Введение к работе
Актуальность проблемы. Бумага представляет собой сложный композиционный материал, который помимо целлюлозы включает наполнители и проклеивающие вещества. На всех этапах формирования бумажного полотна происходят различные физико-химические процессы, а сама бумажная масса представляет собой сложную коллоидную систему.
В качестве наполнителей бумажной массы применяют следующие минеральные соединения - каолин, карбонат кальция, диоксид титана и др., придающие бумаге необходимые оптические, печатные и физико-механические свойства. Применение минеральных наполнителей имеет также и экономическое значение, так как позволяет заменить часть волокна более дешёвым минеральным материалом.
Минеральные наполнители, вводимые в бумажную массу, не полностью удерживаются в бумаге. Если не принять соответствующих мер, то провал наполнителя в подсеточную воду увеличится. При надлежащей организации технологического процесса степень удержания наполнителя в бумаге составляет 70-80 %.
Одним из условий конкурентоспособности производства бумаги является рациональное использование водных ресурсов. Для этого на предприятиях формируют оборотные системы водоснабжения. Это существенно снижает потребление свежей воды, уменьшает потери волокна и наполнителей. Однако для поддержания требуемого качества оборотных вод их следует подвергать локальной физико-химической очистке. При очистке этих сточных вод применяют в качестве коагулянта соли алюминия, которые образуют сильно обводненные и трудно фильтруемые осадки, а также приводят загрязнению воды алюминием. В последние годы появились публикации об использовании при очистке воды коагулянтов на основе солей Ti (IV), которые обладают рядом преимуществ в процессах водоочистки и водоподготовки по сравнению с солями алюминия.
В настоящее время проводится много исследований, направленных на получение модифицированных наполнителей на основе целлюлозных материалов, которые впоследствии могут использоваться для изготовления различных видов бумаги. Введение таких комплексных наполнителей позволяет увеличить степень удержания компонентов, непрозрачность, воздухопроницаемость и другие показатели качества бумаги. Таким образом, определение возможности использования плакированных неволокнистых производных целлюлозы при производстве бумаги является актуальным направлением соответствующим современным тенденциям развития технологии бумажного производства.
В связи с этим исследование коагуляционных и гетерокоагуляционных процессов в системе содержащей микрокристаллическую целлюлозу (МКЦ), наполнитель (диоксид титана), коагулянт (титанилсульфат) представляет значительный интерес для решения как фундаментальных, так и прикладных задач, связанных с совершенствованием технологии бумажного производства и охраной окружающей среды.
Целью работы являлось получение информации о коагуляционных и гетерокоагуляционных взаимодействиях компонентов в водной системе МКЦ-диоксид титана-титанилсульфат для нахождения оптимальных условий (рН, концентрации компонентов) их использования.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
- изучены зависимости электроповерхностных свойств (плотность поверхностного заряда, – потенциал) отдельных компонентов (МКЦ, TiO2) от рН и концентрации коагулянта TiOSO4;
- изучен процесс гидролиза TiOSO4 и электроповерхностные свойства образующихся продуктов (ПГТ);
- изучены зависимости агрегации частиц отдельных компонентов (МКЦ, TiO2) от рН и концентрации коагулянта TiOSO4;
- изучены зависимости агрегации частиц в смеси компонентов МКЦ и TiO2 от рН и концентрации коагулянта TiOSO4;
- выбраны оптимальные условия максимальной агрегации компонентов смеси;
- изучено влияние условий формирования композиций, содержащих частицы МКЦ и TiO2, а также их смеси в присутствии TiOSO4 на их фильтрационные свойства (скорость фильтрования, удержание);
- изучено удержание TiO2 в волокнистой массе в отсутствие и при введении титанилсульфата;
- изучено удержание TiO2 при введении в волокнистую массу комплексного наполнителя МКЦ- TiO2-ПГТ;
- исследованы физико-механические свойства отливок.
Научная новизна.
В ходе проведенного исследования впервые:
- изучены закономерности коагуляционного и гетерокоагуляционного взаимодействия частиц микрокристаллической целлюлозы и TiO2 в присутствии TiOSO4;
- установлены оптимальные условия (рН, концентрации) гетерокоагуляционного выделения МКЦ, TiO2 и их смеси в присутствии TiOSO4;
- получены отливки с использованием композиционного наполнителя МКЦ-TiO2-ПГТ и исследованы их основные физико-механические показатели качества.
Практическая значимость работы.
Полученные данные могут быть использованы при разработке технологических решений для увеличения удержания наполнителя (TiO2), мелкого волокна и др. химикатов в мокрой части бумагоделательной машины. Это позволит решить не только технологические задачи бумажного производства но, и экологические вопросы, связанные с уменьшением загрязнения окружающей среды.
На защиту выносятся:
- механизмы коагуляционных и гетерокоагуляционных процессов в водной системе МКЦ –диоксид титана - титанилсульфат;
-оптимальные условия (рН, концентрации) использования титанилсульфата в качестве коагулянта;
- получение плакированных неволокнистых производных целлюлозы диоксидом титана с помощью титанилсульфата.
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на международных и всероссийских конференциях: XVI Международной экологической студенческой конференции (МЭСК) – 2011 «Экология России и сопредельных территорий» Новосибирск, 28-31 октября 2011; VI Всероссийской конференции молодых ученых, аспирантов и студентов с международным участием «Менделеев - 2012», Санкт-Петербург, 3-6 апреля 2012; XVII Международной экологической студенческой конференции (МЭСК) – 2012 «Экология России и сопредельных территорий», Новосибирск, 26-29 апреля 2012; III Всероссийской конференции молодых ученых «Биоразнообразие: глобальные и региональные процессы», г. Улан-Удэ, 16-21 сентября 2013. Награждена дипломом участника студенческого конкурса PAP-FOR на ХII международной выставке и деловом форуме по целлюлозно-бумажной, лесной, перерабатывающей, упаковочной промышленности и отрасли санитарно-гигиенических видов бумаг, Санкт-Петербург, 30 октября-2 ноября 2012 г.
Публикации. Основные результаты исследования изложены в 9 публикациях (3 статьи опубликованы в журналах, рекомендованных ВАК, 1 в зарубежном журнале и 5 тезисов докладов).
Структура и объем работы. Диссертация включает следующие разделы: введение, обзор литературы, методическую часть, результаты экспериментов и их обсуждение, выводы, список использованной литературы из 225 наименований. Общий объем диссертации - 189 страниц, 77 рисунков, 8 таблиц и 2 приложения.
