CC BY
57
УДК 676.038.2
М. В. Ванчаков, А. С. Смолин, А. В. Канарский
ОЧИСТКА МАКУЛАТУРНОЙ МАССЫ ОТ ЛИПКИХ ВКЛЮЧЕНИЙ
Ключевые слова: макулатура, липкие вещества, сортирование, энзимы, флотация, фракционирование.
Проведен анализ источников и свойств липких включений, присутствующих в макулатурной массе. Рассмотрены различные способы борьбы с ними, в том числе: сортирование, нейтрализация адгезивных свойств и флотация массы. Представлены возможные варианты технологических схем удаления липких включений в системах подготовки макулатурной массы.
Keywords: recovered paper, stickies, screening, enzymes, flotation, fractionation.
An analysis of the sources and properties of stickies in the recovered paper stock was carried out. Various methods for controlling them are considered, including: screening, neutralization of adhesive properties and paper stock flotation. Possible options of technological schemes for stickies removal in the systems of recovered paper stock preparation are presented.
Применение в качестве макулатурного сырья использованных книг, журналов, офисной бумаги (МС-7Б), отходов гофрокартона и гофротары (МС-5Б), а также использованных бумажных мешков и клееной мешочной бумаги (МС-4А и МС-3А) при производстве бумаги и картона без предварительной очистки существенно снижает оптические свойства и чистоту получаемой продукции. В этих марках макулатуры высокое содержание клеевых (липких) частиц (stickies), которые вызывают нестабильность работы БДМ. В частности, клеевые частицы способны налипать на валы и цилиндры машины, забивать сетки и сукна, что создает потенциальную опасность обрывов полотна и вынужденных остановов БДМ [1]. Происходит снижение скорости водоотдачи на сеточной части БДМ и, соответственно, производительности машины. При замкнутом водообороте наблюдается постепенное накопление клеевых частиц в оборотной воде. При критических концентрациях клеевых частиц происходит их оседание на одежде машины и валах.
Клеевые частицы представляют собой относительно гидрофобные пластичные вещества различной степени клейкости. В их состав входят компоненты связующих печатных красок, клеевые частицы, латексы и другие адгезивные вещества. Эти частицы, как правило, не имеют стабильной формы (аморфны), легко деформируются и способны к разрушению при значительных сдвиговых усилиях. Диапазон размеров таких частиц от 0,1 мкм до 1,0 см. Предельное содержание липких веществ в макулатурной массе при подаче на БДМ не должно превышать 1000 мм2/кг.
Возможны следующие методы борьбы с липкими включениями в массе:
- удаление липких включений путем соответствующего сортирования;
- нейтрализация адгезивных свойств липких включений с помощью химических добавок и ферментов;
- удаление мелкодисперсных липких включений методом флотации макулатурной массы и очисткой оборотной воды с помощью микрофлотации с использованием соответствующих реагентов.
Рекомендуется применять сочетание этих методов, так как не один из них в отдельности не в состоянии радикально решить проблему липких загрязнений [2]. При этом механические методы (сортирование) обычно сочетают с химической реагентной обработкой массы. Непременным условием эффективного удаления клеевых частиц является высокая степень их отделения от волокна, достигаемая процессами роспуска и термического диспергирования макулатурной массы. Однако термодисперсионная обработка (ТДО) массы не только способствует отделению клеевых части от волокна, но и сопровождается заметным их измельчением, что усложняет последующее их удаление из массы путем сортирования. Существенную роль в процессах удаления липких частиц может играть и предварительное фракционирование макулатурной массы, позволяющее в дальнейшем избирательно выстраивать технологии удаления крупных и мелких клеевых загрязнений. Это возможно благодаря тому, что одновременно с волокном происходит и фракционирование загрязнений, в результате чего основная часть крупных клеевых частиц остается в длинноволокнистой фракции, а мелкие частицы проходят сквозь сито фракционатора вместе с коротковолокнистой фракцией волокна. Эффективность удаления клеевых частиц зависит от вида распределения их размеров.
Удаление липких включений сортированием
Использование сортирования для удаления липких включений из макулатурной массы -традиционный метод борьбы с ними. Грубодисперсные липкие включения (от корешков книг, каталогов и других изданий), содержащиеся в массе или выделенные в результате фракционирования массы, можно достаточно эффективно удалять через круглые отверстия сит сортировок. В этом случае диаметры отверстий цилиндрического сита составляют от 1,2 до 1,4 мм, а концентрация сортируемой массы не более 3 % (средняя концентрация). Наибольшую степень удаления липких загрязнений обеспечивают центробежные сортировки с ротором, снабженным
гидропланками, или кулачковые роторы. Скорость вращения ротора должна быть минимально возможной для уменьшения величины сдвиговых усилий в массе, способных разрушать крупные клеевые включения. Сохранение необходимой производительности сортировки при этом возможно путем увеличения габаритов или живого сечения сита. Объем отходов при сортировании должен обеспечивать минимальную скорость их движения, предотвращающую засорение сита. Эффективность удаления в пределах 40^45 % клеевых частиц для сортировок с круглыми отверстиями считается хорошим результатом.
Удаление мелких (менее 0,5 мм) клеевых включений следует производить в сортировках со шлицевыми ситами при концентрации массы не более 0,8^1,0 % (низкая концентрация). Эффективность удаления клеевых частиц из массы такой концентрации приблизительно в два раза выше, чем из массы средней концентрации (до 3 %) при прочих равных условиях. Частицы некоторых типов клея способны измельчаться при сортировании массы в диапазоне средних концентраций вследствие наличия в сортировке сдвиговых усилий. Сортированием на шлицевых ситах при средней и низкой концентрации массы возможно достичь уменьшения площади липких веществ в два раза. Для такого сортирования используют сита с узкими щелями и специальным профилем их рабочей поверхности. Обычная ширина щелей сит составляет около 0,15 мм. Для сортирования массы, содержащей древесную или термомеханическую массу, нижний предел ширины щелей сита сортировки может составлять 0,12 мм. Если древесные волокна в массе отсутствуют, то возможно использование профилированных сит с шириной щелей до 0,1 мм.
Возможным вариантом повышения
эффективности удаления клеевых частиц является схема сортирования, состоящая из последовательно подключенных друг за другом нескольких сортировок. При этом хорошая масса от первой сортировки проходит последующее дополнительное сортирование во второй. Исследования показали, что такая схема, при использовании шлицевых сит с шириной щелей 0,12 мм, позволяет удалить в среднем до 96 % клеевых частиц из массы, а при ширине щелей 0,2 мм до 81,5 %. Промежуточные результаты получены при ширине щели 0,15 мм. Следует иметь в виду, что уменьшение ширины щелей сортировки приводит к уменьшению эффективной поверхности сита («живого» сечения), т.е. к снижению производительности сортировки. Выбор вариантов схемы и параметров сит обуславливаются свойствами сырья, требованиями к макулатурной массе и производительностью технологической линии.
Нейтрализация липких включений
Для химической нейтрализации адгезивных свойств липких включений используют ряд близких по эффективности технологий, базирующихся на
применении широкого спектра различных химикатов: диспергентов, полимеров, адсорбентов. Наиболее эффективно действуют не отдельные вещества, а их композиции.
Перспективной технологией уменьшения липких свойств клеевых частиц служит обработка массы веществами группы энзимов (ферментов), к примеру, типа эстераза [2]. Действие энзимов заключается в органическом гидролизе, протекающем, в основном, в поверхностных слоях волокон (гидролизация эфирных связей). Гидролиз эфирных связей снижает липкость, а также размеры клеевых частиц. Как следствие, одновременно происходит интенсификация процессов отделения клеевых частиц от волокон, что создает дополнительные возможности их удаления в дальнейшем. В качестве побочного эффекта возможно даже некоторое повышение белизны массы.
Регулирование интенсивности ферментной обработки производят с помощью изменения рН, концентрации энзима, температуры и продолжительности воздействия. Оптимальными условиями действия ферментов являются: рН среды - в интервале 6,5^10; температура массы - в пределах 25^60 0С; расход порядка 90 г/т; продолжительность обработки массы - 45 минут. Для того чтобы обеспечить
большуюпродолжительность обработки
рекомендуется вводить энзимы на начальной стадии процесса подготовки массы - в гидроразбиватель или в бассейн перед грубым сортированием.
По окончании процессов диспергирования и нейтрализации липкие частицы могут, в последствии восстанавливаться или
агломерироваться в крупные комплексы, благодаря их повышенной активности и из-за присутствия в макулатурной массе веществ типа коллекторов. Замечено, что образованию агломератов и повторному сорбированию их волокном липких загрязнений могут способствовать и такие процессы, как размол. Следует учитывать и возможность негативного воздействия ферментов на целлюлозное волокно. Поэтому их необходимо тщательно подбирать с учетом специфики макулатурной массы и характером действия самого фермента. В зависимости от вида используемой макулатуры следует использовать различные микробиологические системы ферментов.
Удаление мелких клеевых частиц методом флотации и микрофлотации
После завершения ферментативной или щелочной обработки и предварительного сортирования, макулатурную массу следует очищать от липких частиц методом флотации [3]. Флотация позволяет оперативно удалить микрочастицы клея после химической обработки, препятствуя возможности массового повторного сорбирования их волокном. Одновременно с липкими частицами при флотации удаляются и частицы пигментов, т.е. эти процессы вполне
совместимы. Оптимальный размер частиц загрязнений для флотации находится в пределах 20^200 мкм. В некоторых случаях, удается обеспечить удаления частиц размером до 500 мкм. Включение флотации в технологическую схему переработки макулатуры особенно актуально в случаях подготовки массы для изготовления санитарно-гигиенических и писче-печатных видов бумаги, к чистоте которых предъявляются повышенные требования.
В технологические линии подготовки макулатурной массы может включаться две ступени флотации: предварительная флотация и постфлотация. Эти термины определяют место ступеней флотации по отношению к ТДО массы. На ступени предварительной флотации, перед ТДО, удаляется основная часть загрязнений и наблюдается повышение белизны суспензии. Вторая ступень флотации (постфлотация) после ТДО предназначается для дополнительного повышения степени чистоты массы. Она производится без использования химических реагентов, что позволяет дополнительно удалить из волокнистой суспензии часть таких негативных химических веществ, как например, ПАВ.
На предприятиях, использующих книжно-журнальную и офисную макулатуру, произведенную при нейтральном значении рН, предварительную флотацию следует осуществлять при величине рН, равной 7,5^9,5 , а постфлотацию -при величине рН 6,0^7,5. Однако даже при таком рН предварительной флотации наблюдается частичная агломерация органических веществ. Полученные агломераты можно удалить на ступени постфлотации макулатурной массы.
Источником мелких липких частиц являются и оборотные воды. Эти частицы попадают в фильтрат при сгущении или промывке макулатурной массы. Использование такой воды, например, для разбавления массы приводит к возврату частиц липких веществ в основной технологический поток. Эти частицы способны образовывать агломераты в аккумулирующих бассейнах воды и накапливаются в замкнутых системах водопользования. Одним из способов удаления их из оборотной воды, находящим все более широкое распространение, благодаря высокой степени очистки воды при небольших габаритах, является микрофлотация (напорная флотация) с применением растворенного воздуха (технология DAF).
Принимая во внимание изложенное выше, предлагаются следующие варианты
последовательных мероприятий для удаления клейких включений из массы.
При отсутствии в схеме подготовки макулатурной массы ТДО, возможна следующая последовательность: ферментативная обработка массы ^ сортирование массы на ситах с круглыми отверстиями ^ сортирование массы на щелевых ситах ^ флотационная обработка массы (рис. 1).
При наличии в схеме подготовки массы ТДО массы, предлагается следующая схема: ферментативная обработка массы ^
сортирование массы на ситах с круглыми отверстиями ^ флотационная обработка массы ^ ТДО ^ постфлотационная обработка.
Рис. 1 - Этапы обработки макулатурной массы
При наличии в схеме системы фракционирования массы, предлагается следующая схема: ферментативная обработка массы ^ сортирование длинноволокнистой фракции на ситах с круглыми отверстиями ^ сортирование коротковолокнистой фракции на ситах на щелевых отверстиях ^ совместная или раздельная флотационная обработка фракций массы.
При ТДО только длинноволокнистой фракции массы, предлагается следующая схема: ферментативная обработка массы ^ предварительное сортирование всей массы на ситах с круглыми отверстиями ^ фракционирование массы ^ сортирование коротковолокнистой фракции на щелевых ситах и флотационная обработка длинноволокнистой фракции перед ТДО ^ раздельная или совместная постфлотациякоротких и длинных фракций массы (схема 2).
Рис. 2 - Этапы обработки макулатурной массы с фракционированием
Возможны и другие варианты схем борьбы с липкими включениями. В любом случае, необходимо очищать от клейких включений оборотный фильтрат, полученный при сгущении массы перед ТДО или от промывки массы, используя метод напорной микрофлотации.
Литература
1. 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.263-279.
2. Смолин А.С., Кулешов А.В. Характеристика макулатурных волокон после ферментативного удаления крахмала// Лесной журнал. - 2009. - №5. С. 115-120.
© 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.
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. 127-139.
