CC BY
27
УДК 676.038.2/026.72
ИССЛЕДОВАНИЕ СТАДИИ РОСПУСКА В ПРОЦЕССЕ ОБЛАГОРАЖИВАНИЯ ГАЗЕТНОЙ МАКУЛАТУРЫ
© А.Я. Агеев, Б.В. Акулов
Уральский государственный лесотехнический университет, ул. Ленина 79, Екатеринбург (Россия) e-mail: generat@usfea.ru
Исследована стадия роспуска газетной макулатуры, являющаяся подготовительной стадией процесса облагораживания ее способом флотации. С помощью математического планирования эксперимента были определены оптимальные условия процесса роспуска (температура 40°С; продолжительность 15 мин; расход химикатов, % к а.с.в.: NaOH - 1,75; Na2SiO3 - 5; H2O2 - 3) с достаточно эффективным удалением типографской краски.
Введение
В настоящее время вторичное волокно является одним из самых значительных источников сырья для производства бумаги и картона во всех развитых странах.
Традиционно значительная доля макулатуры перерабатывается на картон для тары и упаковки. Однако в мире продолжает значительно увеличиваться количество макулатуры, используемой в производстве высококачественных видов бумаги санитарно-технического назначения, а также бумаги газетной, для печати и письма, что стало возможно благодаря совершенствованию оборудования и технологии облагораживания макулатуры.
Наиболее интенсивно развивается в мире направление по использованию макулатуры для производства газетной бумаги. По основным потребительским свойствам газетная бумага из вторичного волокна практически не отличается от таковой из свежего волокна. При переходе от свежих к вторичным полуфабрикатам не требуется снижения скорости современных бумагоделательных машин. Применение бумаги из макулатуры для производства газет на современных высокопроизводительных печатных машинах осуществляется без снижения производительности [1].
Для производства газетной бумаги из вторичного сырья целесообразно применять макулатуру марки МС-10, поскольку в ней практически отсутствуют липкие включения, которые приносят наибольшую долю обрывов на современных скоростных бумагоделательных машинах и бумажного брака.
Для использования макулатуры, загрязненной типографской краской, в производстве картона и бумаги высокого качества целесообразно проводить химическую обработку с целью облагораживания этого вида макулатуры.
Облагораживание макулатуры - сложный процесс, в котором многие факторы имеют важное значение. Основные физико-химические процессы при облагораживании вторичного волокна делятся на две стадии:
- предварительная подготовка волокнистой суспензии (роспуск);
- удаление частиц печатной краски из волокнистой суспензии.
Вторая стадия осуществляется либо промывкой, либо флотацией, либо комбинацией этих двух способов. Широкое применение получил процесс облагораживания макулатуры способом флотации, так
* Автор, с которым следует вести переписку.
как данный процесс характеризуется более низкими потерями волокна и небольшим расходом воды, а также не создает проблем в отношении стоков.
Анализ литературы, посвященной облагораживанию макулатуры, показал, что имеются различные режимы роспуска макулатуры и составы химикатов, применяемые при роспуске, но сведения эти весьма разнообразны и порой противоречивы, и отсутствуют данные по оптимизации процесса роспуска.
Эта работа была посвящена поиску повышения эффективности процесса облагораживания макулатуры на стадии роспуска и оптимизации этой стадии.
В качестве сырья в работе была использована макулатура марки МС-10, полученная из газет, отпечатанных офсетным способом.
Роспуск макулатуры был осуществлен с помощью лабораторной мешалки, а вторая стадия проведена во флотационной установке, в которой пузырьки воздуха образованы при прохождении воздушного потока через пористую перегородку.
В процессе предварительной подготовки волокнистого сырья - роспуске происходит омыление связующих веществ, и краска теряет свою вяжущую способность под влиянием щелочных химикатов, тепла и механического воздействия. В комплекс щелочных химикатов входили: гидроксид натрия, добавляемый для создания щелочной среды; пероксид водорода, благотворно влияющий на отделение типографской краски с поверхности волокон, и жидкое стекло с его способностью к комплексообразованию и активации пероксида водорода.
После окончания стадии роспуска произведено удаление частиц краски из волокнистой массы способом флотации. Для придания гидрофобных свойств частицам краски и сорным примесям перед флотацией в макулатурную массу была добавлена стеариновая кислота, в результате чего данные загрязнения были удалены за счет подъемной силы пузырьков воздуха.
Экспериментальная часть
При выполнении эксперимента по поиску повышения эффективности облагораживания было изучено влияние на результаты процесса следующих факторов роспуска макулатуры: Х1 - температура роспуска, °С; Х2 - продолжительность обработки, мин; Х3 - расход гидроксида натрия, % от массы абсолютно сухого волокна; Х4 - расход силиката натрия, % от массы абсолютно сухого волокна; Х5 - расход пероксида водорода, % от массы абсолютно сухого волокна. Для определения степени влияния этих факторов на выходные показатели обработанной макулатуры был поставлен эксперимент по плану Хартли для пяти переменных факторов (т=5) [2] .Исходные данные для планирования эксперимента представлены в таблице 1.
Постоянными условиями роспуска были: концентрация массы - 5%, расход стеариновой кислоты - 1% от массы абсолютно сухого волокна.
Условия последующего удаления типографской краски способом флотации: концентрация массы -
0,8%, продолжительность флотации - 10 мин, температура обработки - 50°С.
План эксперимента в кодированных и натуральных значениях представлен в таблице 2.
Выходными показателями процесса облагораживания макулатуры способом флотации были выбраны: степень белизны облагороженной макулатуры, потери при облагораживании и показатель механической прочности - разрывная длина.
Результаты реализации плана эксперимента по указанным параметрам представлены в таблице 3.
Таблица 1. Исходные данные для планирования эксперимента по облагороженной макулатуре
Переменные факторы
Характеристика плана температура, °С продолжительность, расход химикатов, % к а. с. в.
мин ЫаОН Ка2БЮ3 Н2О2
Хі Х2 Хз Х4 Х5
Основной уровень 40 30 1,75 3,0 2,25
Шаг варьирования 20 15 1,25 2,0 1,75
Верхний уровень 60 45 3,00 5,0 4,00
Нижний уровень 20 15 0,50 1,0 0,50
Таблица 2. План эксперимента (план Хартли для т = 5)
Кодированные значения переменных
Натуральные значения переменных
опыта Х1 Х2 Х3 Х4 Х5 Х1 Х2 Х3 Х4 Х5
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
1 1 1 1 1 1 60 45 3.00 5,0 4,00
2 1 1 1 -1 20 45 3,00 5,0 0,50
3 1 -1 1 1 -1 60 15 3,00 5,0 0,50
1 3 6 7 8 9 10 11
4 -1 1 1 1 20 15 3,00 5.0 4,00
5 1 1 1 -1 60 45 0,50 5,0 0,50
6 1 1 1 20 45 0,50 5,0 4,00
7 1 -1 1 1 60 15 0,50 5,0 4,00
8 -1 1 -1 20 15 0,50 5,0 0.50
9 1 1 1 -1 60 45 3,00 1.0 0,50
10 1 1 1 20 45 3,00 1,0 4,00
11 1 -1 1 1 60 15 3,00 1,0 4,00
12 -1 1 -1 20 15 3,00 1,0 0,50
13 1 1 1 60 45 0,50 1,0 4,00
14 1 -1 20 45 0,50 1,0 0,50
15 1 -1 -1 60 15 0,50 1,0 0,50
16 -1 1 20 15 0,50 1,0 4,00
17 1 0 0 0 0 60 30 1,75 3,0 2,25
18 0 0 0 0 20 30 1,75 3,0 2,25
19 0 1 0 0 0 40 45 1,75 3,0 2,25
20 0 -1 0 0 0 40 15 1,75 3,0 2,25
21 0 0 1 0 0 40 30 3,00 3,0 2.25
22 0 0 -1 0 0 40 30 0,50 3,0 2,25
23 0 0 0 1 0 40 30 1,75 5,0 2,25
24 0 0 0 -1 0 40 30 1,75 1,0 2,25
25 0 0 0 0 1 40 30 1,75 3,0 4,00
26 0 0 0 0 -1 40 30 1,75 3,0 0,50
27 0 0 0 0 0 40 30 1,75 3,0 2,25
По экспериментальным данным были рассчитаны коэффициенты уравнений регрессии, оценена их значимость и определена адекватность полученной модели реальному процессу. В результате были получены следующие уравнения регрессии:
а) по белизне
УБ = 457,67 + 0,80 Х1 - 0,57Х2 - 0,50Х3 + 1,95Х4 + 2,27Х5 - 1,74Х12 - 1,55Х52 - 0,79Х1Х2 + 1,68Х1Х4 +
+ 1,00Х2Х4 + 1,39Х3Х5 - 1,20 Х4Х5
б) по потерям при облагораживании
УП = 11,74 - 4,24Х1 + 0,69Х2 + 0,50Х3 - 0,51Х4 - 2,11Х5 - 3,05Х12 + 8,89Х32 - 6,20Х42 + 3,19Х52 + 1,99Х1Х2 + + 1,29Х1Х3 + 1,43Х1Х4 + 0,93Х1Х5 - 2,37Х2Х3 + 0,77Х2Х4 - 3,23Х2Х5 + 1,12Х3Х4 - 2,21Х3Х5 + 3,63Х4Х5
в) по разрывной длине
УР = 4513,2 + 172,2Х1 - 150,0Х2 +102,8Х3 + 91,7Х4 + 122,0Х5 -142,5Х12 - 117,5 Х32 - 392,5Х52 +
+ 153,1Х1Х2 - 165,6Х1Х3 + 78,1Х1Х5 + 396,9Х2Х3 + 115,6Х2Х5 + 53,1Х3Х4 + 159,4Х3Х5 - 378,1Х4Х5
Таблица 3. Результаты реализации плана эксперимента по облагораживанию макулатуры
Выходные показатели процесса облагораживания
№ опыта Белизна, % Потери, % от исходной массы Разрывная длина, м
1 58,9 13,1 4500
2 50,0 19,5 4200
3 55,8 10,4 3900
4 54,0 22,5 3650
5 58,8 12,5 3900
6 55,1 17,7 2300
7 57,8 10,6 4050
8 52,0 8,4 4600
9 42,2 19,6 3300
10 56,0 4,0 4600
11 57,3 6,9 3950
12 48,0 28,6 3100
13 50,9 6,3 4050
14 49.4 29,3 2100
15 51,0 4,9 4100
16 54,8 20,2 4250
17 56,9 4,7 4450
18 55,3 12,2 4300
19 57,3 11,5 4400
20 58,5 11,1 4650
21 56,6 17,6 4400
22 57,7 23,2 4400
23 58,6 5,0 4550
24 55,9 5,6 4450
25 58,1 11,7 4200
26 54,5 17,7 4050
27 56,6 13,7 4500
Обсуждение результатов
Из уравнения регрессии по белизне макулатуры следует, что по степени влияния на прирост белизны исследуемые в эксперименте факторы располагаются в следующем порядке: расход пероксида водорода, расход силиката натрия, температура, продолжительность и расход гидроксида натрия.
Анализ данных эксперимента и полученного уравнения регрессии показал, что:
- изменение температуры в диапазоне от 20 до 60°С свидетельствует, что наибольшая белизна макулатуры достигается при 44°С;
- увеличение продолжительности роспуска не вызывает существенного изменения белизны макулатуры;
- увеличение расхода гидроксида натрия приводит к небольшому снижению белизны макулатуры;
- увеличение расхода силиката натрия приводит к увеличению белизны макулатуры;
- увеличение расхода пероксида водорода до 3,0% от абсолютно сухого волокна приводит к увеличению белизны макулатуры.
Из уравнения регрессии по потерям при облагораживании следует, что по степени влияния на потери при облагораживании макулатуры исследуемые факторы располагаются в следующем порядке: расход гидроксида натрия, расход силиката натрия, температура, расход пероксида водорода и продолжительность.
Анализ данных эксперимента и полученного уравнения регрессии по потерям при облагораживании показал, что:
- увеличение температуры роспуска до 48°С приводит к снижению потерь при облагораживании;
- увеличение продолжительности роспуска в диапазоне от 15 до 45 мин не вызывает существенных изменений в потерях при облагораживании;
- увеличение расхода гидроксида натрия от 0,50 до 1,75% от абсолютно сухого волокна приводит к снижению потерь при облагораживании, дальнейшее увеличение расхода данного химиката приводит к увеличению потерь;
- увеличение расхода силиката натрия до 3,0% от абсолютно сухого волокна приводит к значительному увеличению потерь при облагораживании;
- увеличение расхода пероксида водорода до 3,0% от абсолютно сухого волокна приводит к снижению потерь при облагораживании.
Из уравнения регрессии по разрывной длине макулатуры следует, что по степени влияния на разрывную длину облагороженной макулатуры исследуемые в эксперименте факторы располагаются в следующем порядке: расход пероксида водорода, температура, продолжительность, расход гидроксида натрия и расход силиката натрия.
Анализ данных эксперимента и полученного уравнения регрессии по разрывной длине показал, что:
- увеличение температуры роспуска приводит к увеличению разрывной длины макулатуры;
- увеличение продолжительности роспуска приводит к значительному снижению разрывной длины макулатуры;
- увеличение расхода гидроксида натрия приводит к возрастанию разрывной длины макулатуры;
- увеличение расхода силиката натрия не вызывает существенного изменения разрывной длины макулатуры;
- увеличение расхода пероксида водорода от 0,5 до 3,0% от абсолютно сухого волокна приводит к увеличению разрывной длины макулатуры.
При решении уравнений регрессии были получены следующие оптимальные режимы роспуска макулатуры: температура - 40°с, продолжительность обработки - 20 мин, расход химикатов, % от абсолютно сухого волокна: гидроксида натрия -1,75; силиката натрия - 4,5; пероксида водорода - 3,0.
По разработанному режиму роспуска макулатуры было проведено контрольное облагораживание при постоянных условиях флотации волокнистой суспензии. Результаты этого облагораживания представлены в таблице 4.
В целом из данных таблицы 3 видно, что результаты контрольного облагораживания совпадают с расчетными значениями. Разность между расчетными и полученными значениями, возможно, объясняется колебаниями содержания солей жесткости в воде, которую применяли в этой работе, поскольку данные соли влияют на процесс флотации
Таблица 4. Расчётные и экспериментальные показатели облагороженной макулатуры
Наименование показателя Расчетное значение Показатели, полученные по оптимальным условиям
Потери при облагораживании, 15,0 14,7
% от исходной массы
Белизна, % 58,7 60,8
Разрывная длина (75 г/м2) 4600 4800
Выводы
Таким образом, исследована стадия роспуска газетной макулатуры, являющаяся подготовительной стадией облагораживания ее способом флотации. с помощью математического планирования эксперимента разработаны оптимальные условия процесса роспуска газетной макулатуры (температура 40°С; продолжительность 15 мин; расход химикатов, % к а.с.в.: №0Н - 1,75; №28Ю3 - 5; Н202 - 3). По данному режиму был произведен роспуск макулатуры с последующей флотацией, после которой получили следующие результаты: белизна - 60,8 %, потери при облагораживании - 14,7 %, разрывная длина -4800 м.
Список литературы
1. Потапенко А.П. Анализ мировых тенденций в использовании макулатуры для производства газетной и других видов печатной и писчей бумаги / Обз. инф. ВНИПИЭИлеспром. М., 1991. 28 с.
2. Пен Р.З. Статистические методы моделирования и оптимизации процессов целлюлозно-бумажного производства. Красноярск, 1982. 192 с.
Поступило в редакцию 4 сентября 2002 г.
