Переработка макулатуры Мировое потребление волокна в ЦБП
advertisement
Технология и оборудование получения волокнистых полуфабрикатов. Тема 7. Переработка макулатуры.doc 1 Переработка макулатуры Мировое потребление волокна в ЦБП Одним из основных факторов, ведущих к увеличению доли применения целлюлозы – это необходимость снижения себестоимости продукции, что возможно при увеличении содержания вторичного волокна в композициях бумажных масс. При этом требования к качеству бумаги и картона неуклонно повышаются, это приводит к необходимости изменять производственные и технологические требования. Таким образом, доля механической и полуцеллюлозной массы во всех основных продуктах ЦБП снижается, а макулатурной массы - растет. По сравнению с 1990 г. существенно изменился состав макулатурного сырья по волокну, содержанию наполнителей, пигментов, типу и количеству типографских красок, и композиционный состав волокна. Увеличилось содержание грубых волокон в облагороженной макулатурной массе в связи с увеличением доли ТММ в композиции газетной бумаги. Это затрудняет использование облагороженной макулатурной массы в производстве суперкаландрированной немелованной типографской бумаги (SC). Продукция, вырабатываемая с использованием макулатуры Собираемая макулатура используется: - при производстве газетной бумаги - 12 %; - контейнерного картона тест-лайнера и бумаги-основы для гофрирования - 29 %; - коробочного картона – 19 %; - картона крафт-лайнер – 6 %; - упаковочных видов бумаги – 15 %; - санитарно-бытовой бумаги – 10 %; - писче-печатной бумаги – 7 %. Возрос спрос на макулатуру: - из старых журналов для производства газетной бумаги; - из низкосортной смешанной макулатуры взамен дорогостоящей макулатуры из гофротары; - из гофротарного картона, несмотря на уже достигнутый высокий уровень ее сбора (75 % в настоящее время с перспективой увеличения до 80 % в ближайшие годы) в связи со строительством новых и расширением действующих мощностей. Технология и оборудование получения волокнистых полуфабрикатов. Тема 7. Переработка макулатуры.doc 2 - из газет для выработки газетной бумаги на существующих старых ЦБК. По природоохранным соображениям закрываются производства беленой сульфатной целлюлозы. Новые Сводные правила Американского агентства по охране окружающей среды выдвигают такие жесткие требования к сбросам загрязнений со стоками заводов беленой сульфатной целлюлозы, что многие предприятия не в состоянии финансировать их реконструкцию и предпочитают закрыть эти заводы, заменив сульфатную целлюлозу в композиции газетной бумаги или картона лайнер с белым верхним слоем облагороженной макулатурной массой. По сравнению с лиственной целлюлозой облагороженная макулатурная масса обладает даже лучшей пухлостью и прочностью. Для того, что бы можно было использовать макулатурную массу в качестве альтернативы целлюлозе необходимо повышать качество макулатурной массы путем облагораживания. Таким образом, несмотря на ухудшение качества макулатуры, качество облагороженной макулатурной массы повышается. В соответствии с перечнем качественных показатели макулатуры EN643, к макулатуре предъявляются три основных вида требований: • влажность макулатуры (в воздушно-сухом состоянии) не должна превышать 10 %. При более высокой влажности избыточная масса макулатуры по согласованию с поставщиком может быть вычтена из оплачиваемой массы. • содержание посторонних включений. • композиционный состав макулатуры. К основным показателям, характеризующие бумагообразующие свойства марок макулатуры для последующего рационального ее использования относят разрывную длину и сопротивление продавливанию. По этим признакам рассмотренные виды бумаги и картона, образующие макулатуру, можно распределить на 6 основных групп. Первая группа объединяет виды бумаги, содержащие в композиции в основном сульфатную небеленую целлюлозу, и имеет самые высокие физикомеханические показатели (сопротивление продавливанию - 150...190 кПа, разрывная длина - 3000...4500 м). Вторая группа - гофрированный картон и картон для упаковки пищевых продуктов на автоматах, обладающие более низкими показателями (сопротивление продавливанию – около 110 кПа, разрывная длина - 3000...2800 м). Третья группа - все виды бумаги из беленой сульфитной целлюлозы, а также виды бумаги, содержащие сульфитную целлюлозу и до 50 % белой древес- Технология и оборудование получения волокнистых полуфабрикатов. Тема 7. Переработка макулатуры.doc 3 ной массы. Сопротивление продавливанию для этой группы находится в пределах 110...75 кПа, а разрывная длина - 2800...2100 м. Четвертая группа - газетная бумага, в композиции которой содержится не менее 75 % древесной массы. Пятая группа - бумажно-картонная смешанная макулатура, собираемая населением (разрывная длина - 2100 м и сопротивление продавливанию - 50 кПа). Шестая группа - виды картона, содержащие в композиционном составе от 50 до 100 % макулатуры, имеют самые низкие механические показатели. По внешнему виду (наличие печати, цвета, способности к роспуску и т. д.) из этих 6 групп могут быть выделены подгруппы. ПРИГОТОВЛЕНИЕ БУМАЖНОЙ МАССЫ ИЗ МАКУЛАТУРЫ Под приготовлением бумажной массы понимают совокупность технологических процессов, обеспечивающих ее пригодность для изготовления бумаги и картона и подачи ее на машину для формования соответствующего вида продукции. Среди этих процессов очень важными являются размол, проклейка, наполнение, крашение и др. Технологические схемы переработки макулатуры. Качество макулатуры как сырья для картонно-бумажного производства определяется природой исходного волокна, числом циклов его переработки, однородностью макулатуры по композиционному составу, загрязненностью и засоренностью различными примесями и включениями. Схема приготовления бумажной массы из макулатуры для наиболее массовых видов бумаги и картона выглядит следующим образом. Основными операциями этой схемы являются: разволокнение макулатуры, грубая очистка, доволокнение, тонкая очистка и сортирование, сгущение, диспергирование, фракционирование, размол. Одной из особенностей переработки макулатуры является проблемное разволокнение и последующий размол волокнистой суспензии, представляющей собой композицию разных видов бумаги и картона, отличающихся не только бумагообразующими свойствами, но и степенью проклейки. В результате этого возникают трудности, связанные с выбором оптимального режима разволокнения вторичного сырья и размолом получаемой волокнистой суспензии. В процессе разволокнения макулатура в водной среде под воздействием механических и гидромеханических сил разбивается и распускается на небольшие пучки волокон и отдельные волокна. Технология и оборудование получения волокнистых полуфабрикатов. Тема 7. Переработка макулатуры.doc 4 Макулатура Разволокнение Грубые отходы Пленки Тяжелые отходы Грубая очистка Доволокнение Песок, скрепки Легкие отходы Отходы Сортирование отходов Сортирование Диспергирование Разбавление Легкие отходы Фракционирование Избыток на очистку Размол На БДМ или КДМ Облагораживание Традиционно для разволокнения макулатуры использовались гидроразбиватели, оснащенные ситами с круглыми отверстиями диаметром от 9 до 19 мм и более, а также специальными устройствами для удаления посторонних включений (жгутовытаскивателями), легких и склонных к сплетению, и автоматическими клапанами для удаления тяжелых включений. Гидроразбиватели с горизонтальным расположением вала используются для низкокачественной макулатуры с высокой степенью загрязнения. Кипы не попадают непосредственно на крыльчатку, поэтому ротор имеет большой срок службы. Возможны непрерывный режим работы, применение жгутоулавливателя. Концентрация волокнистой суспензии 4,0.. .4,5 % (низкая концентрация). По сравнению с аппаратами с горизонтальным расположением вала ротора гидроразбиватели с вертикальным расположением вала ротора развивают большие усилия роспуска, поэтому они выгодны при облагораживании массы. Концентрация волокнистой суспензии составляет 5…6 %. Технология и оборудование получения волокнистых полуфабрикатов. Тема 7. Переработка макулатуры.doc 5 Классической можно назвать систему Voith ATS-N с горизонтальным расположением вала ротора гидроразбивателя: Рис. 2. Система разволокнения макулатуры Voith ATS-N: 1 – гидроразбиватель; 2 – ротор; 3 – сито; 4 – грязевик; 5 – жгутовытаскиватель; 6 – турбосепаратор; 7 – крыльчатка; 8 – сито; 9 – вибросортировка; 10 – очиститель массы высокой концентрации; 11 – грязевик Функциональные особенности системы Voith ATS-N: • позволяет перерабатывать несортированную макулатуру со смешанной композицией по волокну; • интеграция в системе гидроразбивателя, центробежного очистителя, турбосепаратора и вибрационной сортировки позволяет приспосабливать систему к макулатуре с любым содержанием загрязнений; • более эффективное разволокнение макулатуры позволяет снизить потребление энергии по сравнению с обычными системами подготовки массы; • отходы собираются централизованно; • компактность системы; • снижение затрат по обслуживанию. Интенсификация процессов разволокнения макулатуры 1. Влияние температуры Для ускорения обработки водой листовой целлюлозы, макулатуры или оборотного брака часто подогревают используемую при этом воду. Очевидно, что разволокнение произойдет легче и быстрее, если вода без задержки проникнет в поры материала (бумаги или картона) и ослабит при этом межволоконные силы связи. Повышение температуры воды способствует снижению ее вязкости, что и Технология и оборудование получения волокнистых полуфабрикатов. Тема 7. Переработка макулатуры.doc 6 облегчает проникновение воды в поры волокнистого материала, а следовательно, облегчает процесс разделения материала на отдельные волокна; 2. Влияние щелочной среды Одним из факторов, способствующих набуханию волокон, является щелочная обработка. Высокая концентрация катионов натрия в суспензии вызывает осмотическое давление в пределах микроструктуры стенки волокна. При этом кислые карбоксильные группы отделяются в присутствии катионов натрия. Однако набухание волокон с открыванием водородных связей внутри них процесс довольно длительный (2...4 ч при возможно низкой температуре), и на разволокнение заметного влияния не оказывает. Кроме того, при разволокнении книжножурнальной макулатуры в присутствии щелочи наблюдается заметное снижение белизны массы. 3. Влияние ПАВ (смачивателей) Известно, что поверхностно-активные вещества - химикаты, изменяющие поверхностное натяжение. Гидрофобные поверхности материалов можно гидрофилизировать слоями поверхностно-активных веществ (ПАВ). ПАВ применяют для облегчения разволокнения влагопрочных видов макулатуры. За счет придания поверхности влагопрочной бумаги гидрофильных свойств можно достичь облегченного доступа влаги в межволоконные капилляры бумажного листа и интенсифицировать процесс разрушения его структуры, что и является целью процесса разволокнения макулатуры. 4. Влияние концентрации макулатурной массы, продолжительности и удельного расхода энергии на разволокнение Эти три параметра неразрывно связаны. Разволокнение при высокой концентрации осуществляется при меньшей частоте ротора, сильно загрязненной массы при концентрации 4…5 % при непрерывном режиме, в две ступени. Одновременно с роспуском из макулатурной массы удаляются наиболее крупные посторонние включения в виде проволоки, веревок, камней и т. п. Грубая очистка необходима для удаления из макулатурной массы частиц с высокой удельной массой, таких, как металлические скрепки, песок и т. д. Для этого используют вихревые очистители типа ОК, работающие при низкой концентрации массы (не более 1 %), а также очистители массы высокой концентрации (до 5 %) типа ОМ. Иногда для удаления ферромагнитных включений применяют магнитные сепараторы. Технология и оборудование получения волокнистых полуфабрикатов. Тема 7. Переработка макулатуры.doc 7 Доволокнение макулатурной массы выходящей из гидроразбивателя необходимо для окончательной разбивки пучков волокон. Для доволокнения используют турбосепараторы, пульсационные мельницы, энштипперы и фиберайзеры. Турбосепараторы, в отличие от других аппаратов, позволяют одновременно с дороспуском макулатурной массы проводить дальнейшую ее очистку от остатков распустившейся на волокне макулатуры, а также небольших кусочков пластмасс, пленок, фольги и других посторонних включений. Для окончательного роспуска пучков волокон макулатуры или оборотного брака после гидроразбивателя применяется оборудование, в котором осуществляется воздействие гидродинамических ударов на бумажную массу. К такому оборудованию относится энтштиппирующие и многодисковые мельницы. Зазор между роторными и статорными дисками устанавливается постоянным в пределах 0,5...2,0 мм. В зависимости от размеров лепестков макулатуры, их концентрации и содержания грубодисперсных отходов в массе эффективность работы аппаратов на стадии дороспуска может варьироваться. В идеальном случае степень разводокнения после них должна составлять 95 %. Экономичным считается пропуск массы через энтштиппер от одного до четырех раз в зависимости от вида и назначения массы. Удельный расход энергии при этом составляет 25...40 кВт ∙ ч/т. СОРТИРОВАНИЕ МАКУЛАТУРНОЙ МАССЫ Цель сортирования – удаление из макулатурной массы посторонних включений, в том числе липких клеевых примесей. При получении высококачественной макулатурной массы осуществляются два этапа сортирования: - предварительное грубое сортирование массы при средней концентрации на напорных сортировках, оснащенных ситами с круглыми или шлицевыми отверстиями. Первый этап сортирования приводит к снижению содержания грубодисперсных частиц отходов до такого уровня, который обеспечит использование сита с меньшим диаметром отверстий или шириной щелей в сортировках, применяемых на последующих этапах технологического процесса; - тонкое сортирование массы при низкой концентрации на сортировках со шлицевыми ситами. Принцип сортирования макулатурной массы состоит в следующем: волокнистая масса (суспензия) подается в сортировку по касательной к образующей поверхности сита, и под действием лопастей ротора кондиционная ее часть проходит изнутри или снаружи через круглые отверстия или щели сита. Диаметр отверстий или ширина щелей сита больше, чем толщина волокон, но меньше, чем Технология и оборудование получения волокнистых полуфабрикатов. Тема 7. Переработка макулатуры.doc 8 размер липких примесей и других загрязнений, что обеспечивает их отделение при сортировании. Эффективность сортирования увеличивается по мере удаления большей части загрязнений, однако при этом возрастают потери волокна с отходами. В зависимости от размера, формы и деформируемости загрязнений в сортировках применяются сита и роторные узлы различной конфигурации. Наиболее часто используют сортировки с центробежным и центростремительным направлением перемещения отсортированной массы. Частицы stickies (клея) представляют большую проблему при сортировании, так как не имеют стабильной формы, то есть могут легко деформироваться при приложении давления, и склонны к измельчению при приложении сдвиговых усилий, требуют применения сит со щелями малой ширины. Эффективность сортирования зависит от размеров удаляемых частиц. Поэтому следует выбирать оборудование, предотвращающее измельчение частиц, подлежащих удалению сортированием. Фракционирование макулатурной массы в процессе ее приготовления позволяет разделять волокна на длинно- и коротковолокнистые фракции. Проводя последующий размол только длинноволокнистой фракции, можно значительно сократить расход энергии на размол, а также повысить механические показатели бумаги и картона, вырабатываемых с использованием макулатуры. Диспергирование макулатурной массы Присутствие в макулатуре битума, парафина, воска, латекса, различных смол и кусочков пленки, частичек печатной краски и клея, попадающих затем в макулатурную массу, создает затруднения в работе бумаго- и картоноделательных машин. Даже незначительные количества этих добавок приводят к загрязнению оборудования, сеток, сукон, прессовых валов и сушильных цилиндров и вызывают обрывы бумажного полотна или образование на нем различных пятен, дыр и других дефектов. Переработка такой макулатуры и получение полноценной массы требуют применения специального оборудования и технологических процессов. Диспергирование – тонкое измельчение какого-либо материала в окружающей среде. В процессе диспергирования частички краски и клея размягчаются, отделяются от волокон и измельчаются до размеров, не видимых невооруженным глазом. При диспергировании макулатурная масса подвергается механическому воздействию в результате трения между волокном и размалывающими элементами диспергатора, а также трения между волокнами. Оптимальный эффект диспергирования достигается при концентрации массы 25...35 %, что требует повышенно- Технология и оборудование получения волокнистых полуфабрикатов. Тема 7. Переработка макулатуры.doc 9 го удельного расхода энергии. Одновременно с диспергированием можно проводить смешивание макулатурной массы с отбеливающими реагентами, что значительно уменьшает эксплуатационные расходы и позволяет исключить смеситель из технологической схемы отбелки. Перед диспергированием необходимо тщательно очистить макулатурную массу от тяжелых и легких примесей. Эффективность диспергирования зависит от концентрации и состава макулатурной массы, температуры обработки, типа гарнитуры и окружной скорости ротора диспергатора. В зависимости от состава и температуры плавления примесей макулатурной массы используют два способа диспергирования: - «холодное» - при атмосферном давлении и температуре до 95 °С; - «горячее», или термодиспергирование, при давлении 0,3…0,5 МПа и температуре 130…150 °С. При холодном диспергировании частицы липких загрязнений с низкой температурой плавления размягчаются и диспергируются, осаждаясь на волокнах. При температуре механической обработки ниже 100 °С нет необходимости в дополнительном размоле макулатурной массы. Термодиспергирование применяют при содержании посторонних веществ с температурой плавления более 100 °С. Равномерное распределение на волокнах частиц липких загрязнений придает макулатурной массе водостойкость и оптически гомогенный состав. Следует учитывать, что термодиспергирование макулатурной массы приводит к ослаблению межволоконных связей и снижению показателей механической прочности. Для восстановления прочности после термодиспергирования массу необходимо подвергнуть дополнительному размолу. Процесс диспергирования включает три стадии: обезвоживание, нагревание и непосредственное диспергирование. Все эти стадии обязательны для достижения требуемых свойств макулатурной массы Таблица 2 Стадии процесса диспергирования макулатурной массы Стадия процесса Обезвоживание Решаемые задачи Влияние на свойства волокон Увеличение концентрации Удаление мелочи. и вязкости суспензии, вы- Завивание волокон. зывающее высокие сдвиговые деформации. Удаление растворенных загрязнений (в отдельном контуре фильтрата). Технология и оборудование получения волокнистых полуфабрикатов. Тема 7. Переработка макулатуры.doc Нагревание Диспергирование 10 Размягчение липких за- Придание волокнам гибкости. грязнений и краски. Уменьшение водоудержания. Уничтожение ферментов. Снижение содержания микроорганики. Отделение от волокна и Фибриллирование пластификадиспергирование липких ция волокон. загрязнений и частиц Изменение формы волокон краски. (скручивание, сгибание и т.д.). Добавление отбеливающих реагентов. На стадии обезвоживания применяют шнековые и сеточные прессы. Силы сдвига, возникающие в шнековом аппарате, обеспечивают предварительное диспергирование посторонних загрязнений и при необходимости хорошее распределение отбеливающих химикатов. Зона нагрева изолируется посредством уплотняющего шнека, что делает систему закрытой и снижает потребление пара (рис. 3). Прессованная масса из уплотняющего шнека подается в вертикальный разрыхлитель, превращающий ее в «крошку», что позволяет осуществить равномерный нагрев измельченной массы до необходимой температуры насыщенным паром в последующем горизонтальном шнеке. Продолжительность нахождения массы в нагревательном шнеке - 2 мин; расход пара – около 400 кг/т массы. Для диспергирования макулатурной массы в промышленности используют следующие аппараты: быстроходный дисковый диспергатор (движение массы в радиальном направлении) и тихоходный диспергатор перемешивающего (разминающего) типа с осевым движением массы. Дисковый диспергатор (рис. 4) имеет размалывающую гарнитуру с пирамидальными зубьями или ножами. Под действием центробежной силы, создаваемой ротором, суспензия подается в зазор между гарнитурами ротора и статора в радиальном направлении. Отделение и измельчение частиц типографской краски и других посторонних включений в макулатурной массе происходит в результате ударного воздействия ножей быстровращающегося диска (частота вращения 1200... 1800 мин). Продолжительность диспергирования составляет 1...3 с. Диспергатор перемешивающего типа (рис. 5) имеет горизонтальный цилиндрический корпус, внутри которого вращаются один или два ротора, оснащенных растирающими элементами (пальцами) в виде крылатки специальной формы (рис. 6). Технология и оборудование получения волокнистых полуфабрикатов. Тема 7. Переработка макулатуры.doc Рис. 3. Схематичное изображение зоны нагрева Рис. 5 Диспергатор перемешивающего типа 11 Рис. 4 Диспергатор дискового типа Рис. 6 Размалывающая гарнитура дискового диспергатора На внутренней поверхности корпуса аппарата дополнительно установлены выступающие элементы, создающие сопротивление движению потока массы. Усилия сдвига в диспергаторах перемешивающего типа возникают в результате интенсивного трения массы высокой концентрации о пальцы, закрепленные на медленно вращающемся валу (частота вращения 100...200 мин-1). Быстроходные дисковые диспергаторы особенно эффективны для измельчения крупных посторонних включений и отделения частиц типографской краски от более крупных волокон массы, однако они не способны отделять частицы типографской краски от поверхности мелких целлюлозных волокон и частиц наполнителей. Оптимальной температурой для работы дисковых диспергаторов является температура ниже точки размягчения типографской краски, поскольку при этом краска, сохраняя свою твердость, легче отделяется и измельчается под ударным воздействием ножей аппарата, Диспергаторы перемешивающего типа, напротив, лучше приспособлены для удаления оставшихся частиц типографской краски с поверхности мелких целлюлозных волокон и наполнителей. Они лучше работают в условиях повы- Технология и оборудование получения волокнистых полуфабрикатов. Тема 7. Переработка макулатуры.doc 12 шенной температуры (выше точки размягчения типографской краски) и предназначены для диспергирования незначительных остаточных количеств краски в массе, При этом необходимо предпринимать соответствующие меры против повторного осаждения краски на волокнах, т, е. Таким образом, высокоскоростные дисковые диспергаторы и тихоходные аппараты не конкурируют, а дополняют друг друга в системах облагораживания макулатурной массы. При этом дисковые диспергаторы целесообразно устанавливать на более ранних стадиях технологического процесса (даже до первой флотации, т. е. ближе к гидроразбивателю и грубым сортировкам), а тихоходные между первой и второй ступенями флотации. Наиболее широко известна термодисперсионная установка Krima, выпускаемая фирмой «Cellwood Mashinery» (рис. 7). Более 300 подобных установок работают во многих странах мира. Комплектное оборудование поставляют также компании «Voith Paper» и «Kadant-Lamort». Диспергирующая система состоит из зон обезвоживания, подогрева и диспергирования. В зоне обезвоживания макулатурная масса сгущается в две ступени: в наклонном винтовом прессе - до концентрации 12 %, в горизонтальном винтовом прессе - до 25...35 %. При сгущении содержание зольных элементов в массе уменьшается на 30.. .40 %. Из зоны сгущения масса с помощью конусообразного винтового питателя (шнека) направляется в пропарочную камеру, представляющую собой цилиндр, в полости которого вращается винт. Основная функция зоны подогрева массы размягчить или расплавить различные включения, содержащиеся в макулатурной массе. Пар в камеру подается через специальные патрубки. Продолжительность обработки макулатурной массы в пропарочной камере составляет 2 мин при температуре 90.. .120 °С. В зону диспергирования масса поступает через загрузочный винтовой питатель. Дисковый диспергатор Krima (рис. 7) оснащен гарнитурой из наборных сегментов с зубьями. Зазор между гарнитурами статора и ротора может составлять 0,05...0,50 мм. В процессе работы его регулируют с помощью электрогидравлического устройства с точностью до 0,01 мм. При диспергировании степень помола макулатурной массы повышается незначительно - на 2...3 °ШР. Концентрация массы на выходе может составлять от 3 до 30 % в соответствии с принятой дальнейшей переработкой или накоплением запаса. Для разбавления массы до концентрации 3...12 % в Технология и оборудование получения волокнистых полуфабрикатов. Тема 7. Переработка макулатуры.doc 13 полость диспергатора можно подавать воду, что позволяет сократить количество насосов и бассейнов. Расход энергии на диспергирование массы - 35 кВт-ч/т. Рис. 7 Система диспергирования Krima Улучшения качества волокон при достаточно низком энергопотреблении можно достигнуть, включив последовательно с диспергатором Krima мельницу для размола при средней концентрации (см. рис. 7, вариант 3). Технология и оборудование получения волокнистых полуфабрикатов. Тема 7. Переработка макулатуры.doc 14 Производительность системы диспергирования Krima варьирует от 15 до 800 т/сут., удельный расход энергии системы - 60.. .65 кВт-ч/т. При проведении термодисперсионной обработки показатель белизны может снижаться на 2 % вследствие адсорбции на волокнах измельченных частиц печатной краски, поэтому в технологических схемах подготовки макулатуры массу после диспергирования направляют на ступень флотационной обработки или на промывку. РАЗМОЛ МАКУЛАТУРНОЙ МАССЫ Механизмы воздействия на вторичные волокна В процессе подготовки макулатуры волокна подвергаются воздействию: укорочения; внутреннего и внешнего фибриллирования волокнистой структуры, вызывающее их пластификацию; отщеплению тонких частиц и как результат увеличению способности к набуханию. Кроме укорочения волокна, вызывающего уменьшение прочности, все перечисленные на рисунке справа воздействия (процессы) приводят к изменению бумагообразующих свойств макулатурной массы. Основное назначение размола заключается в подготовке поверхности целлюлозных волокон для образования межволоконных связей в бумажном полотне. Установлено два вида явлений, одновременно протекающих при размоле: чисто механическое воздействие размалывающей гарнитуры на растительные волокна с изменением их формы и размеров и коллоидно-химическое воздействие, проявляющиеся в виде гидратации волокон. Под термином «гидратация» понимаются коллоидно-химические явления, начинающиеся с набухания гидрофильных растительных волокон (которое по мере ведения процесса размола увеличивается), сопровождаемые фибриллированием их клеточных стенок и отщеплением тончайших фибрилл, а также увеличением вследствие этого наружной поверхности волокон при обнажении на этой поверхности групп ОН-2, адсорбирующих воду. При этом создаются условия, при которых волокна приобретают способность связываться между собой с образованием прочной структуры листа. У неразмолотых волокон набухание в поперечном направлении может достигать 20...30 %, а у размолотых - удвоенного диаметра. Дело в том, что при раз- Технология и оборудование получения волокнистых полуфабрикатов. Тема 7. Переработка макулатуры.doc 15 моле волокон происходит как внешнее, так и внутреннее фибриллирование. Внешнее фибриллирование сопровождается увеличением площади наружной поверхности волокон и ростом на этой поверхности числа гидроксильных групп, адсорбирующих воду. Удельная площадь поверхности полностью набухших волокон примерно в 200 раз больше, чем сухих. При этом ослабляются сами волокна, облегчается доступ воды в межфибриллярные пространства. При внутреннем фибриллировании волокон отщепления фибрилл не происходит, не уменьшается прочность самих волокон, наблюдается лишь повышение гибкости и пластичности волокон вследствие набухания гемицеллюлоз, находящихся в основном в межфибриллярных пространствах. Особенности размола макулатурной массы Вторичные волокна механической массы имеют низкий потенциал связеобразования, но его можно увеличить за счет освобождения фибрилл внешнего слоя клеточной стенки волокна. Макулатура после разволокнения в гидроразбивателе представляет собой суспензию, состоящую из волокон различной длины. Размол массы, неоднородной по длине волокон и их составу, неизбежно связан с ненужным укорочением и без того коротковолокнистой фракции. Поэтому макулатурную массу перед размолом фракционируют и размалывают только длинноволокнистые фракции. Для размола используют сдвоенные дисковые и пульсационные мельницы (энштипперы). ОБЛАГОРАЖИВАНИЕ МАКУЛАТУРНОЙ МАССЫ Цель облагораживания состоит в отделении из макулатурной суспензии печатной краски и других загрязняющих примесей, которые могут оказывать негативное влияние на процесс производства и свойства бумаги. Основными требованиями к качеству облагороженной макулатурной массе: 1. оптические свойства (нейтральная окраска, белизна 65…72 %); 2. прочность; прочность облагороженной массы должна занимать промежуточное состояние между ТММ и сульфатной целлюлозой 3. поверхностные характеристики (содержание грубого волокна не более 5 %) 4. наличие загрязняющих примесей (минимальное содержание липких веществ). Процесс облагораживания макулатурной массы путем удаления из нее частиц типографской краски состоит из этапов: 1. Отделение частиц типографской краски от волокон суспензии и перевод ее водную фазу суспензии; Технология и оборудование получения волокнистых полуфабрикатов. Тема 7. Переработка макулатуры.doc 16 2. Удаление частиц типографской краски из водной фазы суспензии и получение чистого волокна. Этот процесс осуществляется двумя способами промывкой или флотацией. В зависимости от вида типографской краски и способа печати содержание ее в бумаге составляет: 1. бумага от книг – 0,5…1%; 2. бумага от газет – 0,5…5 %; 3. бумага от иллюстрированных журналов – 1…7 %. Большинство типографских красок состоит на 15…30 % из сажи и на 85-70 % из связующих веществ, а также натуральных масел, синтетических смол в различных соотношениях. Наибольшее влияние на процесс отделения и удаления краски оказывает не количество краски, а ее состав. Поэтому для каждого состава краски необходимо индивидуально подбирать режим облагораживания. Первую стадию процесса облагораживания макулатуры проводят в щелочной среде при одновременном механическом и тепловом воздействии. Под воздействием щелочи происходит омыление связующих веществ типографской краски, волокна целлюлозы набухают, происходит разделение на пучки волокон, а затем и разделения на отдельные волокна. Таким образом, образуется водная суспензия из волокон и частичек типографской краски. Процесс протекает в специальных реакционных бассейнах. Вторую стадию процесса облагораживания – извлечение частичек типографской краски из волокнистой суспензии, осуществляют путем промывки или флотации. При промывке частицы разделяются по размеру. Маленькие частицы наполнителей и пигментов легко вымываются и удаляются с водой. Недостатками являются: - большой расход свежей воды (160…180 м3 на 1 т облагороженной массы) и образование большого количества загрязненных вод; - при промывке теряется значительная часть волокон и наполнителей 30…35 %. Процесс флотации по сравнению с процессом промывки является более сложным. Проводят во флотаторах или флотокамерах. Основным принципом процесса флотации является введение в волокнистую суспензию пузырьков воздуха, к которым присоединяются частицы краски. Технология и оборудование получения волокнистых полуфабрикатов. Тема 7. Переработка макулатуры.doc 17 Рис. 8 Удаление краски методом флотации Процесс основан на различной степени смачиваемости составных частиц типографской краски и волокон. Частицы краски – гидрофильны (любят воду), а волокна и наполнители гидрофобны (воду отталкивают). Пена, образующаяся в результате аэрации волокнистой суспензии, поднимается в верхнюю часть флотационной камеры, откуда удаляется специальным приспособлением. Чем выше гидрофобность типографской краски, тем выше устойчивость пены. Для повышения устойчивости пены в суспензию вводят флотоагенты. Флотоагенты способствуют уплотнению пены и полному удалению ее из флотационной камеры. Факторы, влияющие на процесс флотации: 1. концентрация массы, поступающей на флотационную установку; 2. размер частиц краски, отделенной от волокна; 3. расход воздуха на процесс флотации; 4. размер и скорость движения пузырьков воздуха. Концентрация массы поступающей на флотационную установку не должна превышать 0,8…1,0%. Повышение концентрации снижает эффективность процесса, т.к. пузырям воздуха сложнее пробиться сквозь плотный слой волокон, и возможен отрыв частичек краски от пузырей. Размер частиц краски при флотации должен быть не менее 5 мкм. Наличие более мелких частиц приведет к снижению белизны массы. Более крупные будут плохо прилипать к пузырям. Размер пузырьков воздуха должен быть постоянным и сопоставим с размером частиц краски. С увеличением подачи воздуха увеличивается расстояние между пузырьками, это способствует слиянию отдельных пузырьков, что приводит к увеличению их размеров и уменьшению их количества. При чрезмерной подаче воздуха возможно образование аэрационной струи. На размер пузырьков Технология и оборудование получения волокнистых полуфабрикатов. Тема 7. Переработка макулатуры.doc 18 существенное влияние оказывает геометрическая форма отверстий, через которые подается воздух. Проблемы переработки макулатуры Расширение производств продуктов питания в расфасованном виде, повышение культуры обслуживания обусловило замену стеклянной, жестяной тары бумажной упаковкой. Бумажная упаковка экономически и экологически более целесообразна, при условии соответствия ее требованиям предъявляемым к упаковке. Замена стеклянной, жестяной тары на бумажные пакеты позволяет снизить расход воды на 67%, а топлива и энергии на технологические нужды на 40%. Использование бумажных пакетов требует меньших производственных площадей, складских помещений и холодильных емкостей, что важно при размещении заводов, производящих продукты питания, в черте города или области. В связи с этим возросла потребность в средствах бумажной упаковки пищевой, рыбной, мясной и молочной промышленности. Для удовлетворения этой потребности на предприятиях ЦБ отрасли расширяется выпуск и совершенствуется технология изготовления упаковочных видов картона и бумаги. В настоящие время широко используется картон, покрытый полимерными пленками, в качестве упаковки для жидких пищевых продуктов: молока, кефира, соков, вин и др. продуктов питания. Упаковка из такого комбинированного материала имеет ряд ценных свойств: воздухо -, жиро -, свето -, водонепроницаемость, легкость, она сохранят вкус и запах продукта, продлевает срок его хранения. Но наряду со всеми этими достоинствами, существует один и существенный недостаток – она (макулатура МС-9) не перерабатывается ни на одном целлюлозно-бумажном комбинате в России. Этот комбинированный материал не используется как вторичное сырье, хотя его основой является высококачественная сульфатная целлюлоза. После использования упаковка выбрасывается на помойки, откуда вывозится на свалки и сжигается, как твердый бытовой отход, что приводит не только к загрязнению окружающей среды, но и к значительным потерям дешевого сырья для производств, которые в своей технологии используют макулатуру. Переработка ламинированного макулатурного сырья должна включать, помимо основных стадий, стадию пропарки в щелочной среде под давлением. В основу переработки ламинированной макулатуры положена способность целлюлозного волокна к набуханию в щелочной среде. Это связано особенностями строения целлюлозного волокна, как линейного полимера и обусловлено наличием кристаллических и аморфных участков. Такая гетерогенность структуры целлюлозы приводит к набуханию двух типов: межмицеллярному и внутримицеллярно- Технология и оборудование получения волокнистых полуфабрикатов. Тема 7. Переработка макулатуры.doc 19 му. В первом случае реагент проникает в межмицеллярное пространство аморфной области, во втором случае - не только в аморфные области, но и внутрь кристаллических участков (мицелл). Причем важнейшими факторами, определяющими степень набухания, кроме структуры волокна, следует считать природу и концентрацию реагента, а также температуру. Хорошо набухает целлюлоза в гидроокиси натрия. Причем, при концентрации раствора едкого натра ниже 12% набухании целлюлозы происходит в основном в аморфных участках целлюлозы. При набухании в щелочных растворах меняются свойства целлюлозы, увеличивается объем в продольном и поперечном направлении при этом сила адгезии пленки к целлюлозе значительно ослабевает и появляется возможность отделить пленку от волокна без разрушения самих волокон. Таким образом, термообработка ламинированной макулатуры в разбавленных растворах щелочей способствует активному набуханию целлюлозы и приводит к отделению полимерной пленки от поверхности бумажного листа. Переработка макулатуры из смеси офисных бумаг ферментативным облагораживанием В настоящее время возникают проблемы при переработке макулатуры из офисных бумаг с неконтактной печатью. Хорошо известно, что с бумагами после ксерокопирования и печати на лазерных принтерах возникают трудности при обычных способах облагораживания. Сегодня ферменты (энзимы) используются в ЦБП для разных целей. Помимо преимуществ, в плане экологии, они имеют более специфические функции, чем традиционные химикаты. Поэтому ферменты могут применяться там, где обычные химикаты неэффективны. В основном, энзимы вводятся для удаления некоторых фрагментов в структуре волокон для улучшения процессов переработки этого волокна, как, например, отбелки, облагораживания и обезвоживания. Ферментативное облагораживание представляет собой альтернативу обычному роспуску на волокна (разволокнению), промывке и флотации и является перспективным способом для мировой ЦБП. При облагораживании ферменты подключаются, как к деструкции тонера и печатной краски, так и к реакциям на поверхности волокна. Ферменты, выпускаемые в промышленности, обладают различными функциями, которые из них могут оказаться весьма полезными, другие могут разрушить саму целлюлозу. Следовательно, ферменты необходимо тщательно подбирать перед использованием в соответствии со спецификой субстрата и характером действия самого фермента. Реакции энзима включают ограниченный гидролиз, протекающий в поверхностных слоях волокон, к которым прикрепляется печатная Технология и оборудование получения волокнистых полуфабрикатов. Тема 7. Переработка макулатуры.doc 20 краска в процессе печати. Кроме того, большая часть краски локализуется на мелованном покровном слое и / или наполнителях. Гидролиз поверхностных слоев, как и удаление покровного материала и наполнителей, может облегчить отделение и дисперсию вкраплений тонера. Исследования ферментативного облагораживания макулатуры из смеси офисных бумаг, содержащих тонерную печать, показали, что целый ряд параметров оказывает существенное влияние на эффективность облагораживания. Ферментативная активность в значительной степени зависит от рН, температуры и концентрации субстрата. Области бумаги с более высокой плотностью печати требуют более длительного времени обработки, это объясняется торможением проникновения фермента слоем тонера или связующим печатной краски к поверхности волокна. В данном случае. Так же является важным размер частиц краски и их распределение после роспуска на волокна. Обработку необходимо проводить в мягких условиях с неглубокой ферментативной обработкой, чтобы не разрушать поверхность волокна, хоты тонер обладает способность вплавляться в поверхность волокна или прикрепляться к наполнителю в процессе печати и копирования. Регулирование интенсивности ферментативной обработки производят с помощью рН, концентрации энзима, температуры, времени. После ферментативной, щелочной обработки макулатурную суспензию очищают методом флотации. Основной задачей флотации является удаление микрочастиц сразу после обработки энзимами и щелочью, т.к. если частицы оставить в суспензии они могут повторно сорбироваться волокном. В промышленных условиях весь процесс облагораживания – разволокнение, ферментативная обработка и флотация осуществляется при температуре 50…54 0 С, продолжительность процесса 1…1,20 мин. Ферментативная обработка перед флотацией приводит к эффективному отделению и дисперсии частиц тонера. Бумага из такой макулатуры по качеству, прочности, белизне не уступает бумаге из целлюлозы.
