений компонентного состава природной речной воды, прежде всего, касающиеся содержания ионов Na+, используемой в производстве тарного картона;
2. Результаты исследований по влиянию количественного содержания ионов Na+ в речной воде и системе водооборота БДМ на характеристики готовой продукции;
3. Влияние ионов Na+, содержащихся в воде на процессы набухания и размола исследуемых волокнистых полуфабрикатов, а также взаимосвязь продолжительности размола бумажной массы с содержанием ионов Na+ в воде;
4. Взаимосвязь содержания ионов Na+ в производственной воде с деформационными и прочностными свойствами волокнистых полуфабрикатов;
5. Технологические решения по стабилизации изменений содержания ионов Na+ в системе водооборота с целью улучшения процессов набухания и размола волокнистых полуфабрикатов и технологии тарного картона в целом.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. В этом разделе диссертационной работы обоснована актуальность темы исследования, сформулирована цель работы и задачи исследования.

В обзоре литературы рассмотрены основные мировые тенденции в ЦБП, позволяющие сделать вывод о важной роли качества природной воды в технологии тарного картона. Представлен анализ изменений компонентного состава природной воды, и влияние данного изменения на производство тарного картона (ухудшение проклейки, снижение физико-механических свойств выпускаемой продукции, образование отложений, пенообразование и т.д.).

Показана недостаточность имеющихся данных о влиянии компонентного состава природной воды, используемой в технологическом процессе, на набухание и размол волокнистых полуфабрикатов, а также на деформационные и прочностные свойства тарного картона, что и обуславливает целесообразность данного исследования. Сформулированы общие выводы по обзору литературы и задачи, подлежащие исследованию, указаны положения, выносимые на защиту.

Методики исследования. Исследования проводились на образцах макулатуры марки МС-5Б (ГОСТ 10700) и сульфатной лиственной беленой целлюлозы (ГОСТ 28172). При изготовлении лабораторных образцов массой 100 г/м2  использовали дистиллированную, артезианскую воду и 0,9 %-ные растворы хлоридов калия (KCl) и натрия (NaCl) на их основе.

Разволокнение и размол образцов волокнистых полуфабрикатов проводился в гидроразбивателе и мельнице лабораторного комплекта ЛКР-2 при концентрации массы 3 %. Процесс размола контролировали путем регулирования нагрузки по амперметру, измерением температуры и продолжительности процесса, а также определением степени помола массы и средневзвешенной длины волокна. На каждом этапе размола массы определяли обезвоживающую и водоудерживающую способность по стандартным методикам.

Массовую концентрацию ионов Na+ и К+ в водной среде определяли по методике ПНД Ф 14.1:2:4.138 эмиссионным пламенно-фотометрическим методом. Массовую концентрацию ионов Na+ в исследуемых волокнистых полуфабрикатах определяли по ГОСТ 10638; массовую концентрацию ионов К+ в исследуемых волокнистых полуфабрикатах определяли по ГОСТ 19877 эмиссионным спектральным методом.

Для определения физико-механических показателей образцов лабораторного изготовления и структурно-размерных свойств волокна применялись как стандартные, так и оригинальные методы испытаний. Для оценки стабильности и точности характеристик прочности, деформативности и бумагообразующих свойств были использованы методы статистической обработки результатов исследования.

Экспериментальная часть состоит из 5 разделов.

Общие положения. В работе выдвинута гипотеза о возможном влиянии ионов Na+ содержащихся в производственной воде на процессы набухания и размола волокнистых полуфабрикатов.

Обнаружено практически полное отсутствие ионов Na+ в природной речной воде в период паводка и сезона ливневых дождей, поэтому представлялось целесообразным исследовать влияние изменений содержания ионов Na+ в речной воде на процессы набухания и размола волокнистых полуфабрикатов.

В живой природе участие ионов Na+ и ионов K+ в минеральном обмене веществ в клетках животных и растений обусловлено эффектом встречного движения ионов (ионов Na+ внутрь волокна и ионов K+ наружу) через мембраны.

Целлюлозные волокна, как известно, имеют капиллярно-пористую коллоидную структуру. Промежутки между микрофибриллами и ламеллами (макрофибриллами) образуют макропоры, т.е. неживую клеточную стенку волокна можно рассматривать как мембрану с порами, размер которых колеблется от 0,3 до 30 нм, через которую возможно встречное движение ионов Na+ и K+.

Правомерность данного предположения исследовали изменением содержания ионов Na+ и К+ в используемой воде. Часть экспериментов проведена на дистиллированной воде с добавкой в неё исследуемых ионов.

1. Исследование сезонных изменений в составе природной речной воды

При изучении сезонных изменений в составе воды за период 2006-2009 гг. по предприятиям ОАО «ПЗБФ» (река Суходрев), ООО «Сухонский ЦБК» (река Сухона), ОАО «Полиграфкартон» (река Волга) выявлены большие вариации содержания ионов Na+, K+, Са2+, Мg2+, SO42-, Cl-. Динамика содержания ионов Na+ в реках за период 2006-2009 гг. представлена на рисунке 1.

Наиболее существенное снижение ионов Na+ происходит:

в реке Суходрев (ОАО «ПЗБФ») в паводковый период апрель и в сезон дождей август-сентябрь, коэффициент вариации содержания ионов Na+ за период 2006-2009 гг. составляет 40 %, К+ – 47 %;

в реке Сухона (ООО «Сухонский ЦБК») происходит в мае, коэффициент вариации содержания ионов Na+ за период 2006-2009 гг. составляет 43 %, К+ – 34 %;

в реке Волга существенное снижение содержания происходит в мае, коэффициент вариации по ионам Na+ за период 2006-2009 гг. составляет 40 %, К+ – 45 %.

Необходимо отметить, что в мае в реке Волга происходит существенное снижение содержания по всем исследуемым ионам. Содержание ионов Na+ в реке Суходрев (ОАО «ПЗБФ») в 2 раза выше по сравнению с реками Сухона (ООО «Сухонский ЦБК») и Волга (ОАО «Полиграфкартон»), это связано с геологическими особенностями рек, а также протекающими в них биологическими процессами, различным питанием талыми и грунтовыми водами.

2006 г

2007 г

2008 г

2009 г

Рисунок 1 – Динамика изменения содержания ионов Na+ в природной речной воде: 1) р. Суходрев; 2) р. Сухона; 3) р. Волга

2. Исследование влияния количественного содержания ионов Na+ в производственной воде БДМ на характеристики готовой продукции

На втором этапе эксперимента проведен статистический анализ влияния количественного содержания ионов Na+ в вышеуказанных реках на систему водооборота БДМ и характеристики готовой продукции.

Рисунок 2 – Зависимость количественного содержания ионов Na+ в речной и производственной воде БДМ № 1 и БДМ № 2 ОАО «ПЗБФ»

Анализ данных рисунка 2 показал значительное влияние количественного содержания ионов Na+, содержащихся в речной воде, на их количественное содержание в системе водооборота БДМ со сравнительно высоким расходом свежей воды.

На рисунке 3 представлена зависимость прочностных показателей бумаги для гофрирования Б-1 массой 1 м2 – 125 г, произведенной на БДМ № 1 (ОАО «ПЗБФ») от концентрации ионов Na+ в реке Суходрев и системе водооборота. Данные рисунка 3 свидетельствуют о том, что из всех рассматриваемых прочностных показателей бумаги наиболее зависимы от количественного содержания ионов Na+ такие показатели как сопротивление продавливанию, прочность при растяжении, сопротивление торцевому сжатию гофрированного образца (ССТ), наименьшее влияние исследуемого параметра проявляется для сопротивления плоскостному сжатию гофрированного образца (СМТ).

Кроме того, в ходе исследования установлено, что при повышении массы 1 м2 выпускаемой продукции возрастает значимость количественного содержания ионов в воде в рек и систем водооборота БДМ на качество готовой продукции, что связано с необходимостью использования большего количества речной и оборотной воды.

Корреляционный анализ показателей качества готовой продукции и изменения состава речной воды ООО «Сухонский ЦБК» и ОАО «ПЗБФ», позволил выявить максимальное влияние количественного содержания ионов Na+ в речной воде и, как следствие, в системе водооборота БДМ на свойства бумаги для гофрирования марки Б-1 и картона для плоских слоев массой 125-140 г/м2.

а	б
в	г
Рисунок 3 – Взаимосвязь прочностных показателей бумаги для гофрирования с концентрацией ионов Na+ в р. Суходрев и системе водооборота БДМ № 1: а) П, кПа; б) St, кН/м; в) СМТ, кН/м; г) ССТ, кН/м