авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 | 4 |

Облагораживание макулатуры в производстве бумаги

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Агеев Максим Аркадьевич

ОБЛАГОРАЖИВАНИЕ МАКУЛАТУРЫ

В ПРОИЗВОДСТВЕ БУМАГИ

05.21.03 – технология и оборудование химической переработки

биомассы дерева; химия древесины

Автореферат диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

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-обоснованно проводить расчеты флотации типографской краски и рационально проектировать оборудование.

Традиционное рассмотрение процесса флотации, в котором основное внимание уделяется физико-химическим основам формирования агрегата пузырек-частица, недостаточно для решения проблемы флотации типографской краски. Флотационная система волокно–частица краски–пузырек характеризуется довольно сложной гидродинамикой, которая совершенно не разработана. Все найденные нами работы рассматривают движение газового пузырька в дисперсной среде, подчиняющейся ньютоновскому реологическому закону, в то время как волокнистая суспензия обладает особыми реологическими свойствами. Она может находиться в двух состояниях: структурированном и диспергированном в зависимости от приложенных градиентов скоростей, концентраций, компонентного состава, степени разработанности волокна и т.д. и поэтому требует критического отношения к возможности использования сведений из гидродинамики чистой воды для расчета гидравлического режима процесса флотации типографской краски.

Таким образом, задача разработки технологии флотационного облагораживания макулатуры с целью использования ее для производства газетной и других печатных и упаковочных видов бумаги, разработка методики расчета флотации малых (безынерционных) частиц, а также гидродинамики процесса является актуальной и важной.

Изложенные в диссертации результаты получены в ходе выполнения работ по Федеральной целевой научно-технической программе «Исследования и разработка по приоритетным направлениям развития науки и техники гражданского назначения», подпрограмма «Комплексное использование древесного сырья», направление 02 – новые экологически чистые технологии, при выполнении проекта №980/6 по инновационной подпрограмме «Биологические системы, биотехнологические процессы и переработка растительного сырья, в ходе выполнения гранта для молодых ученых в области гуманитарных, естественных и технических наук (приказ Госкомвуза РФ №856 от 08.05.97 г., и во время полугодовой командировки в институт бумаги при техническом университете в г. Дармштадт (Германия) под руководством проф. Л. Гетчинга.

На основании изложенного вытекают цели и задачи работы:

Цель работы: разработать теоретические основы процесса облагораживания макулатуры с внедрением результатов работы в производство.

Задачи исследования:

  • Определить причины снижения бумагообразующих свойств вторичных волокон при многократном их использовании с учетом реологических характеристик, понятия «необратимого ороговения». Теоретически и экспериментально обосновать возможность их улучшения.
  • Обосновать гидродинамический режим процесса флотации, используя достижения отечественной школы гидродинамики волокнистых суспензий (О.А.Терентьев, И.Д.Кугушев и др.). Теоретически и экспериментально обосновать гидродинамический режим в ячейке флотатора.
  • Выявить закономерности акта взаимодействия малая частица-пузырек, оценить наиболее существенные факторы, влияющие на процесс флотации.
  • Предложить механизм отделения типографской краски от макулатурного волокна.
  • Практически реализовать результаты облагораживания макулатуры. Разработать рациональную технологическую схему облагораживания.

Научная новизна.

  • Расширены представления о причинах «необратимого ороговения», как следствия действия усадочных напряжений и образования низкомолекулярных монолитных пленок, и установлены возможности улучшения бумагообразующих свойств путем дополнительной технологической обработки.
  • Впервые применена теория растворов полимеров Флори и Хаггинса для объяснения улучшения бумагообразующих свойств макулатуры при ее дополнительной обработке горячим низкоконцентрированным водным раствором щелочи.
  • Показана полезность использования реологической модели поведения бумажного полотна в процессах высыхания-увлажнения с учетом представления о структурном стекловании.
  • Впервые рассмотрено движение пузырька воздуха в диспергированном потоке волокнистой суспензии низкой концентрации, и получены решения распределения скоростей и давлений.
  • Разработана модель флотации типографской краски, включающая набор дифференциальных уравнений в частных производных, хорошо согласующаяся с экспериментальными результатами.
  • Предложен механизм отделения типографской краски от волокон, основанный на реакции омыления жирных кислот, входящих в состав связующего краски.

Практическая значимость.

  • Предложена рациональная технологическая схема процесса облагораживания макулатуры, обеспечивающая реализацию принципа recycling.
  • Предложен метод расчета элементарного акта взаимодействия пузырек-частица на основе теории ДЛФО.
  • Предложен метод расчета гидродинамического режима ячейки флотатора, обеспечивающего максимальную производительность по извлекаемой краске.
  • Разработаны методы и приборы для автоматического измерения размеров пузырьков и частичек краски.
  • Показаны экологические и экономические преимущества использования облагороженной макулатуры.
  • Основные научные положения и практические решения нашли конкретное воплощение в учебном процессе при организации учебно-исследовательской и научной работы студентов, курсовом и дипломном проектировании, курсах лекций и издании методических пособий для студентов специальности 240406 Технология химической переработки древесины.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на ежегодных научно-практических конференциях: «Вклад ученых и специалистов в развитие химико-лесного комплекса» (г.Екатеринбург, УГЛТА 1997-1999 гг.); Восьмой международной конференции молодых ученых «Синтез, исследование свойств, модификация и переработка высокомолекулярных соединений» (г. Казань, 1996 г.); Первой региональной конференции «Роль инноваций в экономике Уральского региона» (г. Екатеринбург, 1998 г.); Международных научно-технических конференциях «Техноген» (г. Екатеринбург, 1997, 1998 гг.); Научно-техническом семинаре «Экологические проблемы промышленных регионов» (г. Екатеринбург, 1998 г.); Девятой Всероссийской студенческой научной конференции «Проблемы теоретической и экспериментальной химии» (г. Екатеринбург, УрГУ, 1999 г.); Международном симпозиуме «Техника и технология экологически чистых химических производств» (г. Москва, кафедра ЮНЕСКО Московской государственной академии химического машиностроения, 1997 г.), Международном симпозиуме Zellcheming-Expo-98, (Baden-Baden, Германия, 1998 г.), Международном научном симпозиуме студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь и наука – третье тысячелетие (г. Москва, 1996 г.), V-ой Молодежной научной школе – конференции по органической химии (г. Екатеринбург, 2002 г.), II-ой Международной научно-практической конференции «Экология: образование, наука, промышленность и здоровье» (г. Белгород, 2004 г.), Всероссийской научно-практической конференции и выставке студентов, аспирантов и молодых ученых «Энерго и ресурсосбережение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии УГТУ-УПИ (г. Екатеринбург, 2004 г.)

Достоверность результатов предопределяется корректностью физических, физико-химических, химических методов исследования и анализа, используемых в целлюлозно-бумажной промышленности, коллоидной химии, механике дисперсных систем, а также международных стандартных методах исследований флотационного облагораживания макулатуры, разработанных союзом производителей бумаги (PTS).

На защиту выносятся:

  • Теоретическое и практическое обоснование регулирования бумагообразующих свойств волокон макулатуры.
  • Методы расчета элементарного акта флотации малых частиц типографской краски и гидродинамического режима ячейки флотатора.
  • Аналитическая модель флотации типографской краски, включающая набор дифференциальных уравнений в частных производных.
  • Механизм отделения типографской краски от волокна.
  • Рациональная технология процесса облаграживания макулатуры.
  • Экономическая и экологическая оценка использования облагороженной макулатуры.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 423 страницах машинописного текста, содержит 25 таблиц, 116 рисунков. Список цитируемой литературы включает 237 наименований. В приложении представлены экономические расчеты, акты опытно-промышленных выработок, акты о внедрении НИР в учебный процесс.

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

А Б

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.

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

Рисунок 5 – Влияние степени набухания волокна на разрывную длину

набухания оказывает существенное влияние на бумагообразующие свойства бумаги и что между набуханием волокна и разрывной длиной существует пропорциональная зависимость.

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.

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.

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.



Pages:   || 2 | 3 | 4 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.