Розробка методів і засобів ресурсозбереження у виробництві паперу і картону з макулатури

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

РОЗРОБКА МЕТОДІВ І ЗАСОБІВ РЕСУРСОЗБЕРЕЖЕННЯ У ВИРОБНИЦТВІ ПАПЕРУ І КАРТОНУ З МАКУЛАТУРИ

Спеціальність: Екологічна безпека

КОВАЛЬ ОЛЕКСАНДР СЕРГІЙОВИЧ

Київ, 2006 рік

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Целюлозно-паперове виробництво належить до найбільш крупних споживачів деревини і природної води. Використання макулатури у виробництві паперу і картону дозволяє суттєво знизити споживання природних ресурсів, зменшити забруднення навколишнього середовища. Слід відзначити, що Україна при виробництві паперу і картону займає одне з перших місць у світі по споживанню макулатури. Це зумовлено високими цінами на імпортну целюлозу, незначним об'ємом її виробництва на Україні (у цілому ~ 40000 т/рік) при суттєвому дефіциті паперової продукції. Сьогодні, за рахунок широкого використання макулатури, виробництво картону досягло рівня 1990 р., коли на Україну поставлялась целюлоза із Росії (526,8 тис. тон у 2004 р., 592,8 тис. тон у 1990 р.).

По тарній продукції об'єм виробництва порівнюючи з 1990 р. виріс також суттєво (546,7 млн. м. кв. у 2004 р., 364,7 млн. м. кв. у 1990 р.). Стабільний ріст виробництва паперу, картону і тарної продукції відстежується з 1997 р.

Широке використання макулатури у виробництві паперу і картону є економічно вигідним і має велике значення з точки зору ресурсозбереження. Проте, при цьому виникає ряд проблем, пов'язаних з очищенням стічних вод, переробкою і утилізацією твердих відходів, які утворюються у вигляді гідрофільних осадів з вологістю до 99%.

Обумовлено це низькою якістю макулатури, порівнюючи з первинною сировиною, що призводить до погіршення утримання маси на сітці, а значить до підвищення забруднення зворотних вод, збільшення втрат сировини зі стічними водами, збільшення об'ємів твердих відходів і кількості свіжої води при виробництві 1 тони готової продукції.

При цьому, повторне використання утриманого волокна суттєво обмежене вимогами до якості готової продукції, яка суттєво знижується при збільшенні вмісту дрібно-волоконної фракції в композиції.

Виходячи з цього, розробка технічних і технологічних рішень, які дозволять підвищити ефективність використання волокнистої сировини у виробництві паперу і картону з макулатури, знизити її втрати зі стічними водами, зменшити кількість твердих відходів, вирішити проблеми їх утилізації, знизити споживання природної води і зменшити об'єми стоків при виробництві продукції, є дуже важливою і актуальною задачею.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Дисертаційна робота виконувалась згідно з планом науково дослідних робіт кафедри екології та технології рослинних полімерів Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут” у рамках науково-дослідних робіт: “Розробка комплексної технології стабілізаційної обробки води для ресурсозберігаючих замкнутих систем водокористування” (номер державної реєстрації 0104U03423), “Створення нових коагулянтів і флокулянтів для ресурсозберігаючих технологій очищення води і утилізації відходів” (номер державної реєстрації 0203U008656), “Розробка та використання допоміжних хімічних добавок для забезпечення ресурсозбереження у виробництві паперу та картону” (номер державної реєстрації 0206U002373).

Мета і задачі дослідження. Мета даної роботи полягала в модернізації технологічного процесу виробництва паперу і картону з макулатури, інтенсифікації процесів очищення стічних вод на цехових та локальних очисних спорудах за допомогою сучасних хімічних допоміжних речовин для зниження витрат сировини, зменшення об'ємів твердих відходів, зниження споживання води.

Об'єкти дослідження. Об'єктами дослідження були тверді відходи, зворотні та стічні води, композиції і композиційні матеріали виробництва паперу і картону з макулатури.

Предмет дослідження. Предметом дослідження були процеси виробництва паперу і картону, очищення зворотних і стічних вод, зневоднення і утилізації осадів, які видаляються при очищенні води.

Методи дослідження. При проведенні досліджень були використані спектрофотометричний, потенціометричний, хімічний і масометричний методи аналізу осадів і води, фізико-механічні методи оцінки якості паперу і картону, математичні методи обробки отриманих результатів.

Особистий внесок здобувача.

Здобувач особисто виконав аналіз стану екологічних проблем на підприємствах целюлозно-паперової промисловості. Ним безпосередньо проведені експериментальні дослідження і отримані результати по вдосконаленню процесу формування паперу і картону, утилізації утриманих осадів, інтенсифікації процесів очищення води. Ним була проведена обробка отриманих результатів, зроблена критична оцінка результатів.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Перший розділ присвячено аналізу патентної та науково-технічної інформації про використання хімічних допоміжних речовин для забезпечення ресурсозбереження у виробництві паперу і картону. Встановлено, що найбільш перспективними реагентами, які забезпечують реалізацію більш чистого виробництва, ресурсозбереження, зниження об'ємів твердих відходів і стічних вод є високоефективні коагулянти, флокулянти і катіоновані крохмалі. Також показано, що не дивлячись на різноманітність хімічних допоміжних речовин, мало вивчено їх комплексний вплив на процеси формування паперу і картону при використанні макулатури для забезпечення необхідних як екологічних, так і фізико-механічних показників. У зв'язку з широким використанням катіонованих крохмалів іноземного виробництва, показано, що дуже важливою є задача розробки ефективних методів катіонування крохмалів з використанням доступних на Україні реагентів. Відмічено, що актуальною задачею є інтенсифікація і підвищення ефективності очистки води на локальних очисних спорудах підприємств з використанням сучасних методів і реагентів.

У другому розділі приводяться характеристики зворотних вод, осадів і фільтратів, модельних суспензій, зміцнюючих добавок, методи і методики проведення експериментів.

У третьому розділі вивчено вплив флокулянтів на процеси формування картону із макулатурної маси з використанням скопу. Показано, що із збільшенням вмісту скопу в масі до 50% знижується утримання маси на сітці з 86% до 82%, знижуються фізико-механічні показники картону.

В цілому, вплив флокулянтів на фізико-механічні показники картону був неоднозначний і залежав від типу, дози флокулянту та вмісту скопу в композиції. Кращі результати отримано при використанні флокулянту “Перкол-455” при витраті 0,05%.

При використанні катіонних флокулянтів у кількості 0,025-0,100% від маси абсолютно сухої речовини фізико-механічні показники картону з вмістом скопу до 20% вищі, ніж у випадку використання макулатурної маси без скопу. При використанні флокулянтів також суттєво зростає ступінь утримання маси на сітці - до 95,0-99,0%, в залежності від типу і витрати флокулянту. Враховуючи неоднозначність впливу флокулянтів на фізико-механічні показники паперу, для вирішення питання підвищення якості продукції та зменшення об'ємів відходів досліджено вплив зміцнюючих добавок на процеси формування та якість картону наряду з флокулянтами. Як зміцнюючі добавки використовували катіонні крохмалі “Катіонаміл”, “Церезан”, фосфорований крохмаль КМС та кукурудзяний крохмаль. При використанні крохмалів суттєво зростають фізико-механічні показники картону, знижується каламутність підсіткової води та час фільтрування (табл.2). Ефект зростає в ряду КМС, кукурудзяний крохмаль, “Катіонаміл”, “Церезан”, тобто із збільшенням катіонного заряду.

При сумісному використанні крохмалів та флокулянтів спостерігаються позитивні тенденції щодо підвищення фізико-механічних показників картону. Це відмічено при використанні в композиціях катіонних флокулянтів з кукурудзяним крохмалем та катіонним реагентом “Катіонаміл”. В разі сильнокатіонного крохмалю “Церезан”, покращення якісних показників картону при додаванні флокулянтів не відмічено. В даному випадку поверхневого заряду флокулянту достатньо для ефективної флокуляції маси.

Суттєво зростають фізико-механічні показники виробів при застосуванні в композиціях бентоніту, що пояснюється наявністю на поверхні дисперсних часток бентоніту позитивно- та негативно заряджених участків. Це сприяє ефективній флокуляції негативно заряджених волокон з позитивнозарядженими макромолекулами флокулянтів чи катіонних крохмалів. Для розробки методів синтезу катіонованих крохмалів з доступної сировини вивчено процеси модифікування крохмалів з використанням - уротропіну, меламіну, епіхлоргідрину і триетаноламіну.

Встановлено, що модифікування крохмалю гексаметилолмеламіном, епоксипропілтриетаноламоній хлоридом призводить до поліпшення якості паперу при додаванні модифікованих крохмалів у масу. Ці модифіковані крохмалі забезпечують фізико-механічні показники паперу, а також утримання маси на сітці на рівні відомих катіонних крохмалів “Катіонамілу” і “Церезану”. Кращі результати по утриманню маси на сітці та фізико-механічних показниках паперу отримані при використанні крохмалю модифікованого епоксипропілтриетаноламоній хлоридом.

Важливим аспектом в технології виробництва паперу та картону є досягнення високої якості продукції при ефективному використанні обладнання та забезпечення раціонального використання сировини та природної води. Одним із основних факторів підвищення продуктивності папероробних машин є інтенсифікація процесу зневоднення маси при формуванні паперового полотна. Це питання вирішувалось за рахунок застосування хімічних добавок. Зокрема, було вивчено вплив флокулянтів на швидкість зневоднення маси та каламутність підсіткової води при використанні композицій, що застосовуються для виробництва паперу та картону на ВАТ “Київський КПК”. На прикладі флокулянту “Перкол 455” показано, що швидкість фільтрування суттєво зростає з підвищенням ступеню утримання волокна на сітці та зниженням каламутності підсіткової води. Близькі результати були отримані при використанні інших флокулянтів. Для зниження витрат поліакриламідних катіонованих флокулянтів типу “Перкол”, забезпечення високої якості продукції та зниження каламутності підсіткових вод були використані бінарні системи флокулянтів типу “Перкол”-“Алкофікс” та “Перкол”-“Полімін СК”.

В даному випадку низькомолекулярні полікатіоніти “Алкофікс” або “Полімін СК” забезпечували флокуляцію дрібнодисперсних домішок в композиції (мікрофлокуляція), а високомолекулярні поліакриламідні флокулянти забезпечували флокуляцію волокон та крупнодисперсних часток наповнювача. В цілому застосування бінарних систем, як це показано на прикладі системи “Перкол-455” - “Алкофікс-159”, забезпечувало інтенсифікацію процесу фільтрування паперової маси.

Отримані результати були підтверджені при проведенні випробувань на виробництві різних марок картону і паперу. На прикладі картоноробного цеху ВАТ “Київський КПК” показано, що при використанні бінарної системи “Перкол-178” та “Алкофікс-159” продуктивність картоноробної машини збільшується до 10% при збільшенні ступеню утримання маси на сітці від 80-85% до 88-91%.

У четвертому розділі вивчено вплив домішок, присутніх у воді, та коагулянтів і флокулянтів на процеси її освітлення.

Застосування хімічних допоміжних речовин при виробництві паперу та картону в значній мірі дозволяє знизити каламутність підсіткової води. Проте рівень забруднення цієї води досить високий, щоб її використовувати повторно в ряді операцій. Залишкова каламутність води, що повторно використовується, повинна бути не більше 50 мг/дм. куб., а для промивки сукон - не більше 10 мг/дм. куб. Ефективність освітлення зворотних вод на цехових локальних очисних спорудах залежить від якості води, від типу та доз використаних реагентів, а також від вибраного способу очищення води.

Зворотні води в виробництві паперу та картону містять в різній кількості дрібне волокно (мільштоф), дрібнодисперсні частки наповнювачів (в основному каоліну), залишки крохмалів, що застосовуються як зміцнюючі добавки та клеї. Було показано, що в зворотних водах виробництва картону вміст полісахаридів (крохмалів) досягає 200-400 мг/дм. куб., зольність нерозчинних домішок досягає 40%.

Для визначення впливу домішок на ефективність освітлення води було вивчено процеси освітлення модельних суспензій крохмалів та наповнювачів (каоліну та бентоніту). Було показано, що освітлення суспензії кукурудзяного крохмалю проходило досить ефективно при використанні сульфату алюмінію, 1/3-, 2/3- та 5/6-гідроксохлоридів алюмінію. Гірші результати отримано при використанні алюмінату натрію. Подібні результати отримано і при освітленні суспензії сильнокатіонного крохмалю “Церезан”. В даному випадку при застосуванні гідроксохлоридів алюмінію в дозах 2-10 мг/дм. куб. по Al2O3 залишкова каламутність знижувалась до 2-6 мг/дм. куб. при досягненні ступеню освітлення 96-98%.

Менш ефективним було освітлення суспензій наповнювачів. При освітленні суспензії бентоніту з використанням коагулянтів при тих же дозах, максимальний ступінь освітлення не перевищував 86%. Особливо неефективно освітлювались суспензії каоліну в воді. При використанні коагулянтів в дозах 30-100 мг/дм. куб. ступінь освітлення відстоюванням не перевищував 45%. І лише при доочищенні суспензії фільтруванням з використанням гідроксохлоридів алюмінію ступінь освітлення досягав 86-97%. Аналогічні результати отримано при освітленні суспензій згаданих речовин за допомогою флокулянтів фірм Сіба, Штокгаузен та Басф типу “Перкол”, “Алкофікс” “Престол”, “Магнофлок”, “Полімін”. В даному випадку вода ефективно очищувалась від крохмалів і малоефективним було видалення каоліну. Каолін видаляється дуже погано не залежно від типу та дози флокулянту, як при відстоюванні так і при фільтруванні. Із приведених результатів можна зробити висновок, що низька ефективність освітлення зворотних вод паперових виробництв на локальних та цехових очисних спорудах обумовлена наявністю в них домішок каоліну. Вивчено процеси освітлення зворотних вод і модельних суспензій каоліну з використанням магнітно-сорбційного методу. Встановлено, що метод дозволяє досягти високої ефективності очистки води при використанні магнетиту в композиціях з коагулянтами та флокулянтами. Магнетит застосовували у дозах 0-250 мг/дм. куб., коагулянти у дозах 10-70 мг/дм. куб. по Аl2O3, флокулянти у дозах 2-10 мг/дм. куб. При цьому досягнуто високої ефективності освітлення як суспензії каоліну,так і зворотної води. Так, при використанні магнетиту з 5/6 гідроксохлоридом алюмінію було досягнуто ступеню освітлення ~ 99%. При застосуванні його з флокулянтом “Полімін СК” було досягнуто ступеню освітлення ~ 92%.

При очищенні зворотної води методом флотації було досягнуто високої ефективності процесу при використанні як коагулянтів, так і флокулянтів. Цей метод за своєю ефективністю істотно кращий відстоювання, як при освітленні суспензій каоліну, так і при очищенні зворотної води. В окремих випадках вміст завислих речовин в очищеній воді не перевищував 12 мг/дм. куб. Таку воду легко можна доочищувати фільтруванням.

Крім процесів освітлення зворотних вод в даному розділі приведені результати досліджень по зневодненню скопу та утилізації фільтратів, що утворюються. Було показано, що швидкість зневоднення скопу зростає в десятки разів при використанні поліакриламідних флокулянтів. Кращі результати по освітленню фільтратів було отримано при їх змішуванні з зворотними водами, що поступають на локальні очисні споруди.

Цей підхід вирішує також і проблему утилізації фільтратів, що утворюються при зневодненні скопу.

На основі отриманих результатів розроблена технологія очистки зворотних вод на цехових та локальних очисних спорудах з використанням коагулянтів і флокулянтів при включенні в технологічний процес стадії флотації. Економічний ефект за один рік роботи цеху, продуктивністю 185000 т/рік, при використанні бінарної системи флокулянтів “Перкол-178 та “Алкофікс-159” склав 1129438 грн.

ВИСНОВКИ

1. Вивчено вплив флокулянтів на процеси формування картону із макулатурної маси з використанням скопу. Показано, що при збільшенні вмісту скопу в масі до 50% знижується утримання маси на сітці, знижуються фізико-механічні показники картону. При використанні катіонних флокулянтів у кількості 0,025-0,100% від маси абсолютно сухої речовини фізико-механічні показники картону з вмістом скопу до 20% вищі, ніж у випадку використання макулатурної маси без скопу;

2. Показано, що використання катіонних флокулянтів “Перкол-455” і “Цетаг 7563” разом з кукурудзяним крохмалем забезпечує підвищення рівня утримання маси на сітці, збільшення швидкості фільтрування, підвищення фізико-механічних показників картону, у тому числі і у випадку включення у композицію 20% скопу. Флокулянт “Магнофлок 10” підвищує фізико-механічні показники картону, але мало впливає на утримання волокна;

3. Встановлено, що при включенні в композиції, які містять крім 20% скопу і 0,1% флокулянтів “Перкол 455”, “Цетаг 7563” або “Магнофлок 10”, крохмалів КМС і “Катіонаміл” фізико-механічні показники картону зростають з збільшенням дози крохмалів, при зниженні мутності підсіткової води і вмісту у воді вуглеводів. Найменш ефективні для утримання маси на сітці флокулянт “Магнофлок 10” і крохмаль КМС;

4. Показано, що використання бентоніту разом з крохмалями, крохмалями і флокулянтами у дозах 0,5 та 5% забезпечує суттєве підвищення якості картону, суттєво підвищує утримання маси при зниженні концентрації вуглеводів в підсітковій воді до 0,95-1,21 мг/дм. куб. при зниженні швидкості фільтрування. Цей негативний ефект був усунений при використанні флокулянту “Перкол 455” при дозі 0,05%;

5. Показано, що при використанні уротропіну, активованого нагріванням у кислому середовищі при 95-100?С протягом чотирьох годин, в процесі модифікування крохмалю, отримано колоїдний розчин крохмалю у воді, стійкий до ретроградації. Отриманий модифікований крохмаль при додаванні в масу приводить до поліпшення фізико-механічних характеристик паперу. По ряду показників він наближується до катіонованого крохмалю “Катіонаміл”. Модифікований уротропіном крохмаль мало сприяє поліпшенню утримання маси на сітці;

6. Встановлено, що модифікування крохмалю гексаметилолмеламіном, епоксипропілтриетаноламоній хлоридом приводить до поліпшення якості паперу при додаванні модифікованих крохмалів у масу. Ці модифіковані крохмалі забезпечують фізико-механічні показники паперу на рівні катіонного крохмалю “Катіонаміл” і сильно- катіонного крохмалю “Церезан”. Вони підвищують утримання маси на сітці і за цією характеристикою кращі відомих катіонних флокулянтов;

7. У виробничих умовах встановлено, що використання катіонних флокулянтів, бінарних систем, які складаються з фіксуючих добавок і катіонних флокулянтів, в композиціях у виробництві паперу і картону дозволяє суттєво інтенсифікувати зневоднення маси і підвищити утримання волокна. При цьому слід відмітити підвищення продуктивності папероробної машини до 10% із забезпеченням високої якості продукції при зниженні каламутності підсіткової води та збільшенням ступеню утримання від 80-85% до 88-91%; екологічність утилізація фільтрат

8. Показано, що ефективність освітлення зворотних вод виробництва паперу і картону, в яких містяться значні концентрації волокнистих матеріалів, вуглеводів (до 400 мг/дм. куб.) і мінеральних наповнювачів, зростає при переході від алюмінату натрію до гідроксохлориду алюмінію при збільшенні дози коагулянту;

9. На прикладі освітлення модельних суспензій крохмалів при використанні коагулянтів і флокулянтів встановлено, що крохмалі ефективно видаляються з води навіть при невеликих дозах реагентів і не впливають на каламутність очищеної на локальних очисних спорудах води.

Размещено на Allbest.ru