Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

Автореферат диссертации

на соискание ученой степени доктора технических наук

Облагораживание макулатуры в производстве бумаги

Агеев Максим Аркадьевич

05.21.03 - технология и оборудование химической переработки биомассы дерева; химия древесины

Екатеринбург - 2008

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Уральский государственный лесотехнический университет» на кафедре химии древесины и технологии целлюлозно-бумажных производств.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Смолин Александр Семенович;

доктор технических наук, профессор Руденко Анатолий Павлович;

доктор химических наук Демин Валерий Анатольевич.

Ведущая организация: ГОУ ВПО «Архангельский государственный технический университет».

Защита состоится «14» ноября 2008 г. в 10-00 на заседании диссертационного совета Д 212.253.01 в ГОУ ВПО «Сибирский государственный технологический университет» по адресу: 660049, г. Красноярск, пр. Мира, 82.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Сибирского государственного технологического университета.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах просьба направлять в адрес ученого секретаря диссертационного совета.

Автореферат разослан: 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Исаева Е.В.

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-обосновано 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 (безинерционных) 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.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цели и задачи работы.

В первой главе представлена ретроспектива использования макулатуры в бывшем СССР, России и за рубежом. Также рассмотрено современное состояние использования макулатуры, приведены ресурсы макулатуры в России по регионам (рисунок 1), а также представлен глобальный мировой баланс переработки вторичного волокна. Представлена структура ассортимента продукции, производимой из макулатуры в России и в мире (рисунок 2).

Рисунок 1 - Суммарные ресурсы макулатуры по регионам России



Рисунок 2 - Структура ассортимента продукции, выпускаемой из макулатуры в России (А) и в мире (Б) в 2001 г.

Представлены перспективы использования вторичного волокна. Проведен анализ состояния оборудования и технологий по переработке макулатуры. Рассмотрены проблемы переработки макулатуры в зависимости от видов загрязнений. Поставлены задачи, которые необходимо решить в работе.

Регулирование бумагообразующих свойств

Большинством исследователей установлено, что бумагообразующие свойства вторичных волокон значительно хуже первичных. Экспериментальные исследования, проведенные нами, так же подтверждают эти результаты. На рисунках 3 и 4 представлены физико-механические показатели отливок из первичных и вторичных волокон при различных градусах помола.

макулатура бумага флотация типографский



Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 3 - Зависимость физико-механических показателей первичных и вторичных волокон от степени помола

На рисунке 4 показано уменьшение степени набухания волокон и разрывной длины отливок после нескольких циклов обработки (роспуска, отлива и сушки). Видно, что самое большое снижение бумагообразующих свойств наблюдается после 1-го цикла обработки, а после последнего цикла - наименьшее.

Рисунок 4 - Зависимость свойств бумаги от числа циклов переработки

Наложение кривых разрывной длины и степени набухания при одинаковых циклах переработки показывает их симбатное изменение.

На рисунке 5 представлена обработка рисунка 4, позволяющая установить зависимость между разрывной длиной и степенью набухания для всех циклов переработки макулатуры как гидро-термообработанной, так и подверженной обычной переработке. На основе этого графика можно утверждать, что степень набухания оказывает существенное влияние на бумагообразующие свойства бумаги и что между набуханием волокна и разрывной длиной существует пропорциональная зависимость.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 5 - Влияние степени набухания волокна на разрывную длину

Большинство исследователей считают, что ухудшение бумагообразующих свойств и, в частности, разрывной длины связано с «необратимым ороговением» волокон, одним из объяснений которого Э.Л. Аким считает образование во время сушки бумаги нерастворимых в воде монопленок из гемицеллюлоз, препятствующих набуханию волокон макулатуры при повторной обработке. В этом случае повторное образование бумажного листа возможно только за счет создания новых поверхностей волокон, фибрилл и т.п., что реализуется только при усиленном размоле. Если первичные волокна обладали хорошо развитой удельной поверхностью (высокая степень помола), образование новых, свежих поверхностей происходит со значительными трудностями и только за счет дальнейшего измельчения волокон, при этом количество мелкого волокна с увеличением числа циклов переработки возрастает, а водоудерживающая способность, которая, по Кларку, может служить мерой способности волокон образовывать прочный бумажный лист, снижается. Таким образом, можно ожидать, что увеличение мелочи будет снижать бумагообразующие свойства волокон. Литературные данные о влиянии мелкого волокна, находящегося в бумажной массе, немногочисленны и носят противоречивый характер.

В нашей работе рассмотрено влияние мелочи, т.е. волокна, отделенного на фракционаторе с размером сетки №24, на бумагообразующие свойства бумаги из первичных и вторичных волокон. Для исследований использовали мелочь из молотой небеленой крафт-целлюлозы Новолялинского ЦБК, а также мелочь из распущенной и размолотой мешочной макулатуры.

Представленные на рисунке 6 результаты показывают, что добавление в макулатурную массу мелочи, отделенной путем фракционирования в предыдущем цикле переработки, повышает степень помола, которая косвенно характеризует водоудерживающую способность (набухание) волокон и разрывную длину бумажного листа из макулатуры.

Повышение степени помола и разрывной длины оказывается пропорциональным увеличению доли мелочи в макулатурной суспензии.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 6 - Влияние мелкого волокна на разрывную длину и степень помола бумаги из макулатуры

Из рисунка 7 видно, что мелочь, полученная из молотой целлюлозы, имеет более высокую набухаемость, в то время, как мелочь из макулатурной массы имеет более низкую степень набухания.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 7 - Зависимость набухаемости макулатурной массы от степени помола при содержании различной мелочи

Мелочь, извлеченная из макулатуры гидро-термообработанной по ниже приведенному режиму, имеет промежуточную степень набухания, это говорит о том, что часть монопленок, находящихся на поверхности волокон макулатуры, в растворе NaOH набухла и вместе с фибриллами отщепилась от волокон. Это подтверждает эффективность термообработки макулатуры в слабой щелочной среде. На рисунке 6 представлены результаты испытаний разрывной длины отливок из крафт-целлюлозы, макулатуры, обработанной и необработанной в зависимости от количества заданной мелочи.

Для того чтобы установить роль водонерастворимых монопленок, образующихся при сушке бумаги, в работе была проведена гидро-термообработка макулатуры в автоклаве при температуре 95 ⁰С в присутствии 1,5 % NaOH в течение 30 мин. Результаты представлены на рисунке 4. Сравнение кривых на рисунке показывает, что бумагообразующие свойства гидро-термообработанной макулатуры значительно выше свойств волокон, распущенных традиционным способом. В работе была предпринята попытка теоретически объяснить растворение монопленок, препятствующих восстановлению поверхностей волокон и фибрилл в процессе роспуска, с помощью теории растворов полимеров Флори и Хаггинса.

Теория растворов полимеров Флори и Хаггинса предсказывает максимальное взаимодействие (растворение) при приблизительно равных величинах параметров растворимости полимера и растворителя. Параметр растворимости воды связан с плотностью энергии когезии и определяется по теплоте испарения.

Поскольку целлюлозу нельзя «испарить» без разложения, значение параметра растворимости для нее можно определить расчетным путем по инкрементам энергии отдельных атомов и групп атомов.

Расчеты, приведенные в диссертации, показывают, что параметры растворимости воды и целлюлозы совпадают с точностью до 5 % при условии взаимодействия с водой только гидроксильных групп глюкозидного звена. Это означает, что водородные связи между волокнами, фибриллами, микрофибриллами не препятствуют роспуску макулатуры, как это утверждается некоторыми исследователями.

С этих же позиций в работе рассмотрено взаимодействие с водой при повторном увлажнении макулатуры монопленок гемицеллюлоз, которые образовались на поверхности бумажного полотна в результате их растворения в горячей воде при сушке бумаги.

Используя данные А.А. Аскадского по инкрементам энергии отдельных атомов и групп атомов гемицеллюлоз (в качестве гемицеллюлоз взято одно соединение полисахаридов (пентозаны (С₅H₈O₄)_n), получили следующие результаты:

,

,

.

Т.к. параметр растворимости воды равен гемицеллюлозные пленки, образованные на поверхности волокон, растворяться не будут. Это и подтверждается экспериментально, поскольку для набухания различных макулатур требуется очень большое время.

Для ускорения растворения монопленок на поверхности волокон и улучшения бумагообразующих свойств макулатуры в работе предлагается гидротермическая обработка не водой, а раствором щелочи, параметр растворимости которого наиболее близок к параметру растворимости монопленки. Для раствора NaOH в воде с концентрацией 1,5 % параметр растворимости равен . Т.е. расчеты параметра растворимости гемицеллюлоз (пентозанов) и 1,5 %-й щелочи показывают их удовлетворительную сходимость. Это может означать, что роспуск макулатуры и ее последующий размол осуществляется не только за счет образования свежих поверхностей, но и за счет разрушения образованных при получении бумаги водородных связей между волокнами, фибриллами и т.д., а также растворения образованных при сушке бумаги монопленок в горячем низкоконцентрированном водном растворе щелочи.

Мокрая целлюлоза находится в высокоэластическом состоянии, а сухая застеклована. При сушке целлюлозы происходит изменение физического состояния. Происходящее за счет удаления пластификатора (воды) стеклование целлюлозы осуществляется в условиях значительных усадочных напряжений.

Общеизвестно, что усадочные напряжения , возникающие в высыхающих гидрофильных системах, являются суммарной величиной ряда напряжений, отнесенных к соответствующей площади поперечного сечения абсолютно сухого вещества твердой фазы, образующей структуру (рисунок 8).

, (1)

где - сжимающее напряжение, обусловленное только поверхностным натяжением жидкости на периметре поперечного сечения испытуемого образца;

- напряжение капиллярных сил, действующих в плоскости поперечного сечения на линии пересечения всех встречающихся там менисков;

- напряжение упругого сопротивления структуры;

- напряжение когезионного и адгезионного взаимодействия в точках вторичных контактов, возникающих при сближении элементов структуры в процессе высыхания.

Возникновение и развитие усадочных напряжений в бумаге и картоне имеют существенные особенности. Литературные данные по этому вопросу крайне ограничены и противоречивы.

В связи с этим одной из важных задач, поставленных в диссертации, явилось рассмотрение вклада каждой составляющей усадочных напряжений в образовании структуры, прочностных показателей бумаги и картона и возможность перехода из застеклованного состояния в высокоэластическое и наоборот, и на основании этого объяснить причины возникновения явления «необратимого ороговения».

Первая составляющая усадочных напряжений вызывается силами поверхностного натяжения воды между отдельными структурными элементами бумажного полотна (волокна, фиблиллы, микрофибрилы и др.).

Усадка между волокнами проявляется в процессе сушки задолго до появления внутренней усадки (внутри волокна), так как в это время испаряется только капиллярная, свободная влага, пропорционально количеству которой изменяется величина усадки. Величина усадки характеризует плотность структуры и, следовательно, способность бумаги к повторному роспуску.

Рисунок 8 - Механическая модель действия молекулярных сил в высыхающих системах

Величина сжимающего напряжения на единице площади, обусловленного поверхностными натяжениями жидкости, определяется величиной периметра смачивания . Силы поверхностного натяжения действуют в межволоконном пространстве, стягивая волокна между собой, в результате чего расстояние между волокнами уменьшается. Для суспензий, состоящих из частиц различного размера (волокна, фибриллы, частицы наполнителя, клея и т.п.), очень сложно оценить размер частиц и пор. Поэтому в работе предлагается использовать величину удельной поверхности.

Удельная поверхность есть поверхность волокон, отнесенная к единице объема твердой фазы. Величина внешней поверхности волокон сильно зависит от их диаметра (толщины).

Из многочисленных способов определения удельной поверхности в работе использован метод Робертсона и Мэзона, основанный на принципе фильтрации через волокнистый слой.

, (2)

где - пористость;

- коэффициент фильтрации;

- вязкость.

Результаты определения удельной поверхности по формуле (2) и сжимающих напряжений представлены в таблице 1.

Сжимающее напряжение от поверхностного натяжения на единице поверхности рассчитано по формуле и действует до тех пор, пока в бумажном полотне имеется свободная вода, т.е. до сухости 65-70 %. После этого пленка воды разрывается, и сушка идет за счет удаления гидратной и капиллярной влаги.

Таблица 1 - Значение удельной поверхности сульфатной небеленой целлюлозы

Степень помола	, м2/м3	, м/с	Сжимающее напряжение, МПа
20 40 60 80	1,1 5,1 12,0 16,0	0,730 0,630 0,110 0,085	0,065 0,300 0,710 0,960

По мере испарения жидкости в порах структуры образуются микромениски - вогнутые поверхности раздела жидкость - воздух, на которых, в соответствии с уравнением Лапласа , возникает скачок гидростатического давления - так называемое капиллярное давление, которое вызывает вторую составляющую усадочных напряжений - напряжения капиллярных сил.

В таблице 2 представлены расчеты величины напряжений в структурных единицах бумаги в зависимости от капиллярного давления.

Таблица 2 - Результаты расчетов изменения капиллярного давления

Размер капилляра, мкм	Содержание воды, %
	30	25	20	15	10	5
30	Капиллярные силы, МПа	0,03	0,04	0,05	0,06	0,10	0,20
2		0,50	0,57	0,73	1,00	1,50	3,40
0,2		4,70	5,40	7,30	10,30	14,00	34,00
0,01		94,79	111,60	140,61	186,72	285,20	570,30

Третьей составляющей усадочного напряжения является напряжение упругого сопротивления структуры , противодействующее остальным составляющим усадочных напряжений.

Используя представления о возникновении и развитии напряжений при воздействии на бумажное полотно сил поверхностного натяжения и капиллярных сил, поведение бумажного полотна во время сушки можно описать с помощью реологических моделей.

В первоначальный период сушки, когда в бумажном полотне находится свободная и капиллярная влага, волокна макулатуры находятся в высокоэластическом состоянии. В этот период сушки (до влажности 29 %) волокна, находясь в высокоэластическом состоянии, обладают низким модулем упругости и низкой вязкостью. Если процесс сушки в этот период идет настолько быстро, что в бумажном полотне за счет деформации волокон возникли напряжения, которые не успели отрелаксировать, и часть деформации волокон «заморозилась» за счет возникших с другими волокнами связей, то в этом случае мы имеем релаксирующую среду, которую можно описать реологической моделью Максвелла, (рисунок 9).



Рисунок 9 - Условное изображение модели Максвелла

Деформация пружины определяется уравнением

. (3)

Для идеально вязкой среды (среды Ньютона) - уравнением

. (4)

Для модели Максвелла напряжения в пружине и амортизаторе одинаковы, а деформация равна сумме деформаций этих элементов

. (5)

Дифференцируя уравнение (5) и подставляя значения из (3) и (4), получим

. (6)

При испытании модели Максвелла на релаксацию напряжения в бумажном полотне спадают во времени по экспоненциальному закону, стремясь при к нулю с постоянной времени

,

называемой временем релаксации.

В модели Максвелла существуют два различных механизма релаксации: механизм упругой релаксации и механизм течения. Относительное значение роли упругости и вязкости зависит не только от величин и , но также и от времени экспериментального исследования (шкалы времени эксперимента).

Записав уравнение (6) в форме

, (7)

, (8)

увидим, что если напряжение действует на модель Максвелла в течение времени , много больше, чем время релаксации (шкала времени модели) т.е. , то действие механизма вязкого течения будет сказываться намного больше, чем механизма упругости.

Из (8)

при . Если , то действие механизма упругости сказывается значительно сильнее, чем действие механизма вязкости, что видно из (7), где при .

При испытаниях за короткий промежуток времени, когда экспериментальная шкала времени много меньше шкалы времени модели , модель Максвелла ведет себя как идеально упругое тело.

При очень длительных испытаниях модель Максвелла ведет себя как идеально вязкая жидкость. Когда же , наблюдается явно выраженное действие как механизма упругости, так и механизма вязкости (течения).

Физический смысл объяснения представленной реологической модели заключается в следующем: при высокой скорости сушки время сушки бумажного полотна уменьшается. Количество удаляемого пластификатора (воды) в единицу времени возрастает. В волокнах, наряду со скольжением друг относительно друга, возникают упругие деформации, препятствующие уплотнению бумажного листа. Релаксация напряжений в волокнах не успевает за удалением пластификатора. Поэтому к концу сушки (свободная влага полностью удалена, волокна из высокоэластического состояния перешли в застеклованное) напряжения упругого сопротивления возросли, и структура бумажного полотна получается рыхлая с большим содержанием пор и с низкой прочностью из-за сниженного количества контактов между волокнами. Процесс образования рыхлой и непрочной структуры еще более усиливается, если время релаксации велико.

По данным В.И. Комарова, для бумаги из сульфатной целлюлозы , а коэффициент вязкости . При переходе бумажного полотна из застеклованного состояния в высокоэластическое реологические свойства его существенно изменяются. Так, Э.Л. Аким, ссылаясь на G.M. Bryanta, указывает, что для целлюлозных материалов в воде величина модуля упругости составляет порядка 10 и вязкость порядка 10⁴ . Учитывая, что между свойствами отливок и свойствами суспензии существует четкая корреляция, методом интерполирования можно оценить модуль упругости и коэффициент вязкости конкретного бумажного полотна для любой влажности.

При производстве мешочной бумаги на Новолялинском ЦБК время сушки при скорости буммашины 120 м/мин составляет 40 с. Время релаксации напряжений в застеклованном состоянии составляет

с.

Т.е. и из (7) получаем, что напряжения «замороженные» (засушенные) в структуре бумаги составляют: , где -относительная деформация бумажного полотна в сушильной части буммашины. При увлажнении такой бумаги «замороженные» упругие напряжения в волокнах способствуют роспуску бумаги на волокна. Таким образом, знание предыстории макулатуры позволяет прогнозировать способность ее к последующему роспуску при увлажнении, и, следовательно, позволяет регулировать бумагообразующие свойства путем дополнительного технологического воздействия.

Четвертой составляющей усадочных напряжений является напряжение когезионного и адгезионного взаимодействия в точках вторичных контактов, возникающее при сближении элементов структуры в процессе высыхания до расстояний 2,5-2,8 Е, связанном с образованием водородных связей.

Проведенные нами расчеты показали, что усадочные напряжения, возникающие в бумаге после высушивания, составляют .

Используя представления о целлюлозных волокнах как о природном полимере, применив понятие параметра растворимости теории растворов Флори и Хаггинса, в работе мы предложили обоснованную технологию обработки макулатуры для улучшения ее бумагообразующих свойств с помощью воздействия на нее слабым раствором щелочи при температуре его кипения в течение 30 мин. Результаты расчета параметра растворимости были представлены выше.

Гидродинамика процесса флотации.

Одной из важнейших задач флотационного облагораживания макулатуры является обеспечение оптимального как с точки зрения производительности, так и качества очистки макулатурной массы от типографской краски, гидродинамического режима в ячейке флотатора.

Процесс флотационного облагораживания суспензии макулатурной массы проводят при концентрации 0,8-1,5 %. При такой концентрации макулатурная масса представляет собой структурированную систему, через которую движение пузырька воздуха ограничено, а при размерах пузырьков меньше 1мм представляет непреодолимую преграду. Таким образом, реологические характеристики волокнистой суспензии являются одним из главных факторов, влияющих на процесс флотации частиц типографской краски. В научной литературе таких данных нет.

Традиционное рассмотрение процесса флотации, в котором основное внимание уделяется физико-химическим основам формирования агрегата пузырек-частица, совершенно 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 представляет собой неньютоновскую жидкость. Ее реологические характеристики зависят от композиционного состава, степени помола, концентрации и многих других факторов. Для того, чтобы обеспечить быстрое всплывание пузырька воздуха и эффективное взаимодействие его с частицей краски, необходимо волокнистую суспензию перевести из структурированного в диспергированное состояние. Разрушение структуры сети волокон происходит при определенных градиентах сдвига, определяемых с помощью реологической характеристики макулатурной суспензии. После разрушения структуры волокнистая суспензия ведет себя как ньютоновская жидкость, с той лишь разницей, что вязкость у нее значительно выше, чем у воды. Подобные реологические свойства среды существенно влияют на движение пузырька и в научной литературе не рассмотрены, поэтому представляют большой научный и практический интерес.

При рассмотрении особенностей движения воздушного пузырька в волокнистой суспензии в работе использована сферическая система координат (рисунок 10). Она удобна тем, что для получения реологических соотношений между параметрами можно воспользоваться методом единичной ячейки, применяющейся в теории дисперсных систем.

В результате получены решения распределения скоростей и давлений при движении пузырьков воздуха в диспергированном потоке волокнистой суспензии в любой плоскости сферической системы координат

, , ,

В работе нами получена общая модель флотации при облагораживании макулатуры, состоящая из набора дифференциальных уравнений в частных производных типа (9)-(11) с соответствующими начальными и граничными условиями, подтвержденная экспериментальными исследованиями, (рисунки 11 и 12).

Рисунок 10 - Сфера с центром в начале системы координат

, , (9)

, , , (10)

, (11)

,,,

где -концентрации свободных пузырьков в слое;

- концентрации частиц в слое;

-кинетический коэффициент играет роль константы, характеризующей интенсивность извлечения частиц;

- скорость всплывания пузырьков с одной частицей.

Общая масса удаленных частиц определяется значениями концентраций пузырьков с частицами массой на поверхности флотационной камеры

,

а количество частиц в любом сечении флотационной камеры есть сумма незахваченных частиц и частиц, которые содержатся во всех пузырьках

.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 11 - Изменение количества частиц по высоте камеры

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 12 - Изменение количества частиц во времени

Используя достижения отечественных школ по реологии волокнистых суспензий О.А. Терентьева и И.Д. Кугушева, нами разработан теоретически и подтвержден экспериментально гидродинамический режим в ячейке флотатора, (рисунок 19).

Для правильной оценки работы аппаратов для облагораживания макулатуры очень важно знать гидродинамические параметры флотатора, такие как распределение скоростей потоков бумажной массы по объему аппарата. Поле скоростей определяет не только число столкновений пузырек-частичка типографской краски , но и возможности адгезии (прилипания) частичек к пузырьку , а также возможности выноса агрегата пузырек-частица на поверхность .

Не каждая частица, находящаяся в суспензии, столкнется с проходящим через суспензию пузырьком. При заданном размере пузырьков вероятность столкновения зависит от крупности частиц, количества пузырьков, способа перемешивания.

Обозначим вероятность столкновения через , тогда

, (12)

где - число частиц, столкнувшихся с пузырьками за время ;

- общее число частиц.

Число столкновений

пузырек-частица, здесь и - диаметры пузырька и частицы; и - число пузырьков и частичек, определяется характером турбулентных потоков, образуемых в результате разрушения структуры волокнистой суспензии при перемешивании ее с помощью мешального устройства, и зависит от относительной скорости между пузырьком и частицей, которая определяется по формуле

, (13)

где - кинематическая вязкость;

- плотность суспензии;

- разность плотностей частиц и суспензии;

- диаметр агрегата Ч/П;

- диссипация энергии , где - мощность мешального устройства.

Типичные значения диссипации энергии при перемешивании в мешальных аппаратах находятся в пределах от 1 до 100 Вт/кг.

На рисунке 13 показаны результаты расчета по формуле (13) относительной скорости движения пузырек-частица при различных размерах агрегата при вязкости суспензии = 0,05

При использованных в эксперименте размерах флотатора и мешального устройства диссипация энергии составила 60 Вт/кг, что не противоречит литературным данным.

Из рисунка 14 видно, что в гидродинамическом поле пузырька не все частицы могут столкнуться с пузырьком, а только те, которые содержатся в трубке тока с радиусом .

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 13 - Зависимость относительной турбулентной скорости от энергии диссипации

Численными методами нами получена формула

, (14)

где и - радиусы частицы и пузырька соответственно.

По формуле (14) для экспериментально полученных в работе размеров частиц и пузырьков рассчитали вероятность встречи пузырек-частица. Результаты представлены на рисунке 15.

Величина Рейнольдса в уравнении (14) принимается, исходя из условий разрушения структуры волокнистой суспензии. Критическая величина , при которой происходит разрушение структуры для макулатурной массы со степенью помола 20 ⁰ШР составляет

,

где -коэффициент гидравлического сопротивления, определяется экспериментально, - коэффициент динамической вязкости, принимаем из реологической кривой макулатурной массы концентрацией 1,0 % со степенью помола 20 ⁰ШР.

1 - предельная траектория 2 - при , 3 - при

Рисунок 14 - Движение частицы

Рисунок 15 - Зависимость вероятности столкновения (встречи) пузырек - частица от размеров частиц и пузырьков

На рисунке 16 представлены результаты экспериментальных исследований влияния объемной доли воздуха и концентрации макулатурной суспензии на изменение белизны макулатуры, являющейся косвенным показателем эффективности флотации при различных размерах воздушных пузырьков.

Вероятность закрепления частиц, столкнувшихся с пузырьком, определяется временем утоньшения водной прослойки между частицей и пузырьком до ее разрушения и временем скольжения частицы по поверхности пузырька. Все частицы, время скольжения которых больше времени утоньшения жидкостной пленки, закрепляются на пузырьке.

Используя численные методы с учетом экспериментальных данных по размерам частиц, пузырьков, поверхностного натяжения, краевых углов смачивания, относительной скорости пузырек-частица, на рисунке 17, представлены результаты расчетов вероятностей адгезии.

На рисунке 18 представлены результаты расчета вероятности выноса закрепившихся на пузырьке частичек краски как функции размера частиц, гидрофобности частиц, выраженной через краевой угол смачивания при диссипации энергии 60 Вт/кг.



А Б

Рисунок 16 - Зависимость повышения белизны отливки от количества и размеров пузырьков воздуха (А), зависимость эффективности флотации от концентрации суспензии (Б)

Рисунок 17 - Вероятность адгезии в зависимости от размеров частиц и пузырьков

Рисунок 18 - Зависимость вероятности стабилизации от размера частиц при заданном размере пузырька 200 мкм, диссипации энергии и угла

Таким образом, удельная скорость флотации (эффективность флотации) есть произведение всех трех вероятностей и определяется по формуле

,

Или

, (15)

где - количество частиц, сфлотированных в промежуток времени от до ,

- число частиц в суспензии в момент времени ;

- количество частиц закрепившихся на пузырьке;

- количество частиц столкнувшихся с пузырьком.

Поскольку макулатурная масса используемых при флотации концентраций 1,0-1,5 % представляет из себя структурированную систему, представляющую для пузырька воздуха непреодолимую преграду, необходимо создать такие скорости потоков, при которых структурированное движение переходит в диспергированный поток. В аппаратах колонного типа это достигается установкой на дне аппарата мешальных устройств.

Исследованию распределения скорости жидкости в аппаратах с мешалками посвящено много теоретических и экспериментальных работ. Однако ввиду сложного характера течения жидкости в таких аппаратах, математическое описание распределения скоростей удалось получить только для некоторых простых случаев. Исследований работы мешальных устройств при облагораживании макулатурной массы во флотаторах обнаружить не удалось.

Величина насосного эффекта дает нам возможность организовать движение волокнистой суспензии по сечению флотатора таким образом, чтобы обеспечить движение ее в диспергированном режиме.

Имеющиеся в литературе рекомендации по определению мощности, потребляемой импеллерами флотаторов, сводятся к единственной формуле

, (16)

где - мощность на валу импеллера, Вт;

- опытный коэффициент;

- плотность массы, кг/м³;

- частота вращения импеллера, с^-1;

- диаметр лопаток импеллера, м.

Ячейка флотатора рассматривается как гидравлическая машина, обеспечивающая замкнутую циркуляцию волокнистой суспензии по меридиональной циркуляционной петле.

На рисунке 19 представлена принципиальная схема конструкции и кинематики движения потока в ячейке флотатора в меридиональной плоскости.

При работе флотатора импеллер можно уподобить центробежному насосу, сообщающему макулатурной массе энергию, которая заставляет ее двигаться по циркуляционной петле в условиях диспергирования волокон.



Рисунок - 19 Ячейка флотатора

Экспериментальное зондирование потока в ячейке флотатора позволило получить структуру скоростей в меридиональной плоскости флотатора. В сечениях , и представлены эпюры скоростей, характеризующие распределение потоков в экспериментальном флотаторе, а также его размеры.

Закономерности взаимодействия крупных и мелких частиц типографской краски с воздушными пузырьками.

Существующая технология роспуска макулатуры и отделения типографской краски от волокна не позволяет регулировать размеры частиц типографской краски. Поэтому разброс размеров частиц находится в диапазоне от 5 до 500 мкм. Несмотря на такой большой разброс частиц по размерам, в качестве теоретической основы флотации лежит процесс избирательного смачивания, т.е. формирование трехфазного периметра смачивания. Степень смачивания характеризуется величиной краевого угла (рисунок 20), который, в свою очередь, зависит от величины поверхностного натяжения на границе раздела фаз. Для облегчения процесса флотации взвешенные в воде частицы даже более тяжелые, чем вода, должны быть гидрофобизированы, чтобы как бы втягиваться в гидрофобный пузырек и всплывать с ним на поверхность.



Флотация протекает при любых положительных значениях и. Однако в практических условиях флотирующая сила, удерживающая частицы и равная , должна быть больше силы тяжести, т.е. веса частицы .

Это условие может быть выполнено всегда за счет уменьшения размеров частиц, поскольку сила тяжести убывает пропорционально кубу, а флотирующая сила - линейному размеру.

Равновесие между силами прилипания и силами отрыва частиц краски от пузырька воздуха характеризуется уравнением И. Уорка

, (17)

прилипание отрыв

где - радиус круга трехфазной границы, образовавшейся на поверхности одной из граней частицы; - поверхностное натяжение воды; - краевой угол смачивания; - радиус кривой меридионального сечения у контура прилипания; - объем частицы; - ускорение силы тяжести; - плотность частицы; - плотность воды; - ускорение движения системы пузырек - частица.

Существование верхней границы флотируемости определяется большим ростом сил отрыва по сравнению с силами прилипания.

Флотация крупных частиц (d > 20 мкм) называется контактной, т.к. между пузырьком и частицей осуществляется ближнее взаимодействие.

Для малых частиц (d < 20 мкм) наряду с контактной возможна флотация бесконтактная, при которой частица краски закрепляется и удерживается на пузырьке без образования периметра смачивания и краевого угла. Поскольку силы отрыва для частиц размером 100 мкм в 10⁶ раз больше, чем для частицы в 1 мкм, то и силы прилипания должны варьироваться в этих же пределах.

Малые частицы краски, размеры которых меньше 20 мкм, безинерционны; тепловая энергия таких частиц соизмерима с кинетической энергией, т.е. их массой можно пренебречь.

Определяющая роль поведения таких частиц отводится поверхностным явлениям, т.е. возникает возможность и целесообразность изучения формирования агрегата пузырек-частица с общих позиций современной коллоидной химии на основе учения о дальнодействующих поверхностных силах. Сила, действующая на частицы краски, равна

,

где - молекулярная, - электростатическая, - гидродинамическая компоненты прижимной силы.

Согласно теории ДЛФО между частицами дисперсной фазы действуют силы молекулярного притяжения

, (18)

где - размеры частиц;

- лондоновская длина волны;

- константа Гамакера,

 ;

- расстояние между взаимодействующими частицами;

и силы отталкивания, которые складываются из двух составляющих электростатической

, (19)

где -расстояние между частицами и пузырьком;

;

-диэлектрическая проницаемость среды;

- толщина диффузного слоя;

- заряды поверхностей частиц;

и структурной (или сольватационной) - .

Современная теория ДЛФО не позволяет количественно рассчитать структурную составляющую , поэтому анализ условий взаимодействия двух частиц возможен путем сопоставления двух величин - и . Баланс этих сил определяет результат встречи двух частиц дисперсной фазы, взаимодействие которых принято характеризовать с помощью потенциально-энергетических кривых - зависимостей суммарной энергии взаимодействия частиц от расстояния между ними

.

На рисунке 21 изображены зависимости суммарной энергии взаимодействия пузырек-частица от расстояния между ними в растворах ПАВ при различных потенциалах частиц краски размером 20 мкм и пузырька размером 200 мкм, рассчитанные на основании экспериментальных данных.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 21 - Зависимость суммарной энергии взаимодействия пузырек - частица от расстояния между ними при различных потенциалах частиц и пузырька

При наличии потенциально-энергетического барьера процесс флотации затруднен. При добавлении в систему электролита, энергетический барьер снижается, и, возникают условия для флотации.

Таким образом, флотацией малых частиц можно управлять, используя ионогенные ПАВ.

Факторы, влияющие на процесс флотации.

Эффективность извлечения типографской краски из макулатурной суспензии можно характеризовать косвенно через изменение степени белизны отливок из облагороженной массы и количества оставшихся частичек загрязнений путем их счета. В работе было исследовано влияние различных реагентов, изменения рН, поверхностного натяжения, -потенциала на эффективность флотации (рисунки 22 и 23). В таблице 3 представлены реагенты, применяемые при облагораживании, и места их применения.



Рисунок 22 - Влияние длины углеводородной цепи (А) и концентрации ПАВ (Б) на эффективность флотации

Таблица 3 - Основные реагенты процесса облагораживания

Реагенты	Место применения
Гидроксид натрия (NaOH) Силикат натрия (Na2SiO3) Комплексообразователь (DTPA) Перекись водорода (H2O2) Тензиды (сурфактан) Собиратели	Гидроразбиватель, отбелка Гидроразбиватель, отбелка Гидроразбиватель, отбелка Гидроразбиватель, отбелка Гидроразбиватель, флотация, промывка Гидроразбиватель, флотация
Химикаты для агломерации Хлорид кальция (CaCl2) Диспергирующие вещества Гипохлорит натрия (NaClO) Гидросульфит натрия (NaHSO3) Очистительные полимеры	Гидроразбиватель, очиститель Флотация Промывка, предподготовка Отбелка Отбелка Очистка

Экспериментами установлено, что наилучшие условия для флотации возникают при достижении поверхностно-активными веществами (ПАВ) критической концентрации мицелообразования (ККМ).



Рисунок 23 - Влияние NaOH, Na2SiO3, концентраций некоторых ПАВ на изменение белизны и «грязевой загруженности» на процесс флотации

Величину размеров пузырьков определяли с помощью устройства, изображенного на рисунке 24. Полученные результаты представлены диаграммой распределения пузырьков воздуха по размерам (рисунок 25).

Рисунок 24 - Прибор для определения размеров пузырьков воздуха



Рисунок 25 - Распределение пузырьков по размерам

, (20)

Прибор (рисунок 24) представляет собой зонд, состоящий из капилляра со входом в виде воронки. Конструкция воронки такова, что пузырьки воздуха, диаметр которых больше, чем диаметр капилляра, всасываются без разрушения.

Агломерация маленьких пузырьков, благодаря оптимальной геометрии воронки, также исключена.

При всасывании пузырьки воздуха проходят через капилляр в форме цилиндров разной длины. Измерение длины профиля в капилляре основано на различной преломляемости световых лучей при прохождении через воздух и соответственно через среду, содержащую пузырьки воздуха. Свет, входящий под углом 90 ⁰ к капилляру и затем выходящий из него, поступает по световым проводникам к фотодиоду и там преобразуется в электрический сигнал, который фиксируется считывающим устройством (компьютером).

Задав диаметр капилляра по полученным экспериментальным путем длинам пузырьков воздуха в капилляре, по формуле (20) рассчитывали диаметры пузырьков. В этой формуле - диаметр пузырька воздуха; - диаметр капилляра; - длина профиля пузырька в капилляре.

Отделение типографской краски от волокна.

Отрыв печатной краски от поверхности волокна является предпосылкой для разделения частиц типографской краски и волокна при флотации.

Наряду с механической энергией от вращающихся частей гидроразбивателя и термической энергией от повышения температуры воды, применяется большое количество реагентов, таких как гидроксид натрия, жидкое стекло, жирные кислоты, пероксид водорода и др. Механизм отделения типографской краски от волокна в отечественной литературе не описан. В зарубежной литературе единого мнения по этому вопросу пока не выработано. Поэтому в нашей работе предложен механизм отделения частиц типографской краски от волокна, основанный на реакции омыления связующих веществ краски, состоящих из различных смоляных кислот, гидроксидом натрия, диссоциации полученных солей на ионы и образования мицелл-флокул, способных взаимодействовать с пузырьками воздуха. Механизм отделения частиц типографской краски от волокна представлен на рисунке 26.

...