CC BY
29
УДК 676.038.2
Р. О. Шабиев, Р. В. Семенов, А. С. Смолин, В. А. Дойнеко, А. В. Канарский
ПЕРСПЕКТИВА ПРИМЕНЕНИЯ ФЛОТАЦИИ
ДЛЯ ОБЛАГОРАЖИВАНИЯ ПОЛИГРАФИЧЕСКОЙ МАКУЛАТУРЫ
Ключевые слова: макулатура газетная, книжно-журнальная, офисная, полиграфическая краска, флотация, белизна
вторичных волокон.
Показано, что флотирование полиграфической макулатуры позволяет снизить сорность и, соответственно, повысить белизну вторичных волокон. Значительный прирост белизны достигается флотированием офисной макулатуры. Установлено, что при изготовлении тест-лайнера возможно использование в покровном слое полиграфической макулатуры, облагороженной флотацией.
Keywords: Key words: waste paper, newspaper, book, magazine, office, printing paint, flotation, the white secondary fibers.
It is shown that the flotation of printing paper allows to reduce arnosti and, therefore, increase the whiteness of recycled fibers. A significant increase of whiteness is achieved by flotation of office waste paper. It is established that in the manufacture of test liner can be used in the coating layer of the printing paper, is refined by flotation.
Актуальность
Макулатура является экономически и экологически целесообразным источником вторичных волокон для производства широкого ассортимента бумаги и картона [1]. В частности, из макулатуры, как вторичного сырья, изготовляют многослойный картон, который перерабатывается в разные виды тары. Традиционно в качестве основного источника вторичных волокон используют марки макулатуры МС-5Б и МС-6Б. Эти сорта макулатуры подвергаются гидромеханической очистке и сортированию от посторонних включений. Такой способ подготовки вторичных волокон макулатуры не позволяет производить многослойный картон пригодный для нанесения высококачественной печати, для которой многослойный картон должен иметь белый покровный слой.
Полиграфическая макулатура весьма перспективна для получения вторичных беленых волокон пригодных для получения покровных слоев на картоне. Однако, поверхности этих волокон покрыты (запечатаны) полиграфическими красками. Для использования вторичных волокон из полиграфической макулатуры в покровном слое тест-лайнера необходимо, прежде всего, удалить полиграфические краски с их поверхности, т.е. облагородить макулатуру.
В настоящее время белые покровные слои картона-лайнера выполняются на основе первичных волокон (смесь лиственной и хвойной беленых видов сульфатной целлюлозы) с добавкой наполнителя - карбоната кальция. Эта технология ведет к удорожанию картона, что особенно характерно для тест-лайнера.
В этой связи разработка способов облагораживания макулатуры весьма актуально. В частности, использование для покровного слоя облагороженной и обесцвеченной с использованием флотации полиграфической макулатуры представляется перспективным экономически и
вполне достижимым технологически
производственным процессом.
Цель настоящей работы - определение влияние флотации на эффективность облагораживания газетной, журнальной и офисной макулатуры.
Методическая часть
Для оценки целесообразности использования вторичных волокон из облагороженных волокон в покровном слое тест-лайнера, проводились флотационные испытания 3 марок макулатуры с определением флотационного потенциала -выходных характеристик после флотации. Испытания проводились на флотационной ячейке в соответствии со стандартом DIN 54606-1 "PTS Flotationzelle", предназначенной для удаления печатной краски по стандарту INGEDE Method 1111. В соответствии с рекомендациями INGEDE Method 11 использовались следующие химические вещества для проведения флотации: олеиновая кислота, перекись водорода H2O2, метасиликат натрия Na2SiO3, едкий натр NaOH.
Методика приготовления флотоагента включала следующее: растворяли 6 г едкого натра в 200 мл. дистиллированной воды, производился нагрев до 60 ° С, далее добавляли 8 г олеиновой кислоты, производилось перемешивание раствора до полного растворения образовавшегося мыла, затем добавляли 18 г силиката натрия до полного растворения и доводили объем раствора до 2 л.
Методика роспуска происходила по следующему принципу. Роспуск макулатуры производился на аппарате ЛРК1 в течение 20 мин. Замачивали 60 г в.с. макулатуры не менее 6 ч., максимум на 24 ч., затем переносили макулатуру в ЛРК1, в первую минуту роспуска вносили флотоагент в объеме 120 мл., а также 100 мл. перекиси водорода H2O2. Роспуск проводили до полного исчезновения комочков, затем масса сливалась в ёмкость и общий объем доводилась до 4 л., а необходимое количество направлялось на флотацию.
Последней стадией была флотация, проводившаяся по следующему режиму:
Флотация проводилась на аппарате, изготовленном в соответствии со стандартом DIN 54606-1 и по методу, наиболее приближенному к INGEDE Method 11. В 2 л. дистиллированной воды добавляли 1 мл. 20% CaCl2, нагревали до 80 °С. Отбирали 800 мл массы, доводили до 1450 мл. заранее подготовленной дистиллированной водой, затем измеряли pH, который должен находится в диапазоне 9.5±0.5. Металлические элементы флотатора необходимо было подогреть. Для этого вливали в него нагретую воду, затем воду сливали. Вносили 1450 мл массы во флотатор, мешалку выставляли на 1200 об/мин., производилась подача воздуха в камеру вакуумным насосом через фильтр Шотта П0Р40. Флотацию проводили в течение 10 мин с постоянным отбором пены и добавлением тёплой воды в течение всего процесса. По истечении 10 минут флотацию останавливали, а полученную облагороженную массу сливали в ёмкость, доводили до 2 л. и изготавливали отливки на ЛОА. Полученные отливки отправляли на определение зольности, физико-механических и оптических параметров.
В качестве исследуемых марок макулатуры основных марок были выбраны следующие:
1. МС-8В - газетная макулатура.
2. МС-7Б/3- журнальная макулатура.
3. МС-7Б/1- офисная макулатура.
Марки макулатуры с "Ф" являются образцами после флотации
В бумаге из облагороженного волокна определялись следующие показатели:
• масса 1 м2, г;
• F (Разрушающее усилие), Н, ГОСТ Р 1924-1-96;
• Удлинение, %, ГОСТ Р 1924-1-96;
• Разрывная длина (L), км, ГОСТ Р 1924-1-96;
• Зольность, %, ИСО 1762.5750С;
• Белизна CIE %, ГОСТ Р ИСО 11476-2010;
• Белизна ISO %, ИСО 2470 бумага и картон -метод определения белизны;
• Сорность чч/см2 - получение цифровых изображений образцов, затем их анализ в программе ImageJ.
которые представляют компоненты клеев и связующего вещества печатной краски. В результате разрушения связующих веществ, краски и пигменты отрываются от бумаги и переходят в суспензию. Силикат натрия необходим для стабилизации пероксида водорода [3] Олеиновая кислота при взаимодействии со щелочью омыляется, в такой форме она добавляет дополнительную гидрофобизацию, как частиц печатной краски, так и частиц наполнителя. Все химические добавки повышаю селективность пенной флотации [4].
Таблица 1 - Физико-механические показатели качества бумаги из облагороженного волокна
Марка макулатуры и (N м <Ц ч ? Я Н о4 <U к и и s а « и ^ " J о4 Д т О
а О Sä м £ к эт о £ ^ w О Рч и 1 ^ 2 £2 И га Н Рч Й ч И д л О со
МС-8В/2 100 54,2±2,6 1,1±0,1 3,7 10,8
МС-8В/2 98 62,4±6 1,2±0,1
Ф 4,3 2,3
МС-7Б/3 101 71,6±2,7 1,4±0,1 4,8 23,3
МС-7Б/3 102 75,5±3,5 2,1±0,3
Ф 5,0 16,3
МС-7Б/1 99 50,0±3,3 1,1±0,2 3,4 14,6
МС-7Б/1 100 61,6±3,3 1,3±0,2
Ф 4,2 7,3
Таблица 2 - Оптические показатели бумаги из облагороженного волокна
Марка макулатуры Белизна CIE % Белизна ISO % Сорность чч/см2
МС-8В/2 34,4 45,7 950
МС-8В/2 Ф 33,4 54,8 500
МС-7Б/3 82,6 71,3 80
МС-7Б/3 Ф 121,6 86,8 30
МС-7Б/1 124,0 91,7 300
МС-7Б/1 Ф 129,4 96,8 50
Результаты и их обсуждение
Сравнительные характеристики исходных образцов и образцов после флотации представлены в таблицах 1 и 2. Прирост показателей качества показан в таблице 3.
Применение химических добавок
интенсифицирует процесс флотации. Щелочь вступает в реакцию со связующими веществами бумаги, особенно со связующим веществом краски и этим способствует отделению волокна от других присутствующих примесей. В состав химикатов для обработки макулатуры входили, кроме щелочи, пероксид водорода и силикат натрия. Щелочные растворы пероксида водорода эффективнее гидроксидов металлов с таким же рН. Помимо этого пероксид водорода оказывает отбеливающее действие (рис. 1), а также активизирует гидролиз и деполимеризацию белков, крахмалов и масел,
120 100 80 60 40 20 0
Белизна,
%
МС-8В/2 МС-7Б/3 МГОарКа макулатуры
Рис. 1 - Белизна марок макулатуры до (1) и после (2) проведения флотации
Таблица 3 - Влияние флотации на прирост показателей качества бумажной массы
Марка макулатур ы Прирост белизны, % Снижение сорности, % Прирост прочности, % Снижение зольности, %
МС-8В/2 (использованные газеты) +9 -52 +17 -47
МС-7Б/3 (книжно- журнальная) +15 -83 +4 -63
МС-7Б/1 (офисная) +5 -98 +21 -83
Разница в начальных и конечных величинах, приведенных в таблице 3, можно объяснить следующим образом. Повышение показателя белизны объясняется тем, что во время флотации происходит удаление печатной краски, которая отделилась от поверхности волокон во время диспергации и удаляется пузырьками воздуха в виде пены. Печатная краска это пигмент, растворенный в дисперсионный среде, с пленкообразующим полимером, такими как смолы или синтетические полимеры. В качестве дисперсионной среды могут выступать масла или растворители. По причине того, что краска проявляет гидрофобные свойства, то частицы или агломераты частиц краски оседают на поверхности пузырька воздуха. Последний образует поверхность раздела двух фаз - воздуха и воды. В результате это приводит к тому, что в массе содержится меньшее количество краски, которая влияет на окончательную белизну отливок после флотации.
Сорность бумаги — неоднородность структуры бумаги, которая образуется в процессе ее изготовления из-за попадания в бумажную массу частиц коры, минеральных и др. включений. Главным источником сорности печатных видов макулатуры является краска. При проведении флотации, частицы краски удаляются из волокнистой суспензии, что приводит к снижению общей сорности в конечной продукции.
Зольность бумаги - это доля массы минеральных веществ в виде зольного остатка в бумаге, выраженная в процентах. Главным источником золы в писче-печатной бумагах являются минеральные наполнители. Минеральные наполнители оказывают влияние на многие свойства бумаги: толщину, объемный вес, впитывающую способность, воздухопроницаемость, деформацию, гладкость и лоск, белизну, непрозрачность, механическую прочность, степень проклейки, печатные свойства и пр., при этом введение наполнителей приводит к экономии целлюлозного волокна. По своей природе минеральные наполнители являются гидрофобными, они, так же как и краска удаляются во время флотации. Это приводит к снижению общей зольности в конечных отливках.
Данные, приведенные в таблице 3, показывают, что флотация способствует удалению частиц краски с поверхности волокон, увеличению их белизны, снижается сорность [2] , но они не показывают в перспективе использования флотации, как метод производства картона с белым покровным слом. Для проведения сравнительного анализа и доказательства того, что внедрения флотации в поток массоподготовительного отдела белого слоя является перспективным направления, проведем сравнение показателей белого покровного слоя образцов картона с показателями отливок, полученных после флотации (табл.4).
Таблица 4 - Сравнение оптических показателей опытных образцов картона с покровным слоем из макулатуры, облагороженной флотацией
Белизна покровного
Марка макулатуры слоя, определенная методом ISO, %
МС-7Б 54±2
МС-7Б/3 71±2
МС-7Б/3 Ф 86±1
МС-8В 42±3
МС-8В/2 45±1
МС-8В/2 Ф 54±2
Низкая белизна картона с покровным слоем из макулатуры марки МС-7Б обусловлена тем, что используется не 100 % журнальная макулатура, а смесь макулатуры из книг и журналов. Так же важно понимать, что белизна макулатуры зависит от возраста. Чем старее макулатура, тем более низкими показателями будет обладать волокнистый полуфабрикат, полученный из макулатуры[5]. Однако, можно утверждать, что при внедрении флотации в поток подготовки покровного слоя окажет благоприятное воздействие на оптические показатели конечного продукта.
Выводы
На основании результатов можно сделать следующие выводы:
Показано, что флотирование полиграфической макулатуры позволяет снизить сорность и, соответственно, повысить белизну вторичных волокон. Значительный прирост белизны
достигается флотированием офисной макулатуры.
Установлено, что при изготовлении тест-лайнера возможно использование в покровном слое полиграфической макулатуры, облагороженной флотацией.
Литература
1. Шабалин, М. Е. Флотация макулатурной массы / Шабалин М.Е., Аким Э.Л.// Целлюлоза. Бумага. Картон. 2006.- №8. - С. 58-64.
2. Пузырев, С. С. Ресурсосберегающая технология переработки макулатуры. Удаление печатной краски Часть 8 / С. С. Пузырев О. П. Ковалева // Леспром. Информ. 2007. - №8. - С. 104-108.
3. Патент РФ № 2010127416/12, 10.12.2011 Бюл. № 34 Способ облагораживания печатной макулатуры// Патент России № 2435892. 2012. / Акулов Б.В.; Ковтун Т.Н.; Хакимова Ф.Х.; Носкова О. А.
4. Rao, S. Ramachandra Surface Chemistry of Froth Flotation.book / Rao, S. Ramachandra // Surface Chemistry
of Froth Flotation: Volume 1: Fundamentals. 2004.- №3. -С.13-16.
5. Мидуков, Н. П. Использование облагороженной газетной макулатуры в технологии производства картона вайт-лайнера / Н.П.Мидуков, В.С.Куров, А.С Смолин. // Целлюлоза. Бумага. Картон. 2015.- №3. - С. 54-57.
© 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; Р. О. Шабиев - ст. преподаватель, кафедра технологии бумаги и картона Санкт-Петербургского государственного университета промышленных технологий и дизайна. Высшая школа технологии и энергетики. Институт технологии; Р. В. Семенов - аспирант, кафедра технологии бумаги и картона Санкт-Петербургского государственного университета промышленных технологий и дизайна. Высшая школа технологии и энергетики. Институт технологии; В. А. Дойнеко -магистр, кафедра 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, [email protected].
© 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; R. O. Shabiev - chief teacher, paper and board technology department in St. Petersburg State University of industry technology and design .High school of technology and energy. Technology University; R. V. Semenov - candidate, paper and board technology department in St. Petersburg State University of industry technology and design .High school of technology and energy. Technology University; V. А. Doyneko -master, 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, [email protected].
