На современном этапе развития целлюлозно-бумажной промышленности использование макулатуры в качестве волокнистого сырья в производстве бумаги стабильно возрастает и становится повсеместным, однако возникает необходимость улучшения прочностных характеристик используемого материала [6].
В настоящее время макулатурная масса в значительных количествах или полностью заменила различные виды первичных полуфабрикатов в композиции бумаги-основы для гофрирования, бумаги санитарно-бытового назначения, писче-печатных видов бумаги, в т. ч. газетной. Некоторые виды бумажно-картонной продукции изготовляют из 100 % макулатурной массы: газетную, санитарно-бытовую и упаковочные виды бумаги и картона.
Процесс переработки макулатуры включает в себя следующие стадии: роспуск, очистку от посторонних примесей, дороспуск, тонкую очистку. Для получения высококачественной макулатурной массы используют процесс облагораживания, который состоит из совокупности операций диспергирования, удаления печатной краски и отбелки. Отбелка одна из важных операций технологического процесса переработки вторичного волокнистого сырья [8, 9].
Для отбелки макулатурной массы используются химические реагенты, обеспечивающие как сохранение лигнина: пероксид водорода (Н2О2), дитионит натрия (Na2S2O4), формамидин сульфиновой кислоты (FAS – formamidine sulfinic acid), так и удаляющие лигнин: гипохлорит натрия (NaClO), диоксид хлора (ClO2), кислород (О2), озон (О3).
Структуры лигнина и его хромофоры, имеющие сопряженные двойные углеродные связи, придают волокнам макулатурной массы желтый или темно-коричневый оттенок. При оптимальных условиях отбелки реагентами, сохраняющими лигнин, можно достичь белизны макулатурной массы до 84 %. Дальнейшее повышение белизны макулатурной массы затруднительно даже при увеличении расхода отбеливающих реагентов, поскольку их воздействию подвергаются только те хромофорные структуры, которые придают окрашивание волокнам. В этом случае необходимо использовать отбеливающие реагенты, удаляющие лигнин. Благодаря удалению лигнина волокно набухает более легко, и пластичность и гибкость волокна возрастает. С другой стороны происходят потери гемицеллюлоз, что приводит к снижению прочности целлюлозы [2, 4].
Целью данной работы было изучение влияния различных реагентов на прочностные характеристики макулатурной массы. В качестве отбеливающих реагентов были исследованы пероксид водорода и гипохлорит натрия. Помимо этого, в качестве вспомогательных реагентов использовали: силикат натрия, гидроксид натрия, сульфат магния. Отбелку вторичного волокна проводили при концентрации отбеливающих реагентов 30 %. После обработки реагентами полученную макулатурную массу подвергали флотации. В качестве флотационного реагента была использована олеиновая кислота.
При использовании отбеливающих реагентов, для перевода лигнина в раствор необходимо разрушить связи с гемицеллюлозами и другими компонентами древесины, осуществить глубокий щелочной гидролиз трехмерных молекул самого лигнина, т.е. ввести в его состав гидрофильные группы, облегчающие растворение фрагментов лигнина [1, 7].
К тому же щелочные химикаты разрушают и омыляют связующие вещества типографской краски, которая теряет свою вяжущую способность, и в результате создают предпосылки для эффективного перевода краски в волокнистую суспензию [10]. С этой целью в данной работе был использован гидроксид натрия.
Помимо этого в качестве вспомогательного реагента использовали силикат натрия, который является стабилизатором пероксида водорода и одновременно собирателем частиц типографской краски. А также вводили сульфат магния в качестве нейтрализующего реагента, подавляющего каталитическое действие ионов тяжелых металлов (железа, меди, марганца и др.).
Для отбелки с сохранением лигнина вводился пероксид водорода, а с целью его удаления – гипохлорит натрия.
Таблица 1
Физико-механические показатели образцов после отбелки
|
Образец |
Разрушающее усилие, Н |
Работа в пересчете на 1 м2, Дж/м2 |
Удлинение перед разрывом, мм |
Прочность при растяжении. КН/м |
Относительное удлинение перед разрывом, % |
Разрывная длина, км |
Работа разрыва, мДж |
Предел прочности в толщину, МПа |
|
Без отбеливающего реагента |
21,25 |
26,03 |
0,818 |
2,5926 |
3,13 |
0,580 |
7,61 |
1,52 |
|
H2O2; NaOH; Na2SiO3; MgSO4 |
16,67 |
22,27 |
0,706 |
1,6668 |
3,04 |
2,651 |
12,88 |
4,17 |
|
NaClO; NaOH; Na2SiO3 |
13,48 |
19,52 |
0,943 |
1,2752 |
3,77 |
0,395 |
4,99 |
1,78 |
|
H2O2; NaOH; Na2SiO3 |
39,78 |
64,43 |
0,844 |
3,9776 |
3,37 |
1,246 |
16,11 |
2,15 |
|
H2O2; Na2SiO3 |
13,31 |
17,10 |
0,843 |
2,6930 |
3,37 |
0,455 |
4,28 |
1,13 |
|
NaOH |
28,11 |
50,39 |
0,973 |
2,8110 |
3,37 |
0,471 |
12,60 |
1,76 |
|
NaClO |
9,16 |
22,59 |
3,262 |
0,9166 |
3,67 |
0,275 |
5,65 |
1,02 |
|
NaOH; H2O2 |
34,24 |
63,74 |
0,967 |
4,1745 |
3,87 |
1,133 |
15,94 |
2,28 |
|
NaClO; Na2SiO3 |
19,60 |
31,39 |
0,381 |
1,9603 |
3,44 |
0,566 |
7,85 |
1,45 |
|
NaClO; NaOH |
4,20 |
6,45 |
0,744 |
0,4200 |
2,97 |
0,228 |
1,61 |
0,31 |
|
H2O2 |
6,59 |
9,45 |
0,759 |
0,6586 |
3,04 |
0,174 |
2,36 |
0,57 |
Этерифицированные структурные фрагменты лигнина устойчивы к действию пероксида водорода в щелочной среде, за исключением структур коричного альдегида и других карбонилсодержащих структур. По этой причине деградация лигнина при делигнификации пероксидом водорода протекает не полностью. Основное количество пероксида водорода расходуется, на разрушение ароматических колец со свободными фенольными гидроксилами, незначительная часть реагента идет на разрушение хромофорных групп.
Поскольку пероксид водорода является мягким окислителем, существенной деструкции при отбелке не происходит, однако большое значение при этом имеют условия обработки, происходит деполимеризация лигнина и образование структур, растворимых в щелочи.
Окисление лигнина гипохлоритом в щелочной среде протекает по реакции типа «peeling» путем постепенного отщепления структурных фрагментов лигнина, содержащих свободные фенольные гидроксилы, с образованием органических кислот и укороченной молекулы с новым фенольным гидроксилом [3, 5].
Результаты эксперимента свидетельствуют о том, что наиболее эффективным отбеливающим действием обладает состав, включающий: пероксид водорода, гидроксид натрия, силикат натрия.
Анализ физико-механических показателей полученных образцов (табл. 1) свидетельствует о том, что наиболее прочными оказались образцы, полученные после обработки именно этим составом.
Таким образом, в результате проделанной работы установлено, что наиболее эффективным составом для отбелки вторичного волокна является пероксид водорода, гидроксид натрия, силикат натрия, использование которых приводит к получению наиболее прочных образцов.