CC BY
143. Krenn M., Fickler R., Fink M., Handsteiner J., Malik M., Scheidl T., Ursin R. A.Z., arXiv:1402.2602; Ученые впервые осуществили передачу информации на большое расстояние при помощи «закрученного» света. //Лазер - Информ. - 2014. - № 22 (541). - с. 12.
4. Кузяков Б.А., Кириллова Ю.А. Оценки дисперсии флуктуации интенсивности лазерных пучков в турбулентной атмосфере. // Труды II-й Всероссийской конференции по фотонике и информационной оптике. М.: НИЯУ МИФИ. - 2013. - с. 211 - 212.
5. Кузяков Б.А., Мораренко В.В., Шмелев В.А. Современные методы реализации и селекции орбитальных угловых моментов фотонов в оптических комбинированных линиях связи // Труды IV-й Международной конференции по фотонике и информационной оптике. М.: НИЯУ МИФИ. - 201. - с. 24 - 25.
6. Кузяков Б.А., Тихонов Р.В. К проблеме повышения доступности оптической телекоммуникационной системы с атмосферными сегментами // Труды III-й Всероссийской конференции по фотонике и информационной оптике. М.: НИЯУ МИФИ. - 2014.- с. 23 -24.
7. Павлов Н.М. Коэффициент готовности атмосферного канала АОЛП и методы его определения // Фотон-Экспресс. - 2006. - №6. - с. 78-90.
8. Sanchez D.J., Oesch D.W. Localization of angular momentum in optical waves propagating through turbulence // Optics Express. - 2011. - v. 19. - Is. 25.-p. 25388 - 25396.
9. Srimathi I.R., Li Y., Delaney W.F., Johnson E.G. Subwavelength grating based metal-oxide nano-hair structures for optical vortex generation. // Opt. Express. - 2015. - v. 23. - N.15. - p. 19056 - 19065.
10. Ung B., Vaity P., Wang L., Messaddeg Y., Rusch L.A., LaRochelle S. Few-mode fiber with inverse-parabolic graded-index profile for transmission of OAM-carrying modes. // Optics Express. - 2013.- v. 22.- No. 15.- p. 18044-18055.
11. Zhao S.M., Leach J., Gong L.Y. et al. Aberration corrections for free-space optical communications in atmosphere turbulence using orbital angular momentum states // Optics Express. - 2012. - v. 20. -Is.1. - p. 452 - 461.
12. Zhu K., Li S., Tang Y., Yu Y., Tang H. Study on the propagation parameters of Bessel-Gaussian beams carring optical vortices through atmospheric turbulence. // J. Opt. Soc. Am. A. - 2012. - Vol. 29. - Is. - p. 251 - 257.
РАЗВИТИЕ НАУЧНЫХ ЗНАНИЙ В ОБЛАСТИ ОТБЕЛКИ ВОЛОКНИСТЫХ
ПОЛУФАБРИКАТОВ ДЛЯ БУМАГИ И КАРТОНА
Молодцова Мария Александровна
аспирант, Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова, г. Архангельск;
Севастьянова Юлия Вениаминовна кандидат технических наук, доцент, Северный (Арктический) федеральный университет имени
М.В. Ломоносова, г. Архангельск
THE DEVELOPMENT OF SCIENTIFIC KNOWLEDGE IN THE FIELD OF PULP BLEACHING FOR PAPER AND CARDBOARD Molodtsova Maria Alexandrovna, graduate student, Northern (Arctic) Federal University named after M. V. Lomonosov, Arkhangelsk;
Sevastyanov Yulia Veniaminovna, candidate of technical Sciences, associate Professor, Northern (Arctic) Federal University named after M. V. Lomonosov, Arkhangelsk АННОТАЦИЯ
В данной статье изложено краткое описание совершенствования техники отбелки, связанной с социальной и политической историей человечества. В статье прослеживается путь развития техники отбелки волокнистых полуфабрикатов от ее зарождения до наших дней. ABSTRACT
This article provided a brief description of the bleaching technique improvement associated with social and political history of mankind. The article traces the path of development of technology of pulp bleaching from its beginnings to the present day.
Ключевые слова: отбелка; целлюлоза; хлор Keywords: bleaching; pulp; chlorine
Отбелка технической целлюлозы является процессом химической очистки от сопутствующих, окрашивающих и инструктирующих веществ. В процессе отбелки технической целлюлозы происходит модификация целлюлозных волокон, изменение их оптических свойств, снижение абсорбционной способности сопутствующих цел-
люлозе компонентов, удаление частиц сора, которые могут вызвать затруднения при дальнейшей переработке целлюлозы [1].
1. Отбелка и крашение
Обозначение отбела или отбеливания в названиях старых улиц указывает на то, что здесь когда-то отбеливали на солнце шерсть, лен, хлопчатобумажную пряжу. В
городе Аугсбург в конце XVIII в. насчитывалось до ста тысяч отбеливаемых полотен в год. Много труда и времени требовалось для стирки и чистки тканей при помощи золы, содосодержащих растений и древесной золы, а для отбелки дополнительно требовалось выдерживать ткань в кислом молоке. Весь процесс стирки и отбелки, таким образом, длился месяцами.
Серная кислота
Однажды англичанин Джошуа Уорд в кафе услышал, что отбелка может стать дешевле при использовании серной кислоты, которая до того времени производилась в Англии в небольших количествах. Уорду удалось получить серную кислоту при сжигании серы и селитры уже в 1736 г. в Твинхеме. Впоследствии разбавленную (почти в восемьдесят раз) серную кислоту стали продавать как средство для стирки и чистки.
Теперь полотна можно было стирать интенсивнее, при этом очищались даже тяжело отбеливающиеся места. Обработанный таким способом лен можно было отбеливать всего за несколько недель вместо нескольких месяцев. Затраты на химикаты также снизились на одну десятую.
Другой англичанин, Ребак, в 1741 г. осуществил промышленное производство кислоты камерным способом. Ребак знал, что зола является соединением угольной кислоты и калия, а также то, что поваренную соль с серной кислотой можно превратить в кислоту и глауберову соль. Это было доказано ещё за сто лет до него химиком и аптекарем из Амстердама Иоганном Глаубером (именно поэтому сульфат натрия получил его имя - глауберова соль).
Если бы было возможно сульфат натрия превратить путем сжигания в углекислый натрий или чистую соду, то появилась бы дешевая сода, которая была бы к тому же намного чище используемой соды из содосодержащих растений или соды из соленых морей. Химик Ребак недооценил трудностей этой задачи. Он скупил все соледобывающие заводы, и долгие годы экспериментировал, пока в 1773 г. не обанкротился.
Химия в XVIII столетии
В 1772 г. в Штральзунде аптекарь Карл Вильгельм Шееле открыл кислород, на два года раньше, чем английский священник Джозеф Пристли. Однако Пристли рассматривал кислород как «дефлогистированный воздух». В дальнейшем Антуан Лоран Лавуазье, риторик, ученый систематик и гений одновременно, привел к одному знаменателю все научные данные Шееле и Пристли. Лавуазье открыл преимущественное значение кислорода для окисления в процессах сжигания и дыхания. Но в 1794 г. основатель современной органической химии был обезглавлен. «Республике не нужны ученые и химики», - таков был приговор революционного трибунала [2].
Работы Лавуазье с кислородом, окислением и сжиганием привели к мысли сжигать глауберову соль с углем. Врач Леблан совместно с химиком Дице смогли достичь того, что не удалось Ребаку - соединить натрий, углерод и кислород вместе. Полученная таким образом сода дает большие экономические возможности не только при производстве мыла, но и в текстильной промышленности.
Хлор меняет процесс отбелки
В 1774 г. Шееле удалось очень простым способом открыть хлор. Согласно теории того времени, он назвал полученный из марганцевой руды и соляной кислоты газ дефлогистированной соляной кислотой. Вскоре Шееле
обнаружил, что под воздействием этого газа окраска растительных веществ разрушается так, что ее нельзя восстановить ни с помощью кислот, ни с помощью щелочей. Тем самым он заложил фундамент современного процесса отбелки.
Процесс хлорной отбелки открыл французский врач, ученик Лавуазье - Луи Бертолле. Самый старый метод отбелки газом хлора был описан Бертолле в 1785 и 1786 гг. в «Journal de Physique». Отбелка газом была еще очень несовершенна, из-за неравномерной влажности массы возникала неравномерная белизна. Кроме того, в самом начале процесс отбелки хлором подвергал сильному разрушению волокна.
Бертолле открыл, что при соединении хлора с раствором поташа получается отбеливающая жидкость, которая дает более щадящий метод отбелки. Этот отбеливающий раствор начали производить для продажи в пригороде Парижа Жавеле и продавать под названием «Жа-вельская вода».
Спустя несколько лет французский химик Лабаррак заменил поташ на натриевый щелок. И на рынке появился продукт под названием «Вода Лабаррака». В 1805 г. появилась возможность заменить луговую отбелку жавель-ским раствором и гипохлоритом натрия. Процесс отбелки сократился от нескольких недель до нескольких часов.
Хлор - универсальное отбеливающее средство
Хлор был универсальным средством отбелки. В 1799 г. Чарльз Теннант, производитель соды и серной кислоты, получил патент на изготовление сухого отбеливающего порошка из гидроокиси кальция и хлорного газа. Таким образом, отпала проблема перевозки большого количества этого сырья через всю Европу.
В 1806 г. Иогану Вильгельму Риттеру в Йене и Хэмфри Дэви в Лондоне при помощи вольтметра удалось путем электролиза разложить воду на элементарные составляющие - водород и кислород. Тем самым создав теоретическую основу для хлорно-щелочного электролиза, который был внедрен в жизнь только спустя десятилетия. В 1850 г. лучшим методом щадящей отбелки была признана отбелка хлорной известью (гипохлоритом). Отбелка же хлорным газом была отклонена. В 1875 г. из 800 бумажных фабрик США только одна работала с хлорным газом.
2. Отбелка целлюлозы вчера, сегодня, завтра
Отбелка древесной целлюлозы в большом количестве началась уже с 1870 г., после внедрения сульфитного способа. Производилась она по принципу отбелки нитей - в ролле с лопастным барабаном, в кислой среде с гипохлоритом при низкой концентрации массы - 3-4%, длилась около 10 часов. Для ускорения реакции, древесную массу подогревали до 48 °С, но это приводило к усиленному разложению целлюлозы. Улучшение принесла разработка аппаратов для отбелки при средней концентрации. Первым, и самым значительным, был отбельный ролл братьев Бельмер, созданный в 1880 г. в Ниферне. Впервые он позволил работать с массой при концентрации 5-7% и очень быстро получил широкое распространение за счет короткого периода отбелки и высокой степени белизны при этом. Вместе с отбельными роллами фирмы «Бельмер» для циркуляции массы в чанах стали применять пропеллеры. Бельмер-шнек позволял не только производить отбелку материала высокой плотности, но и равномерно перемешивать материал с отбеливающим рас-
твором. Затраты на подогрев массы снизились наполовину. Интенсивную и быструю промывку в процессе отбелки смогли обеспечить большие и более производительные промывные барабаны. Отбельные роллы начали очень быстро внедряться, т.к. их можно было построить очень быстро и любых размеров, а кроме того, уже в то время они могли вмещать объем варочного котла.
Отбеливающие средства
После Первой мировой войны техническая революция распространилась и на отбеливающие средства. Как уже известно, до этого почти сто лет, практически единственным отбеливающим средством была хлорная известь.
Следующим решающим шагом было появление жидкого хлора. Использование газообразного хлора в боевых действиях, во время Первой мировой войны, привело к развитию улучшенных транспортных установок, так что к концу войны жидкий хлор в цистернах стал товаром. Теперь, обладая большим количеством хлорной извести, фабрики могли сами производить отбеливающий раствор, вводя хлор в известковое молочко.
Возрастало использование многоступенчатой отбелки, которая, естественно, состояла исключительно из ступеней гипохлорита с промывкой или щелочной экстракцией между ними, что привело к идее использования давно известного элемента - хлора в качестве ступени отбелки. К тому времени уже имелась жидкая форма хлора. Трудность была в том, что не было установок, которые бы не разрушались при хлорировании от воздействия хлора или соляной кислоты. Это препятствие преодолели, облицовывая аппарат кислотоустойчивым кафелем, а подвешенные детали, покрывая жесткой резиной.
Метод Торне
Первая в Европе башня непрерывного хлорирования была построена в 1928 г. фирмой «Бельмер» в Чехословакии, в Жилине. Это была стальная башня, облицованная жесткой резиной, которая работала до 1960 г.
Первое высокотехническое хлорирование как первая ступень в отбелке целлюлозы, в Северной Америке упоминалось в 1930-1931 гг. в отчетах компани «Nekoosa Edwards Paper». Они использовали хлоратор, емкость которого была облицована кислотоустойчивыми плитками, а вал и винт - гуммированы. При 3-4% концентрации массы хлорирование заканчивалось через час. Наряду с этими аппаратами, работающими при низкой концентрации массы, уже были построены первые аппараты непрерывного действия для гипохлоритной отбелки при 14-16% концентрации массы. Самой успешной и самой значительной была, названная по имени своего создателя, башня Торне.
К.Б. Торне, вице-президент «Риордон Палп Корпо-рейшен», долгие годы технический директор этого предприятия, устранил недостатки прежней отбелки высококонцентрированной массы. Длительное перемешивание концентрированной массы он заменил смешиванием массы с отбеливающим раствором в одном из дезинтеграторов, и в башню масса поступала уже сверху, за счет собственной тяжести. Экономические преимущества метода Торне были очень значительны. Экономия хлора составляла от 30 до 40%, пара - 50%, времени - 30% и более, благодаря высокой концентрации массы.
Многоступенчатая отбелка сульфатной целлюлозы
С помощью многоступенчатой отбелки появилась возможность отбеливать и сульфатную целлюлозу, которая считалась неотбеливающейся. Уже в 1854 г. Уаттом и Бургессом получили патент, на изобретенный ими натронный способ отбелки натронной целлюлозы с использованием технологической цепочки: хлорирование -щелочная экстракция - гипохлорит. Однако этот процесс никогда не использовался, т.к. в то время еще не было ни дешевого хлора, ни кислотоустойчивой аппаратуры. Целлюлоза, полученная сульфатным способом, использовалась исключительно для производства упаковочной бумаги, мешков, картона, только полуотбеленная масса производилась путем мягкой гипохлоритной отбелки.
Первая полностью отбеленная по трем ступеням сульфатная целлюлоза с 70% белизной, была представлена на рынок канадской целлюлозной фабрикой «Браун» в 1930 г. Позднее степень отбелки за счет технологической последовательности: хлорирование, горячая щелочная экстракция и две гипохлоритных ступени - достигла 80% и до конца сороковых годов эта цепочка была самым признанным в мире методом отбелки сульфатной целлюлозы.
Отбелка двуокисью хлора
Решающее улучшение в технику отбелки внесло использование двуокиси хлора. Она, как и другие современные средства для отбеливания, была известна с давних пор. Уатт и Бургесс изобретатели щелочного гидролиза древесины в 1854 г. в своем патенте защищали использование эухлорина для отбелки содовой целлюлозы. Эухло-рином они называли газ, который образуется из хлората калия и соляной кислоты. Позднее его идентифицировали со смесью из хлора и двуокиси хлора. Но собственно открытие отбеливающего свойства двуокиси хлора принадлежит Эриху Шмидту, который использовал ее в своих де-ревоанатомических работах по выделению лигнина для изоляции волокон из тонких срезов. В 1924 г. он получил также патент на отбелку целлюлозы двуокисью хлора в растворе уксусной кислоты. Однако, этот патент не нашел технического применения из-за взрывоопасных и токсичных свойств двуокиси хлора. Первое практическое использование двуокись хлора нашла в форме хлорита натрия, в которой она применяется в текстильной промышленности еще и сегодня. Непрерывное фабричное производство и использование для отбелки двуокиси хлора началось в 1946 г. почти одновременно в Канаде и Швеции.
Двуокись хлора нашла поистине широкое распространение, но только за счет ее использования на последних ступенях многоступенчатой отбелки. Теперь и сульфатную целлюлозу можно было отбеливать без потери прочности до такой же степени белизны, как и сульфитную.
Первая сульфатная целлюлоза с 90% степенью белизны появилась на рынке в 1960 г. Наконец, в 70-е годы начали частично заменять на первой ступени хлор на двуокись хлора в эквивалентных пропорциях для того, чтобы улучшить прочность, чистоту и стабильность белизны целлюлозы, эта тенденция существует и сегодня.
Кислород как отбеливающее средство
Дальнейшему развитию отбелки целлюлозы способствовало и возрастающее обострение ситуации со сточными водами. Сто лет отработанный щелок с фабрик,
работающих с бисульфитным кальцием, был самым большим загрязнителем рек. За его стоками могли совершенно просто прятаться стоки всех отбелочных сульфитных и сульфатных фабрик. Так как содержащиеся в стоках хлорные соединения обладали корродирующими свойствами, их нельзя было ни выпаривать, ни сжигать. К тому же они еще и ядовиты. Начались поиски путей снижения объемов этих стоков. И вот тогда-то и наступил звездный час отбеливающего средства с активным кислородом.
Перекись была известна давно, впервые для отбелки древесной массы она была использована в 1941 г, а также в незначительном объеме в качестве конечной ступени для отбелки сульфатной целлюлозы. Решительным прогрессом было изобретение способа отбелки с использованием газообразного кислорода под давлением. Отбелку активным кислородом изобрели в 1952 г. русские -Никитин и Аким. Они открыли, что для очистки химической целлюлозы отлично подходит этот способ, и получили высокое содержание альфа-целлюлозы и равномерное разделение длин цепи. Они считали, что из-за сильного распада целлюлозы способ отбелки активным кислородом не годится для бумажной целлюлозы. Только в 1964 г., во Франции, Робер открыл, что за счет определенных добавок, особенно карбоната магния, можно снизить распад целлюлозы - это вызвало сенсацию. Одновременно с Робером над проблемой отбелки активным кислородом работали в Вене, в Институте по исследованию древесины. Там нашли, что такой же эффект получается при использовании солей магния.
Отбелка активным кислородом используется для того, чтобы добиться разгрузки сточных вод за счет дополнительной делигнификации перед использованием хлорного отбеливателя при отбелке сульфатной целлюлозы. И действительно, при 50%-й делигнификации на стадии использования кислорода и рециркуляции стоков этой стадии обратно в химический оборот сульфатно-целлюлозной фабрики, нагрузка на сточные воды за счет отбелки снижается наполовину.
Техника ЕО
Возможность распределения кислорода с помощью новейшей технологии смешивания в массе средней концентрации явилась поводом к самому важному открытию последних лет - щелочной экстракции под гидростатическим давлением (она известна под сокращенным обозначением как ЕО, ОЕ или Е0). Преимущества этой методики: простота применения, низкие капиталовложения, повышенная эффективность отбелки, экономия хлора или хлорсодержащих отбеливающих химикатов, все это при-
вело к немыслимо быстрому распространению этого способа. В 1980 г. было только две подобные установки. В конце 1983 г. уже свыше 30, а в конце 1985 г. уже 9 миллионов тонн целлюлозы обрабатывалось на одной ЕО-ста-дии. Сегодня ЕО-технология является стандартом техники отбелки. В Западной Германии и Швеции нет, например, ни одной линии отбелки целлюлозы без ЕО. Во всей истории отбелки целлюлозы ни одна технология не развивалась так стремительно и не внедрялась в промышленность так глубоко.
Путь к бесхлорной отбелке
В последнее время значительного прогресса достигла технология производства озона. В США была построена первая установка для отбелки сульфатной целлюлозы с использованием озона, она пущена в эксплуатацию в 1992 г., и ее производительность составляет 950 тонн в день.
Дальнейшим путем к отбелке с минимальной добавкой хлора или вообще бесхлорной, являются биотехнологические методы, известные как биоотбелка или ферментная отбелка. Большой шаг в этом направлении был сделан в 1986 г., когда финские исследователи нашли, что обработка неотбеленной целлюлозы с помощью фермента ксиланазы поглощает ксилан, способствует снижению содержания лигнина в целлюлозе и лучшей степени ее отбелки на заключительном этапе.
В целлюлозной промышленности с успехом были уже опробованы и другие ферменты. Так, путем обработки смолосодержащей целлюлозы с помощью липазы или резиназы можно успешно бороться при производстве бумаги с проблемами, возникающими со смолой. Если щепу обработать грибком, который вырабатывает эти ферменты, то при складировании щепы значительно ускоряется разложение смолы. Обработка щепы перед складированием грибками белой гнили, которые вырабатывают разлагающие лигнин ферменты - липазы, способствуют снижению энергозатрат при конечном механическом размалывании и улучшает прочностные свойства.
Список литературы
1. Промывка и отбелка целлюлозы: учебное пособие / Л.А. Миловидова, Г.В. Комарова, Т.А. Королева, Ю.В. Севастьянова, Я.В. Казаков, В.И. Белоглазов; Северный (Арктический) федеральный университет - Архангельск: ИПЦ САФУ, 2013. - 212 с.
2. Большая отбелка. Одна промышленная история / Эрнст Фёлкер, Гебр. Бельмер ГмбХ, Ниферн, 1992. -159 с.
ОПТИМИЗАЦИЯ ОБСЛУЖИВАНИЯ ПАССАЖИРОПОТОКОВ СТАНЦИЕЙ
МЕТРОПОЛИТЕНА
Рогальский Евгений Сергеевич,
БНТУ г.Минск, старший преподаваель, Кузьмин Владимир Иванович, БНТУ г.Минск, студент 2 курса
Приборостроительного факультета
OPTIMIZATION OF PASSENGER SERVICE TRANSPORT HUB Rogalsky Evgeny Sergeevich, BNTU, Minsk, senior lecturer,
Vladimir Ivanovich Kuzmin, BNTU, Minsk, student of 2 course faculty priborostroitelnij
