Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Аналитический обзор литературы 10
1.1 Макулатура – сырье для производства бумаги и картона 10
1.1.1 Характеристика макулатуры и волокна из нее 10
1.1.2 Проблемы при переработке макулатуры 12
1.1.3 Повышение бумагообразующих свойств макулатурной массы 13
1.2 Наполнение бумаги и картона 15
1.2.1 Влияние наполнителей на качество бумаги и картона 15
1.2.2 Удержание наполнителей в бумаге 19
1.2.3 Роль катионных химических средств в технологии наполненной бумаги 21
1.3 Основные виды минеральных наполнителей для бумаги 29
1.3.1 Характеристика традиционных наполнителей 29
1.3.2 Природные минеральные пигменты 31
1.3.3 Специфические наполнители и особенности применения 35
1.4 Выводы по литературному обзору, постановка цели и задач диссертационного исследования 37
Глава 2. Методическая часть 40
2.1 Объекты исследований 40
2.2 Методика роспуска макулатуры, размола макулатурной массы и расход наполнителя 41
2.3 Методика изготовления лабораторных образцов бумаги 42
2.4 Лабораторное оборудование, приборы для исследований, нормативная документация 43
2.5 Методика определения размеров волокна 44
2.6 Методика исследований качества макулатурной массы 44
2.7 Измерение степени помола массы 48
2.8 Определение способности массы к обезвоживанию 49
2.9 Определение физико-механических свойств образцов бумаги 50
2.10 Определение разрушающего усилия при сжатии кольца (RST) 51
2.11 Определение сопротивления плоскостному и торцевому сжатию 52
2.12 Определение поверхностной впитываемости воды 52
2.13. Статистическая обработка результатов исследований 52
Глава 3. Экспериментальная часть 54
3.1 Требования к качеству макулатурной бумаги для гофрирования, анализ технологии и качества бумаги Моквинской бумажной фабрики, для совершенствования технологии на основе использования минеральных пигментов 54
3.1.1 Анализ требований к качеству бумаги для гофрирования 54
3.1.2 Анализ технологии и качества макулатурной бумаги для гофрирования Моквинской бумажной фабрики 57
3.1.3 Анализ свойств и выбор минеральных пигментов для добавок в макулатурное волокно с целью повышения качества бумажной массы и механических показателей бумаги для гофрирования 60
3.2 Исследование влияния неорганических пигментов на свойства макулатурной массы 64
3.2.1 Исследование влияния пигментов на остаток волокнистой массы при сортировании на ситах 64
3.2.2 Исследование влияния пигментов и полиоксихлорида алюминия на состав фракций макулатурной массы по длине волокна 66
3.2.3 Исследование влияния пигментов на зольность макулатурной массы.. 68
3.3 Исследование влияния добавки минерального пигмента, полиоксихлорида алюминия и помола макулатурной массы механические показатели бумаги для гофрирования .
3.3.1 Исследование влияния вида и расхода минеральных пигментов на физико-механические свойства макулатурной бумаги для гофрирования 70
3.3.2 Исследование влияния пигмента умбра и полиоксихлорида алюминия на физико-механические показатели макулатурной бумаги для гофрирования 79
3.3.3 Исследование влияния степени помола макулатурной массы, добавки пигмента умбра и ПОХА на физико-механические показатели бумаги для гофрирования 84
3.4. Исследование влияния минерального пигмента умбра на воздухопроницаемость и капиллярную впитываемость бумаги для гофрирования 94
3.5 Исследование влияния минеральных пигментов умбра и охрана содержание тяжелых металлов в макулатурной бумаге для гофрирования 96
3.6 Исследование влияния минеральных пигментов на содержание взвешенных веществ в подсеточной воде и зольность осадка 98
3.7. Исследования влияния минеральных пигментов на вязкость 99
крахмального клея и прочность склейки картона
3.8 Некоторые теоретические аспекты повышения физико-механических показателей макулатурной бумаги для гофрирования при добавках 100 минеральных пигментов в макулатурную массу
3.9 Технологическая схема и технология получения макулатурной массы для производства бумаги для гофрирования на Моквинской бумажной фабрике, включающие новые решения в соответствии с результатами диссертационного исследования 104
3.10 Опытно-промышленные исследования влияния добавки минерального пигмента умбра на физико-механические показатели макулатурной массы и бумаги для гофрирования 108
3.11 Оценка экономической эффективности использования диссертационного исследования в производстве макулатурной бумаги для гофрирования 110
Общие выводы 112
Библиографический список
- Повышение бумагообразующих свойств макулатурной массы
- Лабораторное оборудование, приборы для исследований, нормативная документация
- Анализ технологии и качества макулатурной бумаги для гофрирования Моквинской бумажной фабрики
- Исследование влияния минеральных пигментов умбра и охрана содержание тяжелых металлов в макулатурной бумаге для гофрирования
Введение к работе
Актуальность темы. В современном производстве и потреблении картонно-бумажной продукции наиболее динамично развивается тароупаковочный макулатурный ассортимент с высокими показателями прочности и жесткости для транспортирования и хранения пищевой, сельскохозяйственной и промышленной продукции. Одним из конструкционных элементов гофрированной тары является бумага для гофрирования, которая должна иметь высокие показатели механической прочности и жесткости. Повышение механической прочности возможно за счет увеличения числа связей между волокнами и эту задачу наиболее экономически выгодно и эффективно решают добавками в массу химических связующих веществ.
Перспективными добавками в волокнистую массу при производстве бумаги могут быть минеральные пигменты. В отличие от органических связующих веществ, минеральные пигменты не подвержены микробиологическому разложению в технологическом потоке, в высокой степени удерживаются волокном и изменяют капиллярно-пористую структуру бумаги, а, следовательно, могут активно влиять на физико-механические показатели бумаги.
В литературе отсутствует системный анализ и исследования по применению новых широко известных как красители минеральных пигментов – умбра, охра, цеолит, сапонит и силевит в производстве бумаги и картона в качестве упрочняющих средств. Учитывая большие запасы минеральных пигментов, низкую стоимость и перспективность полезного использования также в производстве бумаги, представлялось целесообразным провести расширенные исследования по установлению эффективности минеральных пигментов, в качестве добавок к макулатурному волокну, улучшающих качество бумажной массы и механическую прочность бумаги для гофрирования.
Объективным подтверждением актуальности, новизны и практической ценности диссертационного исследования для промышленности является то, что оно выполнено в рамках приоритетной государственной программы научных разработок по теме "Разработать и освоить технологию производства тароупаковочных видов бумаги и картона с повышенными показателями качества за счет использования в композиции отечественных минеральных добавок". Работа выполнялась по заданию Министерства промышленной политики Украины № 320 д-05 от 20 мая 2005 г. (договор № Н 024-08 от 01.04.08 г. между Министерством промышленной политики Украины и ОАО «Украинский научно-исследовательский институт бумаги»).
Предмет исследования. Предметом исследования являются закономерности влияния минеральных пигментов на физико-механические показатели макулатурной бумаги для гофрирования.
Объект исследования. Объектом исследования является макулатура, макулатурная бумага для гофрирования, основные процессы технологии бумаги, минеральные пигменты и флокулянт компонентов бумажной массы.
Цель и задачи исследования. Целью диссертации явилось экспериментальное обоснование улучшения свойств макулатурной бумажной массы и повышения механической прочности бумаги для гофрирования из нее с помощью добавок минеральных пигментов умбра, охра, цеолит, силевит и сапонит.
Для достижения цели диссертации были определены и решены задачи:
провести анализ свойств и выбор минеральных пигментов для использования в композиции макулатурного волокна в качестве добавок, повышающих качество массы и механические свойства бумаги;
исследовать влияние добавок минеральных пигментов на свойства макулатурной массы;
- исследовать влияние добавок минеральных пигментов на физико-механические
показатели бумаги для гофрирования;
- исследовать влияние добавок минеральных пигментов на воздухопроницае
мость и капиллярную впитываемость бумаги и содержание в ней тяжелых металлов;
исследовать зависимость свойств крахмального клея и прочности склейки гофрированного картона от содержания минеральных пигментов;
применить результаты диссертационного исследования для совершенствования технологии повышения механических показателей бумаги для гофрирования;
провести опытно-промышленные исследования эффективности минеральных пигментов в технологии бумаги для гофрирования;
оценить экономическую эффективность использования результатов диссертации в производстве бумаги для гофрирования.
Научная новизна. Автором впервые получены следующие научные результаты:
показано, что добавленные в макулатурную массу в количестве 0,2-0,3 % минеральные пигменты умбра, охра или сапонит оказывают микрофлокулирующее действие на фракции волокна в массе до 1,0 мм (0-0,4 и 0,4-1,0 мм), обнаруживаемое приростом массовой доли фракций на 1-2 % и зольности фракций на 3,5-4,0 %;
установлено, что пигменты охра, умбра и силевит при добавках 0,2-0,3 % в макулатурную массу со степенью помола 38 0ШР повышают физико-механические показатели бумаги для гофрирования, имея общую закономерность – наличие максимумов значений показателей как функции вида и количества добавленного пигмента, отражающих связь микрофлоккулирующей способности с химическим составом, строением и дисперсностью пигмента;
найдены общие интервалы и закономерность увеличения показателей прочности и жесткости бумаги для гофрирования индивидуально пигментами охра, умбра и силевит при добавках 0,2-0,3 % в макулатурную массу со степенью помола 38 0ШР: удельное сопротивление разрыву и абсолютное сопротивление продавливанию, при общем повышении на 7-15 %, увеличиваются в ряду «силевит-умбра-охра»; сопротивление плоскостному сжатию бумаги, имея повышение 4-8 %, также увеличивается в ряду «силевит-умбра-охра»; сопротивление торцевому сжатию, при общем увеличении 12-19 %, увеличивается в ряду «силевит-охра-умбра»;
- определена закономерность влияния степени помола макулатурной массы в
интервале 32-52 0ШР на повышение физико-механических показателей бумаги для
гофрирования при постоянных добавках в массу пигмента умбра 0,3 % и полиоксихло-
рида алюминия (ПОХА) 0,5 %: повышение величины показателей индивидуально, а
пределы повышения попадают в интервал 12-58 %; наибольший вклад в увеличение
показателей вносит степень помола – до 50 %, пигмент умбра добавляет 25 % и 25 %
приходится на ПОХА;
- установлена закономерность влияния добавки в макулатурную массу 0,2-0,3 %
пигментов умбра или охра и 0,5 % ПОХА на удержание мелких фракций волокна в бу
маге и содержание взвешенных веществ в подсеточной воде: индивидуально пигменты
повышают удержание мелких компонентов массы на 1-2 %, а совместно с ПОХА это
повышение достигает 4-5 %; содержание взвешенных веществ в воде только с участием
пигмента снижается на 8 %, в сочетании с ПОХА имеет место понижение в 4 раза.
Практическая ценность. Ценные для использования результаты:
- экспериментально обоснованный выбор пигмента умбра и его количества (0,2-
0,3 % от массы абсолютно сухого волокна) для добавки в макулатурную массу сов
местно с 0,5 % ПОХА для повышения удержания мелких фракций волокна (4-5 % или
40-50 кг/т бумаги) и увеличения физико-механических показателей бумаги для гофри
рования;
- установленное соотношение величины факторов – степень помола макулатур
ной массы (32-52 0ШР), добавка в массу пигмента умбра (0,2-0,3 % или 3 кг/т) и расход
ПОХА (0,5 % или 5 кг/т) для обеспечения производства бумагу для гофрирования выс
ших марок Б-2 и Б-1 по ГОСТ 7377-85 (Украина);
- усовершенствованная промышленная технологическая схема и технология
подготовки макулатурной массы для производства бумаги для гофрирования на
Моквинской бумажной фабрике, включающая новые решения в соответствии с резуль
татами диссертации исследования и внедренные с экономическим эффектом 19,6 млн.
руб.;
- результаты диссертационной работы рекомендуется использовать научным и
инженерно-техническим работникам, а также аспирантам и студентам промышленных
предприятий, научных и учебных организаций.
Положения, выносимые на защиту: В рамках специальности 05.21.03-Технология и оборудование химической переработки биомассы дерева; химия древесины (п.6 – Химия и технология бумаги и картона) на защиту выносятся:
-
Обоснование выбора минеральных пигментов умбра, охра, силевит и сапонит для применения в качестве добавок, повышающих качество макулатурной бумажной массы, физико-механические показатели бумаги для гофрирования и экономическую эффективность производства.
-
Экспериментальные данные о влиянии различных минеральных пигментов на качество макулатурной массы.
3. Зависимости влияния различных минеральных пигментов на физико-
механические свойства бумаги для гофрирования.
-
Экспериментальные закономерности влияния минеральных пигментов на са-нитарно-гигиенические свойства бумаги для гофрирования.
-
Закономерности влияния минеральных наполнителей на склеивающую способность крахмального клея.
-
Результаты опытно-промышленных испытаний эффективности минеральных наполнителей в технологии бумаги для гофрирования.
-
Технические и технологические решения для обеспечения стабильного качества флютинга и эффективной работы производства, на основе результатов диссертационных исследований.
-
Анализ экономической эффективности использования результатов диссертационного исследования в производстве бумаги для гофрирования.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались, обсуждались и получили положительную оценку на следующих конференциях и семинарах: “Качество и безопасность бумаги, картона и тары в соответствии с требованиями Украины и ВТО”, Киев, 2008 г.; «Новые достижения в химии и химической технологии растительного сырья», Барнаул, 2009, 2012 г.г.; «Современное оборудование и технологии изготовления бумажно-картонной продукции из макулатурного сырья. Производство гофрокартона и изготовление тары », Караваево, 2012 г.; «Химические процессы современной технологии ЦБП», Санкт-Петербург, 2012 г.; ХIV International symposium in the field of pulp Paper, Packaging and graphics, Сербия, Златибор, 2012.
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 12-ти научных трудах, в т. ч. в журналах, рекомендуемых ВАК Минобрнауки России, опубликовано 2 научные статьи, 2 научные статьи в журналах Украины, 6 статей – в материалах конференций и получено 2 патента Украины.
Опытно-промышленные испытания и технико-экономическая оценка. Результаты диссертационного исследования использованы для совершенствования промышленной технологической схемы и технологии производства макулатурной бумаги
для гофрирования на Моквинской бумажной фабрике (п. Моквин, Украина). Опытно-промышленные испытания схемы и технологии подтвердили эффективное повышение механических показателей бумаги для гофрирования при добавках минерального пигмента в массу. Экономический эффект от внедрения составляет 19,6 млн. руб. Акт испытаний и акт внедрения прилагаются.
Вклад автора. Автором сформулирована цель и определены задачи работы. Выполнены экспериментальные исследования, обработаны результаты, объяснены полученные закономерности. Определены научная новизна, практическая ценность и сформулированы общие выводы. Спланированы и проведены опытно-промышленные испытания и внедрение минеральных пигментов в технологии бумаги для гофрирования. Даны рекомендации по использованию результатов исследований в производстве и проведена технико-экономическая оценка использования результатов диссертационного исследования в производстве бумаги для гофрирования.
Обоснованность и достоверность результатов и выводов. Обоснованность и достоверность результатов работы и выводов по работе базируется на применении современных исследований – методов, методик, приборов и оборудования, применении обработки данных методами математической статистики, выполнении достаточного числа исследований с использованием аккредитованных лабораторий, поверенных приборов.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав: обзора литературы; методической части; экспериментальной части, состоящей из 11-ти разделов; общих выводов; 3-х приложений, библиографического списка первоисточников, включающего 144 наименования. Диссертация изложена на 133 страницах машинописного текста, включая 33 таблицы и 13 рисунков.
Повышение бумагообразующих свойств макулатурной массы
Макулатура – это использованные по прямому назначению бумага, картона и изделия из них. Она является источником волокна для производства новой бумажно-картонной продукции [1-2]. При этом качество вторичного волокна из макулатуры таково, что заменяет первичные волокнистые полуфабрикаты в производстве ряда картонов (тарного, коробочного, полиграфического, кровельного), а также некоторых видов бумаги (оберточной, газетной, туалетной, бумаги для гофрирования и др.) [3].
Использование макулатуры имеет большое экономическое и экологическое значение, что доказывается меньшей в 2-3 раза стоимостью строительства предприятия по производству картона из макулатуры, по сравнению с созданием производства на первичном волокне [4-6]. Сбор и переработка 1 т макулатуры, также в 2-3 раза дешевле получения и переработки первичного волокна. Кроме того, 1 т макулатуры экономит 3,0-4,5 м3, древесины, что примерно равно сохранению 15 спелых деревьев. В Европейском Союзе имеется обязательная программа утилизации макулатуры. С приведенных выше данных не трудно понять, почему такое пристальное внимание уделяется сбору и переработке макулатуры. Если к приведенным фактам добавить еще заметную экономию энергии и оздоровление экологии, то, становится понятным – макулатура в настоящее время и на обозримую перспективу будет важнейшей составляющей волокнистого сырья для бумажно-картонных предприятий.
Не лишена макулатура недостатков. Это очень сложный по составу сырьевой материал, который требует высокого уровня развития технологи переработки и только в этом случае обеспечивается достаточная рентабельность производства и достигается желаемое качество продукции [7-8]. Учитывая данное требование, следует указать характерные особенности макулатуры: а) подавляющая доля поступающей на предприятия макулатуры содержит смесь (фракции) не равноценных волокнистых компонентов, в широком интервале отличающихся бумагообразующими свойствами (целлюлоза, полуцеллюлоза, древесная масса); б) макулатура содержит трудно поддающееся оценке переменное количество разнохарактерных веществ - минеральные наполнители, клеи, синтетические смолы, типографские краски и др.; кроме того, она содержит посторонние примеси – песок, веревки, скрепки, стекло, синтетическая пленка и др.; в) физико-механические и бумагообразующие свойства волокна из макулатуры резко ухудшаются в повторных процессах переработки макулатуры. При использовании макулатуры для производства тароупаковочного ассортимента продукции, а это до 70% макулатуры, особую актуальность приобретают задачи по совершенствованию действующих технологий использования химических добавок и иных вспомогательных веществ для повышения качества продукции и экономических показателей производства.
Обязательным требованием к технологии переработки макулатуры, является решение задачи использования большой доли отходов, образующихся на стадиях очистки и сортирования макулатурной массы в виде скопа (до 20%). Что касается волокнистой части отходов, то ее рациональное использование снижает удельный расход макулатуры на 1 т бумаги или картона, а не волокнистые включения, безусловно, не должны усугублять экологические проблемы [8].
В соответствии с требованиями нормативных документов (ДСТУ 3500-97), макулатура относится к группам «А» - высокое качество, «Б» - среднее качество и «В» - низкое качество. Отнесение к той или иной группе регулируется композиционным составом, цветом, загрязненностью и др. показателями. Каждая группа преимущественно используется целенаправленно для производства определенных видов продукции. Хотя, например, в производстве бумаги для гофрирования (флютинга) и картона для плоских слоев гофрированного картона (тест-лайнера), картона коробочного и полиграфического в существенной доле, используется макулатура различных марок, отличающихся от базовой марки МС-5Б для данного ассортимента продукции.
Проблемы при переработке макулатуры Переработка макулатуры в современном производстве бумажно-картонной продукции является самостоятельным динамично развивающимся направлением. С ростом масштабов производства и потребления бумаги и картона, доля макулатуры неуклонно растет и это определяет ей место одного из главных сырьевых источников качественного волокна [4]. Конечно, доля макулатуры находится в зависимости от мирового производства и потребления первичного волокна, бумаги и картона из него. Чем больше производство, тем больше доля макулатуры. Однако, учитывая многократность оборота волокна в виде макулатуры, объемы использования вторичного волокна к 2013 году уже существенно перекрывают объемы использования первичного волокна.
Лабораторное оборудование, приборы для исследований, нормативная документация
Наряду с рассмотренными выше природными и исскуственными минеральными наполнителями, широко применяемыми в производстве различных бумаги и картона, имеется множество других минеральных веществ, потенциально пригодных для бумажно-картонного производства. Многие из них известны как минеральные пигменты и находят применение в различных областях. Наиболее известными из них являются охра, умбра, силевит [80].
В отличие от традиционных наполнителей, охра, умбра и силевит являются сравнительно новыми минеральными веществами, почти не исследованными для прямого применения в технологии бумаги и картона. В то же время, на современном этапе развития бумажно-картонной индустрии, важнейшим условием экономии национальных богатств остается наиболее полное использование вторичных ресурсов, к которым, несомненно, относится макулатура и большие запасы природных пигментов, отличающиеся химической активностью низкой стоимостью и легкой доступностью для многотоннажной добычи.
Охра. Природный кристаллический гидрат окиси железа с примесями глины. В зависимости от содержания окиси железа, охра имеет следующие цвета: светло-желтый (12-25 % Fe2O3 ), кремово-желтый (25-40 % Fe2O3) и желто-золотистый (40-75 % Fe2O3). Охра стойкая к действию слабых кислот, слабых щелочей, солнечного света (не выцветает), атмосферных осадков. При температуре, близкой к 150 0С, цвет становится более темным.
Умбра. Природный пигмент коричневого цвета, который образуется при выветривании железных руд, содержащих марганец. Умбра существует в двух видах – натуральная и паленая. По химическому составу натуральная умбра близка к охре, с тем отличием, что дополнительно содержит до 16% чистого марганца. Марганец в умбре может находиться в виде окиси, гидрата окиси, двуокиси. Умбра устойчива к щелочам, солнечному свету, а при нагревании несколько темнеет.
Силевит. Цвет минерала – серый. Химический состав минерала: SiО2 - 66,0 %, Al2O3 - 18,0 %, MgО - 12 %. Порошок способен равномерно распределяться в бумажной массе и активно адсорбироваться волокном с высокой степенью удержания в бумаге. Особенностью данного пигмента является макропористость с поверхностно-активными функциональными группами. Частицы пигмента имеют разноименные заряды. При внесении пигмента в массу, частицы ориентируются в соответствии с закономерностями взаимодействия электрических зарядов, адсорбируются поверхностью и положительно влияют на физико-механические свойства бумаги и картона.
Сапонит. Цвет минерала – белый и желтый. Химический состав минерала: SiО2 10-60 %, Fe2 O3 15- 40, Al2O3 7-15 %. Оксиды железа придают соответствующие цвета. Из минерала получают порошок, который способен равномерно распределяться в бумажной массе и активно адсорбироваться волокном с высокой степенью удержания в бумаге.
Цеолиты. Являются в Украине новыми пигментами, которые получают на основе торфяных отложений. Общим свойством их является содержание оксидов железа - Fe2O3 (не менее 10%), которые придают им цвета: коричневые, красные, зеленые. Примерный химический состав: Fe2O3 -17,92 %, FeO-8,86 %, SiO2 - 21,96 %, Al2O3 - 2,6 %, MgO -0,88 %.
В процессе получения пигменты подвергаются термообработке при температуре 400 0С, в течение 10-30 с. Таким образом, полученные пигменты не гигроскопичны и не увеличивают количество влаги в бумаге и картоне.
В упаковочных материалах, предназначенных для пищевых продуктов (напитков, соков, паст, и пр.), не допускается появление нежелательных привкусов и запахов. Они могут возникать в процессе окисления компонентов упаковки в периоды хранения. В патенте [81] описывается упаковочный материал, исключающий образование нежелательных привкусов и запахов.
В противоположность вышеуказанному патенту [82], при производстве упаковочного материала рекомендуется использовать гидрофильный цеолит. Другими решениями, заслуживающими внимания, можно назвать – использование борсиликата, лучше удерживаемого в бумаге [83] и органофильного силиката, содержание которого легко ввести от 3 до 30% [84].
В литературе имеются данные об использовании в бумажно-картонном производстве минеральных наполнителей органогенной структуры, которые способны образовывать водные связи. Такие наполнители усиливают энергию связей за счет увеличения энергии адсорбции на поверхности волокна. Такие свойства наполнителей позволяют уменьшать содержание влаги в упаковочном материале и, как следствие, уменьшать микробиологическое загрязнение тары и, тем самим, способствовать лучшему сохранению пищевых и сельскохозяйственных продуктов. В научных трудах содержатся сведения по ассортименту пигментов [85], химии и технологии пигментов [86] и исследования поверхностных явлений в дисперсных системах [87-88].
Примерный химический состав туфов данного месторождения: Fe2O3 10,7-13,3%; FeO 0,2-1,3%; SiO2 45,7–48,6 %; Al2O3 13,42-15,2%; MgO 8,6-11,6 %; TiO2 1,09–1,34%; MnO 0,13-0,25%; CaO 1,0-2,7%; Na2O 0,06-0,79%; K2O 0,96-2,53%; P2O5 0,05-0,14%; CO2 0,53-0,78%; S03 0,13% Удельная поверхность по азоту составляет 34 м2/кг, по гексану 41-52 м2/кг, по воде – 120-220 м2/кг. рН водно-солевой вытяжки – 7,6; электрокинетический потенциал, при рН = 6-7, примерно, 19 мВ. Насыпная масса -103 кг/м3, а удельная поверхность - 120 – 150 м2/кг.
Общая пористость диспергированного туфового материала – около 30%, набухание в воде – 36%, а в присутствии коагулянта – 62%. Водопоглощение (по массе) – 18%, а по объему 33%.
Как видно из химического состава, по содержанию основных химических веществ (первые 5) туфы близки к цеолитам.
Первичной структурной единицей цеолитового кристаллического соединения является тетраэдр, в центре которого размещен атом кремния или алюминия, а в вершинах его размещены атомы кислорода. При этом каждый атом кислорода является общим для соседних тетраэдров. Кристаллическая решетка цеолитов построена из тетраэдров (Si, Al/О4).
Смектиты. Это мелкая слюда, образующаяся в процессе разрушения, выветривания и гидратации алюмосиликатных минералов различных горных пород. Общая формула их следующая: 2(Mg,Al, Fe2+, Fe3+) 3[AlxSi4-xO10] (Na, 0.5Ca)x(H2O)n. Каждый смектитовый минерал является кристаллическим телом размером менее 1 мкм. Минералы активно взаимодействуют с водой, которая удерживается в межслоевых (межпакетных) пространствах.
Анализ технологии и качества макулатурной бумаги для гофрирования Моквинской бумажной фабрики
Бумага для гофрирования является капиллярно-пористым материалом с высокой гигроскопичностью. Интенсивное и значительное по массе впитывание воды – это специфическое свойство бумаги и изделий из нее. Кроме того, пористость определяет паро- и воздухопроницаемость. Свойства бумаги, зависящие от кпиллярно-пористой структуры особенно важны для тароупаковочных бумаг, к которым относится бумага для гофрирования. Введение в композицию бумаги минеральных пигментов (наполнителей) напрямую влияет на пористость и определяемые ею свойства – воздухопроницаемость бумаги и капиллярную впитываемость. В данной работе, в качестве важной составляющей разработки технологии применения новых минеральных пигментов, были проведены эксперименты по изучению влияния пигмента умбра и его совместно с ПОХА на воздухопроницаемость и капиллярную впитываемость макулатурной бумаги для гофрирования. Результаты исследований приведены в таблице 3.21.
Данные таблицы 3.21 показывают, что добавление пигмента умбра самостоятельно или с ПОХА увеличивают зольность бумаги, а, следовательно, увеличивается ее пористость. Являясь функцией пористости, соответственно, увеличивается воздухопроницаемость и капиллярная впитываемость бумаги.
Совместное применение пигмента умбра и ПОХА зольность несколько повышает, что объясняется коагулирующей и флоккулирующей способностью ПОХА.
Полученные результаты важны для их учета при определении величины переменных факторов технологии макулатурной бумаги для гофрирования с использованием настоящего диссертационного исследования. Как повышение воздухопроницаемости, так и капиллярной впитываемости, влияют на впитываемость атмосферной влаги из воздуха и поверхностную впитываемость воды при склеивании гофрированной бумаги с плоскими слоями картона лайнера при производстве гофрированного картона.
Впитываемость бумаги как общая, так и поверхностная регулируется добавлением проклеивающих продуктов, в, частности, клея на основе димеров алкилкетена. Однако, его расход, при использовании пигмента умбра, может несколько увеличиться. Также, ожидается увеличение впитываемости крахмального клея при склеивании элементов гофрированного картона. Такое влияние пигмента и ПОХА будет учтено при применении данных исследований в технологии.
Исследование влияния минеральных пигментов умбра и охра на содержание тяжелых металлов в макулатурной бумаге для гофрирования
Добавка минеральных пигментов в макулатурную массу, согласно результатам наших исследований, приводит к повышению физико-механических показателей бумаги для гофрирования. Наибольший эффект повышения прочности бумаги наблюдается при добавлении пигментов умбра и охра, а добавки их в массу составляют 0,1-0,3%. Как природные вещества, минеральные пигменты содержат малые количества опасных для здоровья человека нежелательных примесей – тяжелые металлы цинк (Zn), свинец (Pb), хром (Cr), медь (Cu), кадмий (Cd). При добавке пигментов в макулатурную массу содержание в ней тяжелых металлов повышается и, следовательно, производимая бумага также может отличаться их повышенным содержанием.
Для изучения влияния пигментов умбра и охра на содержание тяжелых металлов в макулатурной массе и готовой бумаге были проведены специальные исследования. Результаты личных исследований автора опубликованы автором в труде [139]. Методически эксперименты проводились следующим образом. В макулатурную массу добавляли пигменты умбра и охра по 0,3% от массы а.с. волокна. Затем на атомно-абсорбционном спектрофотометре получали спектры препаратов изучаемых образцов бумаги, а по ним определяли содержание тяжелых металлов. Результаты исследований по определению содержания тяжелых металлов в образцах бумаги представлены в таблице 3.22.
Добавка пигмента охра 40,880 1,750 17,70 74,300 0,170 Как видно из таблицы 3.22, содержание тяжелых металлов в бумаге в подавляющих вариантах значительно возрастает. Полезным данный факт можно признать только потому, что повышенное содержание тяжелых металлов в массе и в бумаге может подавлять размножение микробов и снижать очень нежелательное явление биообростание технологического потока. Таким образом, использование минеральных пигментов с их расходом 0,1-0,3 % может дать некоторое снижение микробиологического уровня макулатурной массы и активности микроорганизмов. Однако, повышение содержания тяжелых металлов в бумаге вызванное добавками минеральных пигментов не должно выходить за пределы допустимых норм, предусмотренных ДСанПиН 4.4.3-134-2006 “Бумага и картон на основе макулатуры, предназначенные для упаковки сухих пищевых продуктов. Гигиенические требования, критерии оценки качества и безопасности, методы определения”.
Для установления соответствия бумаге нормам, были проведены исследования. Бумага подвергалась водной экстракции и данные водные экстракты (вытяжки) анализировались на содержание тяжелых металлов. Результаты исследований приведены в таблице 3.23.
Исследование влияния минеральных пигментов умбра и охрана содержание тяжелых металлов в макулатурной бумаге для гофрирования
Таким образом, выполненные работы по совершенствованию технологической схемы, позволили осуществить следующую технологию подачи химических продуктов в макулатурную массу.
1. Получение суспензии пигмента умбра. В бак, емкостью 3 м3 набирается 2,5 м3 воды и при перемешивании добавляется пигмента умбра с расчетом получения 5%-ной суспензии. Размер частиц пигмента находится в пределах 1,5-5,0 мк. От посторонних включений суспензия очищается на сепараторе и накапливается в расходном баке готовой суспензии. Эта суспензия с помощью дозировочной станции расходуется в макулатурный поток массы. Точка дозирования суспензии – бассейн размолотой массы 3. Дозировка суспензии составляет 0,25-0,30 % от массы а.с. волокна (2,5-3,0 кг/т готовой бумаги). 2. Подача флоккулянта. Флоккулянты ПОХА – технический продукт «Полвак 40» или «Полимин СК» поставляются на предприятие в емкостях 1 м3 в жидком виде. Массовая доля основного вещества по Аl2О3 15% (Полвак 40) и 17% (Полимин СК). Подаются в поток массы с помощью дозировочной станции, в которой разбавляются водой в 5 раз. Добавка в массу 0,1% (1 кг/т готовой бумаги), а точка подачи – в трубопровод не разбавленной массы перед смесительным насосом.
Наряду с совершенствованиям технологической схемы за счет организации нового участка приготовления и подачи химических продуктов пигмента умбра и флоккулянта, рекомендовано дальнейшее развитие технологической схемы с включением операции по фракционированию макулатурной массы и добавками исследованных химических продуктов в фракции коротковолокнистой и длинноволокнистой массы. Эти новые решения содержаться в технологической схеме на рисунке 3.13. Они предусматривают с помощью фракционатора 10 разделение общего потока массы на два потока – массу коротковолокнистую, примерно, 65-70%, и массу длинноволокнистую, примерно 35-30%. При этом, коротковолокнистая масса является хорошо очищенной и без размола может
108 использоваться для составления композиции бумажной массы по волокну, а длинноволокнистая после дополнительной очистки на сортировке и размоле в рафинере 24, также является компонентом общей бумажной массы. Если коротко-и длинноволокнистая масса будут использоваться самостоятельно, то минеральный пигмент подается в композиционные бассейны 14, 19 и 23, а флоккулянт подается в массу перед смесительными насосами.
Такая технологическая схема является современной и позволяет организовать подачу химических продуктов по целому ряду комбинированных вариантов, что, в свою очередь, значительно расширяет возможности технологии по управлению качеством продукции и экономичностью производства.
Итоговый результат работы. Результатом работы является усовершенствованная технологическая схема и промышленная технология производства бумаги для гофрирования из макулатуры с применением новых минеральных пигментов. Результаты работы могут применяться на всех предприятиях, производящих макулатурный тест-лайнер на Украине, в России и в других странах. 3.10. Опытно-промышленные исследования влияния добавки минерального пигмента умбра на физико-механические показатели макулатурной массы и бумаги для гофрирования Совершенствование технологической схемы и технологии производства макулатурной бумаги для гофрирования Моквинской бумажной фабрики по п.3.9, позволили на бумагоделательной машине № 2 провести работы по изготовлению опытной партии бумаги для гофрирования, показатели которой ГОСТ Р 53206 2008. Целью работы было подтверждение лабораторных результатов по эффективности добавки минерального пигмента умбра при получении опытных партий макулатурной бумаги для гофрирования массой 112 г/м2. Результаты опытно-промышленной выработки содержатся в приложении 2 - Акт производства опытно-промышленной партии бумаги для гофрирования с минеральным пигментами. Данные физико-механических показателей бумаги для гофрирования, полученной при проведении опытно-промышленной выработки представлены в таблице 3.27.
Как видно из таблицы 3.27, в промышленных условиях была получена макулатурная бумага для гофрирования со значительно более высокими показателями прочности, чем промышленная бумага без использования результатов диссертационного исследования (без добавки пигмента умбра 0,25% от массы а.с.в. и флокулянта «Полимин СК с расходом 0,1% от массы а.с.в.).
Достигнутые величины всех физико-механических показателей соответствуют бумаге для гофрирования марки Б-2, не достигая марки Б-2 только по показателю сопротивление плоскостному сжатию.
Похожие диссертации на Повышение механической прочности макулатурной бумаги для гофрирования добавками минеральных пигментов
