Введение к работе
Актуальность работы
Анализ научно-технической литературы, данные иностранных фирм, рекламные материалы в период с 1994 по 2005 годы показывают, что бумага завтрашнего дня будет характеризоваться возросшим содержанием макулатурного волокна. Производство бумаги и картона из вторичных волокон растет быстрыми темпами, примерно в два раза быстрее, чем производство бумаги из свежих полуфабрикатов. Этому способствуют как экономические, так и экологические факторы.
Широкое использование 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 имеется ряд проблем.
В ряду таких 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 показывает, что после трех-четырех циклов ее переработки вторичные волокна становятся непригодными для производства бумаги. Поэтому задача улучшения бумагообразующих свойств и сохранения их в процессах циклической переработки является актуальной.
Другой важной проблемой, тормозящей широкое использование макулатуры при производстве высококачественных видов бумаги, является отсутствие в России одной из самых перспективных технологий ее переработки, широко распространенной на Западе – облагораживания – 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.
Традиционное рассмотрение процесса флотации, в котором основное внимание уделяется физико-химическим основам формирования агрегата пузырек-частица, недостаточно для решения проблемы флотации типографской краски. Флотационная система волокно–частица краски–пузырек характеризуется довольно сложной гидродинамикой, которая совершенно не разработана. Все найденные нами работы рассматривают движение газового пузырька в дисперсной среде, подчиняющейся ньютоновскому реологическому закону, в то время как волокнистая суспензия обладает особыми реологическими свойствами. Она может находиться в двух состояниях: структурированном и диспергированном в зависимости от приложенных градиентов скоростей, концентраций, компонентного состава, степени разработанности волокна и т.д. и поэтому требует критического отношения к возможности использования сведений из гидродинамики чистой воды для расчета гидравлического режима процесса флотации типографской краски.
Таким образом, задача разработки технологии флотационного облагораживания макулатуры с целью использования ее для производства газетной и других печатных и упаковочных видов бумаги, разработка методики расчета флотации малых (безынерционных) частиц, а также гидродинамики процесса является актуальной и важной.
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.
На основании изложенного вытекают цели и задачи работы:
Цель работы: разработать теоретические основы процесса облагораживания макулатуры с внедрением результатов работы в производство.
Задачи исследования:
Определить причины снижения бумагообразующих свойств вторичных волокон при многократном их использовании с учетом реологических характеристик, понятия «необратимого ороговения». Теоретически и экспериментально обосновать возможность их улучшения.
Обосновать гидродинамический режим процесса флотации, используя достижения отечественной школы гидродинамики волокнистых суспензий (О.А.Терентьев, И.Д.Кугушев и др.). 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 реализовать результаты облагораживания макулатуры. Разработать рациональную технологическую схему облагораживания.
Научная новизна.
Расширены представления о причинах «необратимого ороговения», как следствия действия усадочных напряжений и образования низкомолекулярных монолитных пленок, и установлены возможности улучшения бумагообразующих свойств путем дополнительной технологической обработки.
Впервые применена теория растворов полимеров Флори и Хаггинса для объяснения улучшения бумагообразующих свойств макулатуры при ее дополнительной обработке горячим низкоконцентрированным водным раствором щелочи.
Показана полезность использования реологической модели поведения бумажного полотна в процессах высыхания-увлажнения с учетом представления о структурном стекловании.
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 в частных производных, хорошо согласующаяся с экспериментальными результатами.
Предложен механизм отделения типографской краски от волокон, основанный на реакции омыления жирных кислот, входящих в состав связующего краски.
Практическая значимость.
Предложена рациональная технологическая схема процесса облагораживания макулатуры, обеспечивающая реализацию принципа recycling.
Предложен метод расчета элементарного акта взаимодействия пузырек-частица на основе теории ДЛФО.
Предложен метод расчета гидродинамического режима ячейки флотатора, обеспечивающего максимальную производительность по извлекаемой краске.
Разработаны методы и приборы для автоматического измерения размеров пузырьков и частичек краски.
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 методических пособий для студентов специальности 240406 Технология химической переработки древесины.
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.); Девятой Всероссийской студенческой научной конференции «Проблемы теоретической и экспериментальной химии» (г. Екатеринбург, УрГУ, 1999 г.); Международном симпозиуме «Техника и технология экологически чистых химических производств» (г. Москва, кафедра ЮНЕСКО Московской государственной академии химического машиностроения, 1997 г.), Международном симпозиуме Zellcheming-Expo-98, (Baden-Baden, Германия, 1998 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-практической конференции и выставке студентов, аспирантов и молодых ученых «Энерго и ресурсосбережение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии УГТУ-УПИ (г. Екатеринбург, 2004 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).
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, включающая набор дифференциальных уравнений в частных производных.
Механизм отделения типографской краски от волокна.
Рациональная технология процесса облаграживания макулатуры.
Экономическая и экологическая оценка использования облагороженной макулатуры.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 423 страницах машинописного текста, содержит 25 таблиц, 116 рисунков. Список цитируемой литературы включает 237 наименований. В приложении представлены экономические расчеты, акты опытно-промышленных выработок, акты о внедрении НИР в учебный процесс.
