Введение к работе
Актуальность работы
Анализ научно-технической литературы, данные иностранных фирм, рекламные материалы за последние 10 лет показывают, что бумага и бумагоподобные материалы характеризуются все возрастающим содержанием макулатурного волокна. Производство бумаги и картона из вторичных волокон растет, примерно в два раза быстрее, чем производство бумаги из свежих полуфабрикатов.
Рост использования макулатуры при производстве бумаги объясняется меньшей энергоемкостью и трудоемкостью, более низкими затратами на охрану окружающей среды, значительно более низкими капитальными затратами на строительство новых предприятий.
В то же время на пути широкого использования макулатуры существует ряд проблем. Наиболее важными являются более низкие бумагообразующие свойства макулатурных волокон, причем снижающиеся по мере числа циклов ее переработки. Многочисленные научные исследования и практика использования макулатуры показывают, что после трех-четырех циклов ее переработки вторичные волокна становятся непригодными для производства бумаги. Исследователи связывают этот факт с «необратимым ороговением» волокон, этим термином, впервые введенным Обермансом, характеризуют снижение водоудерживающей способности целлюлозных волокон при их повторном увлажнении после сушки.
Другой важной проблемой, тормозящей широкое использование макулатуры при производстве высококачественных видов бумаги, является недостаточное развитие в России одной из самых перспективных технологий ее переработки, широко распространенной на Западе – облагораживания (deinking) – и его основного процесса – флотации. Отсутствует оборудование и технологии облагораживания. Научно-технические публикации носят единичный и разрозненный характер. Отсутствуют теоретические исследования, позволяющие научно-обоснованно проводить расчеты флотации типографской краски и рационально проектировать оборудование.
Таким образом, задачи улучшения бумагообразующих свойств вторичных волокон и сохранения их в процессах циклической переработки, разработка технологии флотационного облагораживания макулатуры с учетом гидродинамических особенностей макулатурных суспензий и особенностей флотации безынерционных частиц типографской краски, для использования их при производстве газетной и других печатных и упаковочных видов бумаги, являются актуальными и важными.
Изложенные в диссертации результаты получены в ходе выполнения работ по Федеральной целевой научно-технической программе «Исследования и разработка по приоритетным направлениям развития науки и техники гражданского назначения», подпрограмма «Комплексное использование древесного сырья», направление 02 – новые экологически чистые технологии, при выполнении проекта №980/6 по инновационной подпрограмме «Биологические системы, биотехнологические процессы и переработка растительного сырья, в ходе выполнения гранта для молодых ученых в области гуманитарных, естественных и технических наук (приказ Госкомвуза РФ №856 от 08.05.97 г., и во время полугодовой командировки в институт бумаги при техническом университете в г. Дармштадт (Германия) под руководством проф. Л. Гетчинга, в ходе выполнения НИР по заказу Министерства промышленности, энергетики и науки Свердловской области «Разработка технологии эффективной переработки макулатуры в бумагу и другую товарную продукцию», в ходе выполнения НИР по хозяйственному договору №107/2007 «Совершенствование технологий производства бумаги, картона, целлюлозы и разработка новых видов продукции с целью повышения рентабельности ООО «Новолялинский целлюлозно-бумажный завод».
Цель работы: научно обосновать совершенствование технологии облагораживания макулатуры с апробацией результатов работы в производстве.
Задачи исследования:
Теоретически обосновать и экспериментально подтвердить возможность улучшения бумагообразующих свойств вторичных волокон.
Теоретически и экспериментально обосновать гидродинамический режим в ячейке флотатора.
Выявить закономерности акта взаимодействия малая частица – пузырек, оценить наиболее существенные факторы, влияющие на процесс флотации.
Предложить механизм отделения типографской краски от макулатурного волокна.
Практически подтвердить результаты исследования опытно-промышленными выработками с использованием методов расчета. Предложить технологическую схему облагораживания обеспечивающую рециклинг.
Научная новизна.
Расширены представления о причинах «необратимого ороговения», как следствия действия усадочных напряжений и аморфно-кристаллической структуры целлюлозных волокон, и установлены возможности улучшения бумагообразующих свойств путем дополнительной технологической обработки.
Используя представления о целлюлозе как природном полимере, впервые для объяснения улучшения бумагообразующих свойств макулатуры при ее дополнительной обработке горячим низкоконцентрированным водным раствором щелочи использован параметр растворимости.
Впервые при исследовании элементарного акта взаимодействия системы пузырек – частица типографской краски количественно определена структурно-сольватационная составляющая сил их взаимодействия.
Показана полезность использования реологической модели при объяснении поведения бумажного полотна в процессах высыхания-увлажнения.
Впервые рассмотрено движение пузырька воздуха в диспергированном потоке волокнистой суспензии низкой концентрации, и получены решения распределения скоростей и давлений.
Разработана модель флотации типографской краски, включающая набор дифференциальных уравнений, хорошо согласующаяся с экспериментальными результатами. Численным методом подтверждена ее адекватность.
Предложен механизм отделения типографской краски от волокон, основанный на реакции омыления жирных кислот, входящих в состав связующего краски.
Практическая значимость.
Предложена усовершенствованная технологическая схема процесса облагораживания макулатуры, обеспечивающая реализацию принципа рециклинг.
Предложен и запатентован метод расчета элементарного акта взаимодействия пузырек – частица типографской краски на основе теории ДЛФО.
Предложен метод расчета гидродинамического режима ячейки флотатора.
Предложен метод и прибор для автоматического измерения размеров пузырьков воздуха.
Показаны экологические и экономические преимущества использования облагороженной макулатуры.
Основные научные положения и практические решения нашли конкретное воплощение в учебном процессе при организации учебно-исследовательской и научной работы студентов, курсовом и дипломном проектировании, курсах лекций и издании монографий, учебных и методических пособий для студентов соответствующих направлений и специальностей.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на ежегодных научно-практических конференциях: «Вклад ученых и специалистов в развитие химико-лесного комплекса» (г.Екатеринбург, УГЛТА 1997-1999 гг.); Восьмой международной конференции молодых ученых «Синтез, исследование свойств, модификация и переработка высокомолекулярных соединений» (г. Казань, 1996 г.); Первой региональной конференции «Роль инноваций в экономике Уральского региона» (г. Екатеринбург, 1998 г.); Международных научно-технических конференциях «Техноген» (г. Екатеринбург, 1997, 1998 гг.); Научно-техническом семинаре «Экологические проблемы промышленных регионов» (г. Екатеринбург, 1998 г.); Международном симпозиуме «Техника и технология экологически чистых химических производств» (г. Москва, кафедра ЮНЕСКО Московской государственной академии химического машиностроения, 1997 г.); Международном научном симпозиуме студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь и наука – третье тысячелетие (г. Москва, 1996 г.), V-ой Молодежной научной школе – конференции по органической химии (г. Екатеринбург, 2002 г.); II-ой Международной научно-практической конференции «Экология: образование, наука, промышленность и здоровье» (г. Белгород, 2004 г.); Всероссийской научно-технической конференции «Научное творчество молодежи лесному комплексу России» УГЛТУ (г. Екатеринбург, 2007 – 2011 гг.). Международной научно-практической конференции «Современные системы контроля и управления качеством бумаги и картона» (г. С-Петербург, 2007 г.). I-ой Всероссийской научно-технической конференции «Научные основы инновационных технологий бумаги и картона» (п. Полотняный завод, 2008 г.). IV-ой Всероссийской конференции «Новые достижения в химии и химической технологии растительного сырья АГУ (г. Барнаул, 2009 г.). Международной конференции ChemWasteChem «Химия и полная переработка биомассы леса» (г. С-Петербург, 2010 г.). Международной конференции «Renewable Wood and Plant Resources: Chemistry, Technology, Pharmacology, Medicine» (г. С-Петербург, 2011 г.)
Достоверность результатов предопределяется корректностью физических, физико-химических, химических методов исследования и анализа, используемых в целлюлозно-бумажной промышленности, коллоидной химии, механике дисперсных систем, а также международных стандартных методах исследований флотационного облагораживания макулатуры, разработанных союзом производителей бумаги (PTS), и статистической обработкой результатов экспериментальных исследований.
На защиту выносятся:
Теоретическое и практическое обоснование регулирования бумагообразующих свойств волокон макулатуры.
Методы расчета элементарного акта флотации малых частиц типографской краски и гидродинамического режима ячейки флотатора.
Аналитическая модель флотации типографской краски, в виде дифференциальных уравнений.
Механизм отделения типографской краски от волокна.
Технология процесса облагораживания макулатуры.
Экономическая и экологическая оценка использования облагороженной макулатуры.
Структура и объем работы. Основное содержание диссертации изложено на 343 страницах машинописного текста, содержит 29 таблиц, 103 рисунка. Список цитируемой литературы включает 353 источника. В приложении представлены экономические расчеты, акты опытно-промышленных выработок, акты о внедрении НИР в учебный процесс, титульные листы учебных пособий, монографий, изданных по материалам диссертации.
