CC BY
72
Химия растительного сырья. 2012. №1. С. 181-186.
Бумага и картон
УДК 676.12.022
ИССЛЕДОВАНИЯ ПО РОСПУСКУ И ФЛОТАЦИИ МАКУЛАТУРНОЙ МАССЫ ИЗ ГАЗЕТНОЙ МАКУЛАТУРЫ
© Ф.Х. Хакимова , Т.Н. Ковтун, Е.Ю. Ушаков
Пермский государственный технический университет, Комсомольский пр.,
29, Пермь, 614990 (Россия), e-mail: tcbp@pstu.ru
Проведены исследования по роспуску и флотации макулатурной массы из газетной макулатуры. С использованием математического планирования эксперимента получены уравнения регрессии для основных характеристик газетной макулатурной массы при роспуске и флотации; определены оптимальные условия процессов облагораживания газетной макулатуры; приведены данные, характеризующие изменение свойств макулатурной массы в процессе облагораживания по оптимальным режимам.
Ключевые слова: газетная макулатура, роспуск, флотация, планирование эксперимента, оптимизация, показатели макулатурной массы.
Введение
Рациональное использование природных ресурсов и охрана окружающей среды - одно из основных направлений развития лесного комплекса. Наиболее существенным способом повышения комплексности использования древесного сырья является рост потребления макулатуры, так как она является крупным резервом вторичных волокон и может быть использована в качестве полноценного заменителя первичных волокнистых полуфабрикатов в производстве бумаги и картона. Использование макулатуры в качестве сырья обеспечивает экономию древесины, утилизацию использованных бумажных изделий, сокращение объема свалок, а также расхода энергии на производство бумаги и картона [1]. Увеличению объемов переработки макулатурного сырья способствует и ужесточение экологических требований, в частности, необходимость полной утилизации твердых отходов целлюлозно-бумажного производства.
Бумага и картон - сложные полимерные композиции, требования к качеству которых весьма разнообразны в зависимости от целевого назначения. Соответственно, предъявляются определенные жесткие требования и к волокнистым полуфабрикатам для их производства, в том числе к вторичному волокну -макулатурной массе.
До недавнего времени основной объем вторичного сырья использовали в композиции тароупаковочных видов бумаги и картона. Значительные усовершенствования процессов подготовки макулатуры к переработке позволили более широко использовать данный вид сырья в производстве бумажной продукции.
Основной способ подготовки макулатурного сырья к переработке - облагораживание, включающее стадии роспуска макулатуры на волокна и удаления типографской краски из волокнистой суспензии. Облагораживание макулатурной массы должно обеспечивать достаточную степень очистки от инородных включений (в том числе и от типографской краски) и возможно более полное сохранение физических параметров и механических свойств макулатурных волокон.
В схеме облагораживания макулатурной массы (в том числе и из газетной макулатуры) роспуск имеет существенное значение, так как именно на этой стадии происходит разделение исходного сырья на отдельные волокна и отделение частиц типографской краски от волокна.
Доминирующим способом удаления печатной краски из макулатурной массы является флотация. Облагораживание макулатуры с использованием этой стадии позволяет осуществлять глубокую перера-
* Автор, с которым следует вести переписку.
ботку печатных видов макулатурного сырья и более широко использовать его в производстве бумажной продукции [2]. Для наиболее эффективного отделения частиц краски от волокнистой суспензии процесс флотации проводят в присутствии флотореагента.
Условия проведения процессов роспуска и флотации существенно влияют на качество получаемой макулатурной массы и, соответственно, определяют возможность ее дальнейшего использования. В данной работе приведены результаты исследований по оптимизации условий роспуска и флотации газетной макулатурной массы.
Экспериментальная часть
Первоначально была исследована стадия роспуска газетной макулатуры, от условий проведения которой зависит эффективность всего процесса облагораживания.
При выполнении работы была принята следующая схема облагораживания макулатуры: роспуск макулатуры с добавлением химикатов (Н202, №ОН, Ма^Юз, флотореагента - стеариновой кислоты) - набухание массы в течение 90 мин - флотация макулатурной массы для удаления типографской краски в присутствии флотореагента.
Для исследований использована макулатура - газеты не более чем двухмесячной давности, так как способность печатной краски к отделению с поверхности волокон по мере старения макулатурного сырья снижается.
Для разработки оптимальных условий роспуска газетной макулатуры был поставлен эксперимент по трехфакторному плану Бокса (эксперимент №1). В ходе эксперимента было изучено влияние на выходные параметры (белизну, выход и разрывную длину макулатурной массы) трех переменных факторов: температуры, продолжительности роспуска и расхода пероксида водорода, добавляемого при роспуске макулатурной массы.
Границы варьирования переменных факторов были приняты следующие: температура (Х1) - 2060 °С; продолжительность роспуска (Х2) - 10-50 мин; расход пероксида водорода (Х3) - 0,5-4,0% к абс. сух. волокну.
Условия роспуска макулатуры, которые сохранялись постоянными при выполнении эксперимента №1, а также условия последующей флотации полученной макулатурной массы приведены в таблице 1. Все эти условия были приняты на основании предварительных исследований по облагораживанию газетной макулатуры.
Вторая стадия процесса облагораживания макулатуры - флотация - также влияет на эффективность процесса облагораживания макулатурной массы, что и вызывает необходимость проведения ее оптимизации.
Для разработки оптимальных условий флотации макулатурной массы был поставлен эксперимент по трехфакторному плану Бокса (эксперимент №2). В ходе эксперимента было изучено влияние на белизну, выход и разрывную длину макулатурной массы трех факторов: температуры, продолжительности и концентрации массы при флотации.
При выполнении данного раздела работы была принята схема облагораживания макулатуры, аналогичная схеме, использованной при разработке оптимальных условий роспуска макулатуры.
Таблица 1. Постоянные условия роспуска и условия флотации в эксперименте № 1
стеариновая кислота (флотореагент) Концентрация массы, %
Скорость оборотов мешалки, об/мин
Время выдерживания массы после роспуска, мин
pH массы
Расход химикатов, от абсолютно сухого волокна, %
Ка2БЮ3
ЫаОН
Постоянные условияроспуска
1,75
5 1
6
1400
90
10,5
Первая стадия облагораживания -роспуск газетной макулатуры - в этом случае проводили по разработанным оптимальным условиям в эксперименте №1 (температура 40 °С; продолжительность 32 мин; расход пероксида водорода 3,2% от абс. сух. волокна). Постоянные условия роспуска указаны в таблице 1.
Концентрация массы, % Температура, °С
Продолжительность флотации, мин
Условия флотации
0,8
50
5
Интервалы варьирования переменных факторов при флотации макулатурной массы: температура (Х1) - 20-60 °С; продолжительность флотации (Х2) - 3-12 мин; концентрация массы (Х3) - 0,8-1,2%.
Распределение волокон макулатурной массы по длине было определено на анализаторе волокна Файбер Тестер. Работа анализатора основана на лазерном сканировании водной волокнистой суспензии с высокой степенью разбавления.
Обезвоживаемость и водоудержание макулатурной массы определяли в соответствии с методиками, приведенными в литературе [4].
Обсуждениерезультатов
На первом этапе работы был исследован процесс роспуска газетной макулатуры. Результаты реализации плана эксперимента №1 по роспуску газетной макулатуры представлены в таблице 2.
Для статистического анализа результатов эксперимента и оптимизации условий процесса роспуска газетной макулатуры использовали программный пакет Statgraphics Plus Version 5.0 [3].
Зависимость каждого из выходных параметров (белизны, выхода и разрывной длины макулатурной массы) от переменных факторов процесса роспуска (температуры, продолжительности и расхода пероксида водорода) аппроксимировали уравнениями регрессии второго порядка. Получены следующие уравнения регрессии:
для белизны макулатурной массы
у1 = 60,75 + 1,29x1 + 1,22x2 + 1,54x3 - 1,8x12 ;
для выхода макулатурной массы
у2 = 93,275 + 1,8xi + 1,77x2 + 1,97xi2 - 2,22xix2 - 1,15xix3 + 0,97x2x3 + +1,37x32;
дляразрывной длины
y3 = 3493,12 + 321,0xj + 311,0x2 + 473,12^ + 236,25^x2 + 386,87x22 + +123x3.
Выявленный на основании уравнений регрессии характер влияния исследованных факторов на показатели макулатурной массы объясняется тем, что повышение температуры, продолжительности и расхода пероксида водорода приводит к более эффективному отделению типографской краски от волокна и, соответственно, способствует повышению белизны и сокращению потерь мелкого волокна с пеной. Представленные уравнения регрессии использовали для оптимизации процесса роспуска.
Задача оптимизации состояла в том, чтобы в пределах изученного диапазона варьирования переменных факторов найти условия, обеспечивающие максимальную белизну макулатурной массы при выходе не менее 93,8% и разрывной длине не менее 3500 м.
Таблица 2. Результаты реализации плана Бокса (т = 3) при исследовании процесса роспуска
№ опыта Переменные факторы Выходные параметры
температура, °С (ХО продолжительность, мин (Х2) расход Н202, % от абс.сух. волокна (Х3) белизна, % (У1) выход, % (У2) разрывная длина, м (Уэ)
1 60 50 4,00 62,3 92,4 4370
2 20 50 4,00 58,4 95,1 3150
3 60 10 4,00 58,6 95,0 3210
4 20 10 4,00 56,3 89,4 2880
5 60 50 0,50 57,6 95,9 3960
6 20 50 0,50 54,8 94,6 3000
7 60 10 0,50 55,7 95,2 3030
8 20 10 0,50 55,1 84,4 3070
9 60 30 2,25 60,6 92,8 3390
10 20 30 2,25 57,3 89,8 2650
11 40 50 2,25 62,4 95,2 4290
12 40 10 2,25 57,6 91,5 3470
13 40 30 4,00 61,4 94,6 3610
14 40 30 0,50 58,4 94,7 3230
Оптимизация с помощью программы Statgraphics Plus Version 5.0 дала следующие оптимальные условия роспуска макулатуры: температура 40 °С; продолжительность процесса 32 мин; расход пероксида водорода 3,2% от абс. сух. волокна. По полученным оптимальным условиям проведен роспуск газетной макулатуры с последующей флотацией при принятых в эксперименте №1 условиях и полученные результаты представлены в таблице 3.
Результаты, полученные по оптимальному режиму роспуска, соответствуют расчетным, что указывает на адекватность математического описания данного процесса.
На втором этапе работы исследован процесс флотации макулатурной массы (эксперимент №2). Результаты реализации плана эксперимента по процессу флотации представлены в таблице 4.
Статистический анализ результатов эксперимента и оптимизация условий процесса флотации газетной макулатуры осуществлялись, как и в случае разработки оптимальных условий роспуска, с использованием программного пакета Statgraphics Plus Version 5.0.
Зависимость каждого из выходных параметров (белизны, выхода и разрывной длины) от переменных факторов процесса флотации (температуры, продолжительности и концентрации массы при флотации) аппроксимировали уравнениями регрессии второго порядка.
Для выходных параметров получены следующие уравнения регрессии: для показателя «белизна»
У! = 61,2875 + 1,04x1 + 1,25x2 - 1,06x3 + 1,012^ + 0,5x1x3 - 0,94x22; для показателя «выход» y2 = 91,6375 + 0,6x1 - 0,76x2 - 0,2x3 - 0,6375 x^ + 0,35x1x2 - 0,6375x22 - 0,35x2x3 + 1,8625x32; для показателя «разрывная длина»
y3 = 3209,37 - 82,0x1 - 79,0x2 - 146,0x3 + 245,62x^ +305,62x32.
Таблица 3. Расчетные и экспериментальные показатели облагороженной макулатурной массы (после роспуска по оптимальным условиям и флотации)
Наименование показателей макулатурной массы Значения показателя
расчетное по модели полученное по оптимальным условиям
Белизна, % 60,S б0,б
Выход, % 93,S 93,б
Разрывная длина, м 3500 3540
Таблица 4. Результаты реализации плана эксперимента
№ опыта Переменные факторы Выходные параметры
температура, “С (ХО продолжительность флотации, мин (Х2) концентрация массы, % (Х3) белизна, % (У1) выход, % (У2) разрывная длина, м (У3)
1 б0 12 1,2 б2,5 92,0 3320
2 20 12 1,2 59,5 S9,9 3630
3 б0 3 1,2 б0,б 93,4 3650
4 20 3 1,2 5б,9 92,7 3740
5 б0 12 0,8 б3,9 93,0 3750
б 20 12 0,8 б2,9 91,2 3850
7 б0 3 0,8 б1,б 93,0 3900
S 20 3 0,8 59,9 92,б 4010
9 б0 7,5 1,0 62,S 91,5 3350
10 20 7,5 1,0 61,S 90,5 3560
11 40 12 1,0 б1,7 90,0 3160
12 40 3 1,0 59,0 92,0 3200
13 40 7,5 1,2 б0,0 93,4 3370
14 40 7,5 0,8 61,S 93,б 3660
Задача оптимизации условий флотации макулатурной массы состояла в максимизации выходного параметра «белизна» при ограничении двух других выходных параметров. Условия оптимизации: максимальная белизна; выход не менее 93%; разрывная длина не менее 3500 м.
Оптимизация условий флотации с помощью программы Statgraphics Plus Version 5.0 дала следующие оптимальные условия флотации макулатурной массы: температура 44,2 °С, продолжительность процесса 8,2 мин, концентрация массы 0,83%.
По полученным оптимальным условиям проведен роспуск газетной макулатуры с последующей флотацией при оптимальных условиях. Показатели облагороженной макулатурной массы представлены в таблице 5.
Результаты, полученные с использованием оптимального режима флотации, соответствуют расчетным, что указывает на адекватность математического описания данного процесса.
После выполнения оптимизации процессов роспуска и флотации и получения облагороженной макулатурной массы при оптимальных условиях было проведено сравнение показателей облагороженной и исходной макулатурной массы. Исходная (необлагороженная) макулатурная масса была получена роспуском газетной макулатуры без использования химикатов и без проведения процесса флотации.
Сравнительные показатели исходной и облагороженной макулатурной массы, полученной при оптимальных условиях роспуска и флотации, приведены в таблице 6.
Анализ показателей качества сравниваемых образцов макулатурной массы показал, что в результате облагораживания показатели макулатурной массы изменяются следующим образом:
- степень помола несколько повышается вследствие удаления из массы типографской краски, придающей волокнам гидрофобные свойства;
- белизна массы повышается на 18% по сравнению с исходной;
- обезвоживаемость и водоудерживающая способность макулатурной массы повышается, так как вследствие освобождения волокон от типографской краски повышается гидрофильность волокон.
Изменение длины волокон макулатурной массы в процессе облагораживания определяли как на аппарате Иванова, так и на анализаторе волокна Файбер Тестер. Из полученных обоими методами величин длины волокон видно, что показатель этот несколько увеличивается в результате флотации массы за счет удаления совместно с частичками краски и мелкого волокна.
Показатели механической прочности в процессе облагораживания изменяются незначительно.
Распределение по длине волокон сравниваемых образцов макулатурной массы, полученных на анализаторе волокна Файбер Тестер, приведено на рисунках 1 и 2.
Таблица 5. Расчетные и экспериментальные показатели качества облагороженной макулатурной массы
Показатели макулатурной массы Значения показателей
расчетные полученные по оптимальным условиям
Белизна, % б2,4 б2,1
Выход, % 93,0 93,3
Разрывная длина, м 3500 3500
Таблица 6. Сравнительная характеристика исходной и облагороженной при оптимальных условиях макулатурной массы
Значение показателей
Показатели макулатурной массы исходная макулатурная масса облагороженная макулатурная масса
Степень помола, °ШР 5S б0
Белизна, % 44,3 б2,1
Выход облагороженной макулатурной массы, от исходной, % - 93,3
Обезвоживаемость, с 11б 135
Водоудержание, % 122 129
Средневзвешенная длина волокна, мм (аппарат Иванова) 1,43 1,55
Среднеарифметическая длина волокна, мм (анализатор волокна Файбер Тестер) Показатели механической прочности (60 °ШР, 100 г/м2): 1,19 1,29
разрывная длина, м 32S0 3500
сопротивление раздиранию, мН бб0 б90
Рис. 1. Фракционный состав исходной газетной Рис. 2. Фракционный состав облагороженной
макулатурной массы газетной макулатурной массы
В процессе облагораживания фракция волокон длиной 0,5—1,5 мм остается без изменения, а фракция мелких волокон длиной 0,2-0,5 мм, естественно, уменьшается за счет удаления части ее при флотации и, соответственно, увеличивается доля фракции 1,5—3,0 мм.
Выводы
С помощью математического планирования эксперимента и программы §1а1^арЫсБ получены уравнения регрессии процессов роспуска и флотации для показателей макулатурной массы: белизны, выхода, разрывной длины; выявлено влияние основных условий роспуска и флотации на указанные выходные параметры и определены оптимальные условия роспуска и флотации газетной макулатурной массы. Определены показатели, характеризующие изменение свойств макулатурной массы в процессе облагоражива-ния по оптимальным режимам роспуска и флотации.
Список литературы
1. Шабалин М., Аким Э.Л. Флотация макулатурной массы // Целлюлоза. Бумага. Картон. 2006. №8. С. 58—64.
2. Шабалин М., Аким Э.Л. Исследование процесса флотации макулатурной массы // Целлюлоза. Бумага. Картон. 2006. №9. С. 56—64.
3. Пен Р.З. Планирование эксперимента в Statgraphics. Красноярск, 2003. 246 с.
4. Справочник бумажника: в 3 т. Т. 1. М., 1964. 840 с.
Поступило в редакцию 15 марта 2011 г.
