Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Аналитический обзор 10
1.1. Современные тенденции использования сырья в производстве картона 10
1.2. Технология производства картона и бумаги из макулатуры 11
1.3. Проблемы технологии картона из макулатуры 16
1.4. Анализ исследований в области удержания волокна и снижения содержания растворенного крахмала в бумажной массе и подсеточной воде 18
1.5. Обзор методов определения крахмала в бумажной массе и подсеточной воде 26
1.6. Постановка цели и задач исследования 28
ГЛАВА 2. Методическая часть 31
2.1 Характеристика объекта исследования 31
2.2 Материалы и методы исследования 34
2.3 Методика определения структуры и состава макулатурного волокна 44
2.4 Усовершенствованная экспресс-методика определения растворенного и коллоидного крахмала в производственной воде БДМ и КДМ 44
2.5 Методика определения содержания взвешенных веществ в подсеточной воде 46
2.6 Методика определения оптической плотности подсеточной воды 46
2.7 Методика определения времени обезвоживания бумажной массы 47
2.8 Методика определения ХПК воды. 47
2.9 Методика определения БПК воды
2.10 Методика определения катионной потребности бумажной массы. 50
2.11 Методики оценки изменения прочностных характеристик готовой продукции 51
2.11.1. Метод определения сопротивления продавливанию. 51
2.11.2. Методика определения прочности на излом при многократном изгибе 52
2.11.3. Методика определения разрушающего усилия при сжатии кольца 52
2.12 Методика определения фракционного состава полуцеллюлозной,
целлюлозной и макулатурной массы 53
2.13 Методика определения степени помола массы 54
2.14 Статистическая обработка результатов 54
ГЛАВА 3. Экспериментальная часть 55
3.1. Исследование состава и структуры макулатурной массы 55
3.2. Исследование процессов осаждения крахмала на волокнах различной природы 56
3.3. Исследование состава, свойств и осаждения растворенного и коллоидного крахмала на волокнах 63
3.4. Анализ удерживающих компонентов, применяемых в промышленном производстве 67
3.5. Исследование влияния монокомпонентных систем на удержание волокна и осаждение крахмала на волокнах. 74
3.6. Разработка расширенного перечня показателей оптимизации удерживающей системы и внедрения ее в производство 80
3.7. Результаты лабораторного этапа исследований по подбору оптимальной удерживающей системы на примере КБЦ №2 82
ГЛАВА 4. Технологическая часть 95
4.1. Результаты опытно-промышленных испытаний по внедрению удерживающей системы в производство 95
4.2. Ресурсосберегающий способ подготовки бумажной массы для производства картона 98
4.3. Эколого-экономическое обоснование целесообразности внедрения разработанной удерживающей системы в производственный процесс 100
Общие выводы 103
Список сокращений и условных обозначений 106
Библиографический список 107
- Анализ исследований в области удержания волокна и снижения содержания растворенного крахмала в бумажной массе и подсеточной воде
- Усовершенствованная экспресс-методика определения растворенного и коллоидного крахмала в производственной воде БДМ и КДМ
- Исследование состава, свойств и осаждения растворенного и коллоидного крахмала на волокнах
- Ресурсосберегающий способ подготовки бумажной массы для производства картона
Введение к работе
Актуальность темы. Современное картонно-бумажное производство, из-за потребления в технологии большого количества воды (15-30 м3/т), целлюлозного волокна (1080-1100 кг/т) и электроэнергии (300-350 кВт ч/т) относится к ресурсоемким отраслям.
В настоящее время предприятия, специализирующиеся на выпуске бумаги и картона для упаковки, все в большей степени используют макулатуру в качестве волокнистого сырья. Макулатура состоит из неоднократно переработанных различных древесных волокон, отличающихся низкими бумагообразующими свойствами по сравнению с волокнами, полученными из первичного сырья, и ее использование обуславливает ряд технологических проблем. По данным отечественных и зарубежных исследователей (Смолин А.С., Дулькин Д.А., Жолнерович Н.В., Дубовый В.К., Осипов П.В., и др.), к их числу относят: низкое удержание волокна на сеточном столе бумагоделательной машины (БДМ), большое количество мелочи и ее потери с подсеточной водой; высокую катионную потребность макулатурной массы; обильный рост микрофлоры и слизи из-за высокого содержания анионного загрязнителя крахмала (до 60 кг/т макулатуры); ухудшение качества формования и скорости обезвоживания бумажного полотна; образование концентрированных загрязненных сточных вод, обуславливающих высокую нагрузку на очистные сооружения и объекты гидросферы.
Для решения проблем проводятся обширные исследования по использованию химических вспомогательных веществ (ХВВ). Отметим работы Смолина А.С., Осипова П.В., Дулькина Д.А., Дубового В.К., Вураско А.В., Агеева М.А. Однако вопрос регулирования содержания крахмала в массе и производственной воде с применением ХВВ до сих пор не имеет эффективного решения.
Среди перспективных направлений возможного решения проблемы снижения накопленного крахмала в технологическом цикле до приемлемых значений можно назвать ферментативную деструкцию (Новожилов Е.В., Hernadi A.) и разработку новых бинарных систем на основе катионных высокозарядных полимеров нового поколения. Для решения актуальной проблемы снижения ресурсоемкости и повышения экономичности производства тест-лайнера автор выбрал разработку новой бинарной системы удержания волокна и крахмала с использованием катионных высокозарядных полиакриламидов.
Цель и задачи диссертационного исследования: Цель диссертации – разработка и применение бинарной системы катионных высокозарядных полимеров для эффективного повышения удержания волокна, растворенного и коллоидного крахмала в технологии картона из макулатуры, улучшающей ее экономические, экологические показатели и качество продукции.
Для достижения цели диссертации были поставлены и решены задачи:
-
Проанализировать совокупность факторов технологии картона из макулатуры – основных процессов, сырья, химикатов и источников эмиссии загрязняющих веществ, для обоснования исследования по повышению ее ресурсоэффективности.
-
Исследовать сравнительное удержание крахмала различными видами первичного целлюлозного волокна с учетом влияния степени помола волокна.
-
Исследовать влияние величины катионного заряда ряда полимеров на удержание крахмала волокном бумажной массы; установить количественные закономерности осаждения растворенного и коллоидного крахмала на волокне; усовершенствовать экспресс-методику анализа растворенного крахмала в производственной воде тест-лайнера.
4. Используя установленные закономерности удержания крахмала различными
волокнами индивидуально и волокнами с применением катионных полимеров, обосновать
основные показатели выбора бинарной системы полимеров, оказывающей наиболее
эффективное повышение удержания волокна, растворенного и коллоидного крахмала с учетом
производственных условий картона; исследовать эффективность повышения удержания
волокна, растворенного и коллоидного крахмала разработанной бинарной системой высокозарядных полиакриламидов.
5. Исследовать бинарные системы удержания волокна, растворенного и коллоидного крахмала в лабораторных и опытно-промышленных условиях производства картона; на основании результатов исследования предложить усовершенствование параметров технологии тест-лайнера и внедрить технические решения в производство. Дать эколого-экономическую оценку внедрения результатов диссертационного исследования в производство тест-лайнера.
Научная новизна. В диссертации получены следующие новые данные:
а) установлены закономерности осаждения крахмала на первичных волокнах различного
вида; определено ранжирование исследованных видов первичного волокна по степени
осаждения крахмала: большая степень осаждения крахмала характерна для лиственного
волокна в сравнении с хвойным, для сульфитной целлюлозы в сравнении с сульфатной, для
беленой целлюлозы, в сравнении с небеленой; с повышением степени помола волокна
количество осажденного крахмала растет;
б) показано, что растворенный крахмал представлен преимущественно
низкомолекулярной амилозой (содержание в крахмале амилозной фракции 20-25%),
коллоидный крахмал – это преимущественно высокомолекулярный амилопектин (содержание
фракции 75-80%); установлено весьма высокое осаждение амилопектина (90-97%) на
лиственной целлюлозе в сравнении с осаждением амилозы (35-70%); показано, что с ростом
концентрации крахмала в массе, осаждение амилозы на лиственном волокне резко снижается;
в) установлено, что наибольшее осаждение крахмала на волокнах макулатурной массы
марки МС-5Б происходит при введении в массу высокомолекулярных соединений с высоким
катионным зарядом – степень замещения катионными группами полиакриламидов (ПАА) до
20-40% элементарных звеньев, степень замещения для катионных крахмалов 0,06-0,09
моль/моль;
г) показано, что выбор эффективной бинарной системы удержания должен основываться
на более расширенном комплексе показателей в сравнении в традиционным, а именно – это:
скорость обезвоживания массы, концентрация взвешенных веществ, коллоидного и
растворенного крахмала в подсеточной воде, оптическая плотность, мутность и рН воды,
катионная потребность и механические свойства бумажной массы;
д) установлены высокозарядные катионные органические полимеры – микрофиксаторы
(коагулянты на основе ПолиДАДМАХ) и микрополимеры (флокулянты на основе ПАА),
сочетание которых в бинарных системах с доказанными пределами дозировки эффективно
повышает удержание волокна и крахмала;
е) получены расширенные характеристики состава, свойств и поведения крахмала в
макулатурной массе и на их основе усовершенствована фотоколориметрическая экспресс-
методика определения концентрации растворенного и коллоидного крахмала в подсеточной
воде, исключающая влияние мешающей мутности.
Практическая ценность. Для практического использования ценными являются:
а) состав и пределы доз компонентов бинарной удерживающей системы катионных
полимеров Perform SP 3253-PK, Praestafix 1250, катионного крахмала и порядок подачи в
бумажную массу;
б) технологический регламент производства тест-лайнера из макулатуры с
использованием предложенной двухкомпонентной системы удержания, внедренный в
производственный процесс картонно-бумажного цеха №2 (КБЦ №2) группы предприятий
«Пермская целлюлозно-бумажная компания» (ГП «ПЦБК»);
в) достигнутое сокращение потребления сырьевых ресурсов в технологическом цикле:
расход макулатурного сырья снижен с 1100 кг/т до 1077 кг/т продукции, расход крахмала на
поверхностную проклейку снижен с 23 кг/т до 20 кг/т; снижение содержания крахмала в
сточных водах КБЦ №2 на 10 %, волокна в оборотных водах на 25 %;
г) усовершенствованная экспресс-методика определения крахмала в производственной
воде бумаго- и картоноделательной машины;
д) экономический эффект от внедрения бинарной системы удержания, составляющий
138,96 руб./т продукции или 750,4 тыс. руб./мес.;
е) результаты диссертационной работы рекомендованы и используются в учебной
программе подготовки бакалавров и магистров по направлению «Техносферная безопасность».
Обоснованность и достоверность результатов и выводов. Обоснованность и достоверность результатов и выводов по работе базируется на глубокой теоретической проработке темы диссертации, на применении в исследовании современных методов, методик, приборов и оборудования; использования общепринятых и стандартных методов проведения экспериментальных работ, применения методов статистической обработки результатов измерений и их анализа, выполнения необходимого количества экспериментов, использования аккредитованных лабораторий, поверенных приборов и оборудования.
Выводы по диссертации экспериментально подтверждены.
Апробация работы. Основные научные положения работы докладывались и получили положительную оценку на Всероссийских конференциях «Экологический менеджмент и природоохранные технологии», 2015, г. Санкт-Петербург; II и III Всероссийской отраслевой научно-практической конференции «Перспективы развития техники и технологии в целлюлозно-бумажной промышленности», 2014 и 2015 гг., г. Пермь; Международной научно-практической конференции «Новое в технологии ЦБП», 2014 г, Санкт-Петербург; III Международной конференции, посвященной памяти профессора В.И. Комарова «Проблемы механики целлюлозно-бумажных материалов», 2015. г. Архангельск; II Пермском инженерно-промышленном форуме, г. Пермь, 2015.
Личный вклад. Автором проанализирована совокупность факторов технологии картона из макулатуры и выбрана актуальная тема исследования. Выполнены экспериментальные исследования, обработаны результаты и объяснены полученные данные, сформулированы положения научной новизны, практической значимости и общие выводы. В соавторстве написаны статьи, подготовлены и сделаны доклады на конференциях, написана диссертация. Автор руководил и непосредственно участвовал в опытно-промышленных исследованиях и внедрении результатов в ГП «Пермская целлюлозно-бумажная компания».
Публикации. По результатам исследования опубликовано 18 печатных работ, включая 6 статей в журналах, входящих в перечень, утвержденный ВАК РФ, и 1 патент РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав: 1 -Аналитический обзор; 2 - Методическая часть; 3 – Экспериментальная часть, 4 – Технологическая часть; общих выводов, списка сокращений и условных обозначений, списка литературы из 118 наименований, приложений. Общий объем диссертации 127 страниц, включая 11 рисунков, 21 таблицу и 3 приложения.
Анализ исследований в области удержания волокна и снижения содержания растворенного крахмала в бумажной массе и подсеточной воде
После стадий роспуска и очистки макулатурная масса представляет собой суспензию, содержащую волокна различной длины. Поскольку короткое волокно обладает низкими бумагообразующими свойствами, необходимо регулировать соотношение длинных и коротких волокон в бумажной композиции. Фракционирование (механическое разделение макулатурной массы на два потока-коротковолокнистую и длинноволокнистую фракцию) позволяет повысить прочностные характеристики товарной продукции, снизить энергозатраты в процессе размола массы и минимизировать количество образующейся мелочи при размоле. В качестве фракционаторов используют напорные сортировки различного типа с цилиндрическими ситами, имеющими круглые или щелевидные отверстия. В дальнейшем из КВФ и ДВФ могут быть получены различные по составу композиции, в зависимости от требований, предъявляемых к товарной продукции [16-35].
С целью исключения дефектов бумажного полотна при формовании макулатурную массу подвергают диспергированию, в результате которого от волокон отделяются частички клеящих компонентов и краски. Диспергирование осуществляется при нормальном атмосферном давлении и температуре до 950С («холодное» диспергирование) или при давлении 0,3-0,5 МПа и температуре 130-1500С (термодиспергирование) [15,16,19]. Применяемый способ диспергирования зависит от состава и температуры плавления примесей, содержащихся в макулатурной массе.
В результате диспергирования липкие примеси равномерно распределяются по волокнам, гомогенизируя массу и придавая ей водостойкие свойства. Поскольку термодиспергирование снижает механическую прочность за счет ослабления связей между волокнами, в дальнейшем длинноволокнистую фракцию подвергают дополнительному размолу [15,19]. Размол волокна реализуется с использованием дисковых и пульсирующих мельниц (энтштиперов). В процессе размола за счет механического воздействия на волокна изменяется их форма и размер, кроме того происходит гидратация (набухание) волокон. В результате размола увеличивается наружная поверхность волокон, повышается способность к установлению прочных межволоконных связей [15-31].
После очистки и подготовки макулатурной массы к формованию осуществляется подача ее на сетки БДМ. Сеточные столы БДМ оснащаются валами для перемещения сетки, обезвоживающими элементами, системами промывки сетки. Сформованное и обезвоженное на сетке полотно подвергается прессованию, при этом обспечивается дополнительное обезвоживание и упрочнение бумажного (или картонного) полотна. После прессования полотно подвергается сушке паром и проклейке. Формирование тамбуров заданного диаметра осуществляется на барабанном накате, установленном в конце технологической цепочки БДМ [31].
В ходе анализа технологии картонно-бумажного производства было установлено, что важными этапами производственного процесса являются стадии восстановления бумагообразующих свойств макулатурных волокон, для реализации которых используется современное высокотехнологичное оборудование (гидроразбиватели, аппараты сортировки волокон, сепараторы, энтштипперы и пр.). Однако использование только приемов гидродинамической обработки вторичных волокон часто не обеспечивает получения вторичных волокон требуемого качества. Кроме того, производственный процесс характеризуется высоким водопотреблением, что является причиной высокой техногенной нагрузки картонно-бумажных производств на объекты гидросферы.
Для поиска способов повышения эффективности технологического процесса и снижения негативного воздействия на объекты гидросферы был выполнен анализ основных технологических проблем, обусловленных использованием макулатурного сырья. 1.3. Проблемы технологии картона из макулатуры Макулатурная масса является многокомпонентной системой, характеризующаяся высокой неоднородностью фракционного и компонентного состава. В состав макулатуры входят волокна различной природы, а так же неволокнистые компоненты. По сравнению с первичными волокнами макулатура обладает низкими бумагообразующими свойствами, поскольку в результате предыдущих технологических процессов изменяются физические и химические свойства волокон (понижается прочность волокон, снижение способности к образованию межволоконных химических водородных связей).
В производстве тароупаковочных видов картона и бумаги наиболее широко используется макулатура марки МС-5Б, характеризующаяся наличием в составе большого количества крахмалопродуктов. Для повышения прочности волокон в качестве связующего в макулатурную массу вводят от 6-20 кг/т катионного крахмала [15]; для поверхностной проклейки дозируют порядка 30 кг/т окисленного крахмала; для склейки слоев гофрокартона используют нативный крахмал в количестве около 40 кг/т; в составе мелованного покрытия содержится окисленный крахмал в количестве порядка 20 кг/т бумаги. Кроме того, в составе макулатуры содержится деградированный крахмал с предыдущих циклов переработки. Таким образом, удельное содержание крахмалопродуктов на 1 тонну макулатурной массы может достигать порядка 90 кг [15].
Наличие крахмалопродуктов в макулатурной массе обуславливает ряд технологических проблем при ее переработке. Коллоидный крахмал увеличивает вязкость макулатурной массы, что затрудняет процесс обезвоживания массы на сеточном столе БДМ, а за счет набухания крахмала увеличивается кажущаяся степень помола массы. Частицы деградированного крахмала, накапливаемого в массе при каждом последующем цикле переработки, имеют отрицательный заряд и переходят в разряд анионных загрязнений, повышая катионную потребность массы. Повышенная катионная потребность обуславливает необходимость увеличения расхода катионных химических вспомогательных веществ (ХВВ) для осаждения анионов на волокнах. Кроме того, повышенное содержание деградированного крахмала в массе обуславливает снижение прочностных характеристик вырабатываемой товарной продукции [15-31].
Содержащиеся в макулатурной массе крахмалопродукты являются питательной средой для микроорганизмов, рост биомассы и процессы жизнедеятельности которых обуславливают повышение слизеобразования и обрывности бумажного полотна. Поскольку крахмал обладает способностью к агрегации, в кислой и слабощелочной среде он может образовывать агрегаты, формирующие в последствии отложения на технологическом оборудовании и негативно сказывающиеся на внешнем виде продукции [65-73].
Усовершенствованная экспресс-методика определения растворенного и коллоидного крахмала в производственной воде БДМ и КДМ
Автором совместно со специалистами ООО «Технобум-2» была разработана методика количественного определения растворенного и коллоидного крахмала основанной на фотоколориметрическом анализе.
В основе усовершенствованной методики лежит определение оптической плотности исследуемой подсеточной воды фотоколориметрическим методом в присутствии йода на йодистом калии. На основании данных по оптической плотности исследуемой пробы выполняют расчет концентрации крахмала.
Традиционная методика определения концентрации растворенного крахмала через окрашенный йод-крахмальный комплекс для подсеточной воды напрямую практически не применима, так как результаты измерения оптической плотности сильно искажаются наличием взвешенных веществ (наполнители, мелочь) присутствующих в подсеточной воде. Усовершенствованная методика предусматривает предварительное отстаивание пробы в течение 8-10 мин, и разбавление ее в 5-10 раз с целью исключения влияния на результат определения примесей волокна и наполнителя, а также тем, что раствором сравнения служит не раствор йода в чистой воде, а сама разбавленная подсеточная вода, содержащая остатки мутности. При этом влияние мешающей мутности подсеточной воды практически устраняется. При измерении используются два раствора -анализируемый раствор с йодом и тот же раствор без йода, который служит раствором сравнения. Растворы помещают в кюветы прибора «Экотест 2020 – РС» и через 60 сек после добавления йода в йодистом калии проводят измерение оптической плотности исследуемой пробы (длина волны 595 нм). Измерения проводят не менее 2 раз, а за величину оптической плотности принимают среднее арифметическое значение двух определений.
Концентрацию растворенного (коллоидного) крахмала в подсеточной воде (Сисх) рассчитывают по формуле: Сисх = (Dj1/10 - Dj)K0 n (мг/дм3), (2.1) где Dj – оптическая плотность йода; Dj1/10 – оптическая плотность разбавленной исследуемой пробы с йодом; n – степень разбавления; K0 – коэффициент пересчета, определяемый исходя из оптической плотности нормировочных растворов с заданной концентрацией 20,50, 100 мг/дм3. При этом K0= (C20/D20+ C50/D50+ C100/D100)/3, (2.2) где C20, C50, C100 мг/дм3 – известные концентрации нормировочных растворов; D20, D50, D100 – определенное значение оптической плотности нормировочных растворов. Измерение концентрации крахмала необходимо проводить в течение не более 10-20 мин после отбора проб, так как с течением времени крахмал разрушается и его концентрация снижается. Диапазон измерений концентрации крахмала на приборе «Экотест» составляет от 10-100 мг/дм3, при этом относительная погрешность метода при доверительной вероятности 0,95 не превышает 5%. [93]
Контроль содержания взвешенных веществ в подсеточной воде основывается на гравиметрическом методе анализа, в ходе которого производится разделение твердой и жидкой фазы путем фильтрования с последующим высушиванием и взвешиванием фильтра. Фильтрация осуществляется с помощью вакуумного насоса, фильтр с осадком высушивается при температуре 105-1100С, после чего охлаждается в эксикаторе и взвешивается. Содержание взвешенных веществ определяется как разница между начальным весом фильтра и высушенным фильтром с осажденным веществом и выражается в % и г/л [96]: А- вес высушенного фильтра с осадком, г В – вес фильтра, г V – количество исследуемой воды, мл Содержание взвешенных веществ в г/л вычисляют по формуле: X1=X 10, г/л (2.3) Х- содержание взвешенных веществ в %
Оптическая плотность подсеточной воды напрямую зависит от содержания в ней волокна. Чем выше оптическая плотность анализируемого раствора, тем больше концентрация волокна в нем. Определение оптической плотности производится на фотоколориметре “Smart” (или аналогичном) с длиной волны 605 нм. Отобранную пробу воды перед исследованием интенсивно перемешивают, разбавляют в 2-5 раза. Значение оптической плотности исследуемой пробы определяют в сравнении с измерениями оптической плотности фона. В качестве фоновой пробы используется дистиллированная вода. Полученный результат оптической плотности необходимо умножить на коэффициент разбавления (2-5) [97].
Скорость обезвоживания бумажной массы определяется способностью массы к водоотдаче. Обезвоживание производят на приборе Шоппер-Риглера, массу в количестве, соответствующем 3 г а.с.в. помещают в мерный цилиндр и разбавляют водой до 1 л. Температура воды должна составлять 20 ± 2 0С. Среднюю трубку прибора Шоппер-Риглера закрывают пробкой, чтобы фильтрат мог истекать только через боковое отверстие, куда помещают мерный цилиндр. Исследуемую пробу тщательно перемешивают путем переливания, после чего заливают в цилиндрический сосуд прибора при опущенном коническом клапане и с помощью рукоятки поднимают клапан. По секундомеру отмечают время истечения 300, 500, 700 мл фильтрата. По окончании определения цилиндрический сосуд с сеткой снимают, переворачивают и тщательно промывают сетку под сильной струей воды. Водоотдача массы выражается в секундах [95].
Исследование состава, свойств и осаждения растворенного и коллоидного крахмала на волокнах
Поскольку в процессе варки натурального крахмала при температуре дисперсии 95-980С крахмальные зерна частично растворяются, а частично остаются в набухшем, полуразрушенном коллоидном состоянии были проведены исследования по осаждению растворенного и коллоидного крахмала на волокнах.
Натуральный кукурузный крахмал варили в течение 30 мин при 95-970С на кипящей водяной бане. Полученную дисперсию разбавляли до 2% и перемешивали на лабораторной мешалке при 600-650 об/мин. в течение 2 мин. и охлаждали до 50С. Далее дисперсию центрифугировали на лабораторной центрифуге при 2000 об/мин. в течение 20 мин. В результате в кюветах, содержащих по 25 г крахмальной дисперсии, было достигнуто ее разделение на две ярко выраженные фракции: верхняя фракция – прозрачная и низковязкая объемом около 60% и нижняя фракция – очень вязкая полупрозрачная объемом около 40%. Содержимое кювет разделяли с помощью специальных пипеток на пять фракций массой 5 г. Всего из двух кювет получили 5 фракций по 10 г каждая.
Результаты исследований свойств полученных фракций представлены в таблице 3.4. Как видно из представленных данных, первые три фракции практически идентичны и состоят из растворенных молекул крахмала, а фракции 4,5 между собой несколько отличаются, но представлены коллоидными частицами. Суммарная доля сухих веществ, содержащихся во фракциях №1-3 составляет 24,6% от сухих веществ крахмала, что по данным [96] соответствует содержанию амилозной фракции в кукурузном крахмале. Суммарная массовая доля сухих веществ фракций 4-5 составляет порядка 75%, что соответствует содержанию амилопектиновой фракции в кукурузном крахмале. Таблица 3.4 – Свойства дисперсии кукурузного крахмала после варки и центрифугирования на 5 фракций Показатель Натуральный крахмал Фракции 1,2,3 Фракция 4 Фракция 5 Внешний вид Мутный, средняя вязкость Прозрачный не вязкий Мутный, очень вязкий Мутный,пастообразный Масса фракции, г 50,0 10,0 10,0 10,0 Содержание сухих веществ, % 1,81 0,74 2,73 4,10 Доля сухих веществ от общего, % 100,0 8,2 30,2 45,2 Оптическая плотность йод-крахмального комплекса при 50 мг/л, и 595 нм 0,94 2,00 0,74 0,56
Максимум поглощения 600нм 620 нм - 600нм Коэффициент преломления 1,3342 1,3340 1,3348 1,3363 Концентрация растворенных веществ по сахарозе, % 0,85 0,7 1,25 2,3 Доля растворенных веществ от сухих, % 46% 95% 46% 56% Поскольку йод-амилозный комплекс обладает значительно большей интенсивностью поглощения, чем йод-амилопектиновый комплекс, оптическая плотность йодного комплекса фракций 1-3 примерно в 3-4 раза выше, чем у фракций 4 и 5. Кроме того, максимум поглощения йод-амилозного комплекса смещен в сторону большей длины волны в сравнении с йод-амилопектиновым комплексом, что так же свидетельствует о содержании амилозы в составе фракций 1-3. Известно так же, что амилозная фракция обладает более низкой молекулярной массой по сравнению с амилопектиновой фракцией, в связи с этим для фракций 1-3 характерна низкая вязкость (на уровне воды). Фракции 4 и 5 обладают высокой вязкостью, а фракция 5 характеризуется не текучей консистенцией, что характерно для высокомолекулярной амилопектиновой фракции. Полученные данные свидетельствуют о том, что в результате проведенного фракционирования исходная дисперсия крахмала разделилась преимущественно на растворенную амилозную фракцию (фракции 1-3) и преимущественно амилопектиновую фракцию (фракции 4-5), которая при использованном способе варки крахмала находилась в коллоидном состоянии.
Полученные спектры поглощения йод-крахмальных комплексов натурального крахмала и его фракций представлены на рисунке 3.4. Рисунок 3.4 – Спектры поглощения йод-крахмальных комплексов разных фракций при концентрации крахмала и фракций 100 мг/л и концентрации йода 0,00075 н Как видно из представленных данных, при одинаковой концентрации фракций, оптическая плотность йодного комплекса фракции 1 значительно выше, чем у фракции 5. Максимум поглощения фракции 1 смещен ближе к 620 нм, а фракции 5 менее выражен и находится в районе 580-600 нм.
После определения состава и свойств крахмальных фракций были исследованы закономерности их осаждения на целлюлозе.
В исследованиях использовалась лиственная беленая СФА целлюлоза, на волокнах которой крахмал хорошо осаждается. Образец размалывали на ЦРА до 29ШР и готовили суспензию концентрацией 2%, после чего дозировали натуральный крахмал и его разные фракции в диапазоне концентраций от 25-750 мг/л, соответствующем реально встречающимся концентрациям диспергированного крахмала в бумажной массе. Целлюлозную массу, обработанную крахмалом, перемешивали в течение 2 мин и обезвоживали на сите. Полученный фильтрат анализировали на содержание крахмала или отдельной фракции крахмала. Осаждение крахмала (фракции) рассчитывали как отношение концентрации крахмала (фракции) в фильтрате к концентрации крахмала (фракции), поданного на обработку целлюлозы.
Ресурсосберегающий способ подготовки бумажной массы для производства картона
Полученные в ходе лабораторного этапа результаты исследований позволили рекомендовать двукомпонентную систему – Perform SP 3253-PK и Praestafix 1250 для проведения полномасштабных промышленных испытаний на производственной базе группы предприятий «ПЦБК». В процессе промышленных испытаний вырабатывался картон для плоских слоев тест-лайнера, влагопрочный картон и неклееная бумага.
На начальном этапе выполнялось определение необходимого расхода микрополимера Perform SP 3253-PK на бумагоделательной машине Б-2300 КБЦ №2. Микрополимер Perform SP 3253-PK разбавлялся водой до концентрации 0,5% масс. и подавался в массу после напорных сортировок верхнего и нижнего слоя. Расход микрополимера увеличивали постепенно в течение 5 часов от 100 г/т до 400 г/т (таблица 4.1.).
Как видно из представленных данных, высокое удержание (84%) при минимальном времени обезвоживания массы наблюдалось при дозировании микрополимера в количестве 400 г/т. При этом внесение микрополимера не оказывало существенного влияния на катионную потребность массы. Поэтому в качестве рабочего расхода был принят расход микрополимера 400 г/т.
Для снижения катионной потребности массы в процессе выработки и для повышения эффективности удержания в целом в массный насос верхнего и нижнего слоя подавали микрофиксатор Praestafix 1250 в товарном виде с рабочим расходом 350 г/т.
В соответствии с технологией производства при выработке картона для плоских слоев тест-лайнера дополнительно использовались Basoplast на клеильном прессе (на верхний слой) с расходом 1,3 кг/т и неокисленный крахмал «Кабардинский» с расходом 24 кг/т. В процессе испытаний вырабатывали картон массой 125 г/м2, 140 г/м2, 150 г/м2, 175 г/м2.
При выработке неклееной бумаги помимо удерживающей системы использовался крахмал «Кабардинский» с расходом 23 кг/т.
В ходе выработки влагопрочного картона дополнительно использовались смола Biores 20U с расходом 5,4 кг/т, АКД с расходом 6,0 кг/т, Basoplast с расходом 3,1 кг/т; крахмал с расходом 23 кг/т, пеногаситель Афранил -0,2 кг/т. При выработке влагопрочного картона в качестве системы удержания применялась однокомпонентная система Perform SP 3253-PK (подача на оба слоя, расход 400 г/т);
В результате введения удерживающей системы, при выработке картона для плоских слоев тест-лайнера, катионная потребность в массе напорных ящиков и в оборотной воде уменьшилась не значительно, однако достигнуто снижение времени обезвоживания массы в среднем в 2 раза, удержание волокна на верхней сетке удалось увеличить в среднем на 13% и на 8% на нижней сетке. При выработке неклееной бумаги время обезвоживания массы снизилось на 20% и на 70% на верхней и нижней сетке соответственно. Удержание волокна на верхней сетке увеличилось с 57,9 до 77,5% на верхней сетке, а на нижней с 73,5 до 85,5%.
В процессе выработки влагопрочного картона время обезвоживания массы с верхней сетки снизилось на 20%, а массы с нижней сетки – на 60%, удержание волокна и катионная потребность массы существенно не изменились.
При выработке всех трех видов продукции было достигнуто снижение концентрации крахмала в подсеточной воде в среднем на 20%, а так же сокращение нормы расхода товарного крахмала, использующегося для проклейки. В результате внедрения системы удержания было достигнуто сокращение Praestafix 1250 кг/т 0 Наряду с улучшением технологических параметров производства было достигнуто повышение качества оборотных и сточных вод, отводимых на очистные сооружения. Результаты исследований качества оборотной и сточной воды представлены в таблице 4.3.
Наименование показателя Сборник избыточной оборотной воды Сточные воды КБЦ №2 (БДМ Б-2300) безудерживающейсистемы судерживающейсистемой безудерживающейсистемы судерживающейсистемой Содержание взвешенных веществ, мг/л 1678 1250 1557 1549 Содержание крахмала, мг/л 517 423 98,8 88,2 Оптическая плотность 1,49 0,947 1,091 0,903 ХПК - - 2534 2436
Как видно из представленных данных, содержание взвешенных веществ в оборотных водах уменьшилось на 25%, а оптическая плотность снилась на 37%. В сточных водах снизилось содержание крахмала на 10%, содержание взвешенных и ХПК изменилось на 5%. Таким образом, внедрение системы удержания волокна и крахмала позволило не только обеспечить экономию первичных и вторичных ресурсов в производственной процессе, но и снизить экологическую нагрузку, обусловленную производственной деятельностью за счет уменьшения объемов скопа, подлежащего обезвреживанию и сброса взвешенных веществ и крахмала со сточными водами. Полученные в ходе опытно-промышленных испытаний результаты позволили разработать способ подготовки бумажной массы для производства картона, защищенный патентом РФ 2588206.
На основании установленных закономерностей осаждения крахмала на волокне и фиксации крахмала на волокнах в массе с учетом результатов лабораторных и опытно-промышленных испытаний применения удерживающих систем был разработан и запатентован способ подготовки бумажной массы для производства картона [111] .
С целью обеспечения высокого удержания волокна в массе при одновременной фиксации натурального растворенного крахмала на волокнах рекомендовано использование двухкомпонентной системы, состоящей из микрофиксатора и микрополимера. В качестве микрофиксатора могут использоваться реагенты на основе органических и неорганических коагулянтов (например, на основе полиДАДМАХ), обладающих высокой плотностью положительного заряда для нейтрализации анионных загрязнений и осаждения их на волокнах массы. В качестве микрополимера рекомендуется использовать органические катионные флокулянты на основе ПАА, способные адсорбироваться на поверхности волокон с образованием мостичных связей. Образование флоккул обеспечивает повышение удержания волокна в массе.
На основании результатов, полученных в ходе опытно-промышленной выработки с использованием удерживающих систем, было принято решение о внедрении технологии удержания в производственный процесс, что позволило повысить ряд технологических параметров производства (таблица 4.4.) Таблица 4.4. – Эффективность внедрения системы удержания растворенного натурального крахмала и волокна в опытно-промышленных условиях. Наименование показателя Без системы удержания При введении в массу удерживающей системы