CC BY
79
ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ
УДК 676.038.2
М. В. Ванчаков, А. С. Смолин, А. В. Канарскаий
ИНТЕНСИФИКАЦИЯ РОСПУСКА МАКУЛАТУРЫ В ВОДЕ
Ключевые слова: макулатура, роспуск, смачивемость, гидроразбиватель, влагопрочность, набухание волокон.
В статье сгруппированы и проанализированы основные факторы, определяющие темп, качество и эффективность процесса роспуска макулатуры в водной среде. Приведены основные характеристики и условия эксплуатации различных гидроразбивателей. Отмечено влияние на роспуск влагопрочности и смачиваемости материалов, роль гидродинамических и механических воздействий на макулатуру, технологических факторов, вспомогательных веществ. Указаны факторы, способствующие набуханию отдельных волокон в процессе роспуска.
Keywords: recovered paper, disintergation, wetting, pulper, wet strength, fiber soaking.
The main factors that determine the rate, quality and efficiency of the process of recovered paper disintergation in the aquatic environment are grouped and analyzed. The main characteristics and operating conditions of various pulpers are given. The effect on the disintegaration of wet strength and wettability of materials, the role of hydrodynamic and mechanical effects on recovered paper, technological factors, auxiliaries were noted. The factors promoting the swelling of individual fibers during the disintegration process are indicated.
Роспуск или разволокнение макулатуры - это первая технологическая операция в системе ее переработки в массу на бумажных и картонных фабриках, от которой во многом зависит будущее качество макулатурной массы (ММ). На стадии роспуска решается ряд существенных для дальнейшей обработки массы задач:
- смешение макулатуры с водой и максимально возможное разделение ее на волокна для получения волокнистой суспензии - ММ;
- максимально возможное удаление из ММ крупных фракций загрязнений без их измельчения;
- частичное отделение загрязнений, связанных с волокнами в ММ;
- в случае необходимости, предварительное смешение ММ с химическими вспомогательными веществами.
Для роспуска макулатуры используют оборудование, технические характеристики и условия, эксплуатации которого представлены в таблице 1.
Таблица 1 - Характеристики и условия эксплуатации гидроразбивателей
Условия эксплуатации Характеристики аппарата
Тип Макула-тура Концентрация, % Производительность т/сут Продолжительность роспуска, мин Режим работы Рабочий орган Окружная скорость, м/с Сортирующее сито Диаметр аппарата, мм
Гидроразбиватель высокой концентрации Газеты, журналы До 18 30-400 15-20 Периодический Винтовой ротор 12-16 Нет/ Да 7100
Гидроразбиватель средней концентрации Газеты, журналы До 12 140-500 20-30 Периодический Винтовой ротор 13-17 Нет/ Да 6000
Гидроразбиватель низкой концентрации Гофрота-Ра До 6 2001600 5-40 Непрерывный Дисковый ротор с лопастями 15-20 Да 8000
Барабанный гидроразбиватель Газеты, журнал, гофротара До 20 1001600 20-40 Непрерывный Барабан 1,5-2,0 Да (барабан) 4250
Для оценки эффективности разволокнения при- как массовое отношение количества нераспущенных
меняют показатель степени роспуска, определяемый фрагментов макулатуры к общему количеству раз-
деленной на волокна массы, определяемый весовым методом [1].
Способность к роспуску различных марок макулатуры связана с показателем влагопрочности материала, который у разных видов бумаги и картона заметно различается. Так, при контакте с водой прочность на разрыв у не влагопрочных бумаг снижается на 85^95 % уже в течение двух-трех минут, а у влагопрочных - за то же время только на 60^75 %. При роспуске смешанной макулатуры разделение на волокна фрагментов влагопрочного материала происходит медленнее, чем фрагментов не влагопроч-ного материала, что приводит к снижению показателя степени роспуска массы и к увеличению продолжительности и энергоемкости процесса. Существенное влияние на снижение показателя влаго-прочности оказывает продолжительность периода старения макулатуры. В связи со спецификой макулатурного сырья, его роспуск, при равных условиях, занимает больше времени, чем роспуск материалов, состоящих только из первичного волокна.
При увлажнении сухой макулатуры вода проникает в поры листа и раздвигает волокна в нем. Происходит разрыв прочных водородных связей между волокнами и замещение их слабыми водными мостиками. Одновременно вода, как смазка, уменьшает трение между волокнами, что приводит к дополнительному снижению прочности бумажного листа. Достаточная продолжительность воздействия влаги на бумагу, в сочетании со сниженной гидрофильно-стью поверхности межволоконных пор, является условием, определяющим процесс намокания бумаги. При этом отмечается, что движение влаги в сильно проклеенной бумаге может происходить не только через межволоконные, но и через внутриво-локонные поры. Скорость пропитки бумажного материала водой (скорость промокания) зависит не только от размеров и состояния внутренних влаго-проводящих путей (пор) в нем, но и от таких факторов, как концентрация массы, температура и рН среды, площадь поверхности соприкосновения волокон между собой, гидродинамики процесса смешения и других. Так, увеличение площади соприкосновения волокон между собой способствует более интенсивному переходу влаги от одного волокна к другому и, соответственно, более быстрому намоканию их.
При роспуске влагостойких видов бумаги и картона повышение их смачиваемости за счет придания гидрофильных свойств позволяет облегчить доступ влаги в межволоконные капилляры бумажного листа и тем самым, интенсифицировать процесс роспуска. Повышение смачиваемости обеспечивается специальными реагентами, в основном, группы поверхностно активных (ПАВ), в количестве примерно 0,5 % от массы макулатуры, снижающими поверхностное натяжение дисперсионной среды. Разработаны специальные препараты, ускоряющие процессы смачивания влагостойкого материала и, попутно, растворения и отмывания красителей. Они позволяют сократить расход, а иногда и полностью отказаться от традиционных химикатов, таких как гид-роксид натрия. Их применяют для интенсификации
роспуска использованной картонной тары, бумаг с восковым, силиконовым, поливинилацетатным и др. покрытиями.
При отсутствии дорогих смачивателей, для ускорения процесса роспуска можно использовать гид-роксид натрия в количестве около 1,0 % от массы макулатуры. Он позволяет понижать влагопроч-ность сильноклеенной макулатуры при контакте с водой. Щелочная среда способствует очистке волокна от типографской краски. Некоторую потерю белизны волокна при обработке в щелочной среде можно компенсировать подачей в смесь перексида водорода в количестве около 1,0 % от массы макулатуры.
Однако применение щелочной среды в качестве интенсификатора процессов роспуска и набухания имеет и побочные негативные последствия, среди которых:
- пенообразование массы;
- ухудшение процессов обезвоживания на бумагоделательной машине (БДМ);
- потребность в применении дополнительных химикатов (если проклейка на БДМ ведется в массе);
- ухудшение процессов очистки оборотных и сточных вод.
Указанные выше факторы роспуска, сами по себе, не в состоянии обеспечить реальное разволокне-ние макулатуры. Их основная роль - обеспечить максимальное снижение прочности листа и, тем самым, создать благоприятные условия для реализации факторов гидродинамического и механического воздействия при роспуске макулатуры в различных аппаратах [2].
Гидродинамические воздействия обусловливаются наличием гидравлических потоков в ванне гидроразбивателя, которые и приводят в движение фрагменты макулатуры. Движение гидравлических потоков в аппарате обязательно сопровождается наличием в них градиентов скорости, которые вызывают разрушающие воздействия на фрагменты макулатуры в потоке. Движущиеся в гидравлических потоках аппаратов фрагменты макулатуры испытывают ударные воздействия от подвижных элементов аппарата (лопастей роторов, молотков), а также в результате столкновения их с различными преградами в виде стенок аппаратов, внутренних ребер, соседних фрагментов. Ударные воздействия организовывают, например, путем подъема и сбрасывания с высоты на твердую поверхность влажной макулатуры в аппаратах барабанного типа. Дополнительными механическими воздействиями на макулатуру являются трение и раздирание. Трение происходит при скольжении материала по стенкам аппарата, поверхности ротора, между отдельными фрагментами и волокнами макулатуры в потоке. Раздирание фрагментов происходит в зазорах между подвижными и стационарными элементами роторов аппаратов. Так как прочность волокон, составляющих бумагу и картон, во много раз превышает прочность увлажненного листа, указанные механические воздействия позволяют разделять его на отдельные волокна без нарушения их целостности.
Среди технологических факторов, определяющих эффективность процесса роспуска, отмечается [3] концентрация распускаемой массы. Так, увеличение концентрации массы в гидроразбивателе с традиционных 4 % до 7-8 % позволяет на треть снизить потребление энергии на роспуск. Однако повышение концентрации выше этого уровня требует установки специальных роторов (см. табл.). Чем выше концентрация массы при роспуске, тем больше должно быть отношение геометрического объема ротора к объему ванны гидроразбивателя. В предельных случаях это отношение достигает величины, равной 0,25.
Определенное влияние на процесс роспуска оказывает температура смеси. С повышением температуры интенсивность процесса возрастает, что связано с понижением вязкости воды, вследствие чего она легче проникает в поры бумаги. Так, повышение температуры массы с 10 до 40 0С в гидроразбивателе позволяет сократить продолжительность процесса почти на 10 %. Однако следует учитывать, что для роспуска используется, в основном, оборотная вода, подогрев которой потребует дополнительных затрат энергии. Кроме того, повышение температуры массы негативно сказывается на последующей гидратации (набухании) волокон макулатуры в процессе их размола.
Значительную роль при роспуске играют и геометрические параметры соответствующего аппарата. Размер отверстий подроторного сита гидрораз-бивателя оказывает заметное влияние на производительность роспуска. Размером отверстий сита в определенной мере определяется и степень роспуска макулатуры. В свою очередь, требуемая степень роспуска определяется наличием или отсутствием в схеме роспуска аппарата для дороспуска макулатуры. Выбор размеров отверстий перфорации сита гидроразбивателя сводится к решению задачи оптимизации, цель которого - минимизация энергозатрат на роспуск макулатуры. Практически, эти размеры колеблются в диапазоне от 4 до 20 мм. Интенсификацию процесса роспуска [4] обеспечивают гидро-разбиватели с ванной, имеющей форму усеченного в продольной плоскости цилиндра и плоским ротором. Такая ванна способствует быстрому погружению кипы макулатуры в ванну за счет увеличения турбулентности потоков и попаданию ее в зону действия ротора. Аналогично протекает процесс роспуска в гидроразбивателе с наклонными днищем ванны и осью ротора. Дополнительное преимущество при этом - облегчение процесса очистки сита ванны и выгрузки содержимого гидроразбивателя.
При подготовке ММ для производства продукции повышенного качества из книжно-журнальной и офисной макулатуры, роспуск проводится с применением добавок гидроксида натрия, пероксида водорода и его стабилизатора - силиката натрия. В дополнение к этим реагентам используют диспер-генты - поверхностно активные вещества (ПАВ) для диспергирования частиц печатной краски при использовании последующей промывке ММ, а перед флотацией массы - ПАВ-коллекторы собирающего типа, которые объединяют мелкие частицы печат-
ной краски в гидрофобные агломераты. Кроме того, в случае необходимости получения диспергирующего эффекта для отделения печатной краски, также используют добавки водостойких веществ в виде щелочных полифосфатов натрия, которые создают слабую кислую среду. Благодаря этим добавкам, при роспуске запечатанной макулатуры происходит диспергирование и отделение печатных красок, за счет чего на 2-4 % повышается белизна массы.
В последнее время все более популярным становится использование ферментов (энзимов) в процессах подготовки ММ. Применение ферментов сокращает продолжительность роспуска макулатуры. Так, при расходе энзимов в количестве 0,5 % от массы макулатуры, высокая степень роспуска достигается в течение нескольких минут. Обработка суспензии энзимами в процессе роспуска позволяет снизить расход перекиси водорода на отбелку ММ. Кроме того, при использовании энзимов отпадает необходимость в использовании гидроксида и силиката натрия, ПАВ-коллекторов и комплексообразовате-лей. Экономия эксплуатационных расходов в зависимости от стоимости энзимов может составить 20^35 %. Применение энзимов по сравнению с традиционными химическими реагентами дает следующие преимущества:
- не происходит пожелтения ММ благодаря отсутствию щелочей;
- сокращается продолжительность процесса роспуска макулатуры;
- не требуется применения традиционных химических реагентов;
- повышается способность ММ к обезвоживанию;
- улучшаются показатели механической прочности продукции;
- сокращаются эксплуатационные расходы;
- уменьшаются расходы на обработку оборотной воды.
Процесс роспуска макулатуры, как и дальнейшая обработка ММ должны сопровождаться эффективным набуханием волокон в водной среде, без которого невозможна регенерация бумагообразующие свойства волокон. Набухание - это комплексный процесс, включающий одновременно ослабление межволоконных связей и пластификацию (размягчение и повышение эластичности) волокон за счет увеличения содержания воды в их структуре. Набухание отдельных волокон начинается уже с увеличением влажности окружающей среды. Заметно этот эффект проявляется уже при концентрации массы около 50 %. Уровень водопоглощения зависит от природы волокон, степени их помола, удельной поверхности, зольности и др. Процесс набухания -экзотермический, следовательно предварительное повышения температуры среды для него нежелательно. С другой стороны, повышение температуры среды способствует снижению вязкости воды и роспуску макулатуры. Таким образом, возникает задача определения оптимума температуры.
Существенную роль в процессе набухания играет рН используемой водной среды. Интенсификации набухания благоприятствует щелочная среда, а сни-
жение рН препятствует ему. Поэтому в качестве вспомогательных веществ, интенсифицирующих процесс набухания, используют щелочи в виде гид-роксида натрия, соду и клейстеризованный крахмал. Процесс набухания в такой среде занимает меньше времени. О негативных последствиях применения щелочной среды в процессе роспуска и набухания отмечалось выше. Исследования показали, что в кислой среде оптимальная для набухания продолжительность замачивания запечатанной и смешанной макулатуры, при температуре 22-25 0С, концентрации 3-4 % и рН -5-6 перед размолом, составляет около 3 часов. Увеличение продолжительности набухания сверх этого времени дает малый эффект, а затраты на сооружение необходимых дополнительных бассейнов значительно возрастают.
Таким образом, все рассмотренные выше факторы процесса разделения макулатуры на волокна, а также набухания их в водной среде, в той или иной степени влияют на степень роспуска, производи-
тельность, удельные энергозатраты на процесс и на
качество получаемой ММ.
Литература
1. Стандарт TAPPI T275 и TAPPI UM242. Лабораторное оборудование для испытаний целлюлозы, бумаги и картона, каталог, ООО «РТА - Санкт -Петербург», 20092010, с. 46-47.
2. Гаузе А.А., Гончаров В.Н., Кугушев И.Д. Оборудование для подготовки бумажной массы: Учебник для вузов. -М.: Экология, 1992, с. 250-275.
3. Ванчаков М.В., Дубовый В.К., Кулешов А.В., Коновалова Г.Н. Технология и оборудование для переработки макулатуры: учебн. пособие. - 2-е изд., испр. и доп./ СПбГТУ РП, - 2011, с. 37-61.
4. Дулькин Д.А., Спиридонов В.А., Комаров В.И. Современное состояние и перспективы использования вторичного волокна из макулатуры в мировой и отечественной индустрии бумаги: Изд-во Арханг. гос. техн. ун-та, 2007, с. 159-178.
© М. В. Ванчаков - доцент, к.т.н., профессор кафедры машин автоматизированных систем Санкт-Петербургского государственного университета промышленных технологий и дизайна. Высшая школа технологии и энергетики. Институт технологии.; А. С. Смолин - профессор, д.т.н., зав кафедрой технологии бумаги и картона Санкт-Петербургского государственного университета промышленных технологий и дизайна. Высшая школа технологии и энергетики. Институт технологии. А. В. Канарский - д.т.н., профессор каф. пищевой биотехнологии, КНИТУ, alb46@mail.ru.
© M. V. Vanekov - associate Professor, Ph. D., Professor, Department of machines in automated systems, St. Petersburg state University industrial technology and design. Higher school of technology and energy. Institute of technology; A. S. Smolin - professor,doctor of the technical science, head of paper and board technology department in St. Petersburg State University of industry technology and design .High school of technology and energy. Technology University; A. V. Kanarskiy - Dr. Tech. Sci., professor, Department of Food Biotechnology, Kazan National Research Technological University, alb46@mail.ru.
