Ресурсосберегающая технология переработки макулатуры. Часть 11

Удаление печатной краски методом флотации

Продолжение. Начало в № 3, 5–8, 2006 г., № 1, 3–6, 2007 г.

Эта часть посвящена вопросам флотационной очистки волокнистой суспензии, полученной из макулатуры. Мы уже затрагивали эту тему в восьмой части статьи, опубликованной в № 4, 2007 год. Сейчас мы хотели бы несколько её расширить. С уходом из жизни профессора Сергея Пузырева эстафету публикаций на данную тему продолжает его коллега и соавтор книги «Переработка вторичного волокнистого сырья» доцент кафедры целлюлозно-бумажного производства Санкт-Петербургской государственной лесотехнической академии, кандидат технических наук Ольга Ковалева.

Флотационные аппараты для очистки производственной воды эффективно используются на целлюлозно-бумажных предприятиях России. Однако на предприятиях Европы, перерабатывающих макулатуру, данная технологическая операция с успехом применяется для удаления частиц печатной краски и сгустков загрязнений из макулатурной массы. Включение флотации в технологическую схему переработки макулатуры особенно необходимо в случае подготовки макулатурной массы, предназначенной для изготовления санитарно-бытовых видов бумаги, к чистоте которых предъявляются особые требования. Поскольку в последние годы в России производство туалетной бумаги из макулатуры быстро развивается, то вопросы флотационной очистки являются достаточно актуальными для данных предприятий. Другим способом удаления частиц печатной краски является промывка волокнистой суспензии, аспектам которой будет посвящена статья в следующих номерах журнала.

Основным принципом флотации является введение в волокнистую суспензию пузырьков воздуха, к которым присоединяются частицы печатной краски. Пена, образующаяся в результате аэрации волокнистой суспензии пузырьками воздуха, поднимается к её поверхности и удаляется специальными приспособлениями в верхней части флотационной камеры.

Компонентный состав макулатурного сырья определяет белизну вторичного волокнистого полуфабриката. Повышение белизны макулатурной массы из мелованной и немелованной макулатуры без содержания МДМ после флотации составляет 17–22%, из макулатуры с содержанием МДМ − 8%. Поскольку лигнин взаимодействует с компонентами печатной краски, частицы печатной краски более интенсивно прикрепляются к волокнам МДМ. При этом образуется большое количество частиц печатной краски диаметром менее 30мкм, что приводит к значительному снижению эффективности флотации.

Критерием флотации является различие в смачиваемости поверхности гидрофобных частиц, таких как частицы печатной краски, меловальных покрытий, наполнителей, липких загрязнений и волокон суспензии. Чем выше гидрофобность частиц примесей, тем лучше происходит их прикрепление к пузырькам воздуха и тем устойчивее пена. Для повышения стабильности пены применяются флотационные реагенты − флотореагенты: эмульсии неионогенных поверхностно-активных веществ (ПАВ) (акриловые эфиры оксида полиэтилена), модифицированные жирные кислоты и другие. При этом происходит агломерация небольших частиц печатной краски и частично изменяется природа частиц наполнителей, вследствие чего они приобретают способность прикрепляться к пузырькам воздуха.

Флотация способствует повышению белизны и чистоты макулатурной массы вследствие удаления частиц печатной краски и сгустков загрязнений, которые представляют собой агломераты коллоидных частиц, видимых невооруженным глазом. Частичное удаление зольных элементов − частиц наполнителей и меловальных покрытий, а также липких загрязнений из макулатурной массы при флотации происходит с различной эффективностью, так как размер и поверхностные свойства их частиц не всегда соответствуют оптимальным условиям данной операции. При удалении печатной краски методом флотации обеспечивается эффективное удаление частиц размером от 10 до 250мкм при сохранении обрывков волокон и частиц наполнителей. В некоторых случаях удается обеспечить удаление частиц размером до 500мкм.

Размеры частиц печатной краски в суспензии: сажа и пигменты − 0,02–0,1мкм, агломераты флексографской краски − 1–5мкм, офсетной − 100мкм. Размер агломератов окисленной печатной краски, которые прочно скреплены с волокнами, может достигать 500мкм и более. Для повышения эффективности флотации необходимо обеспечить уменьшение размеров крупных частиц, а частицы небольших размеров должны быть укрупнены. Плоские гидрофобные частицы труднее подвергаются флотации, чем частицы кубической формы того же объема.

На большинстве предприятий технологические линии подготовки макулатурной массы для производства газетной бумаги включают две ступени флотации: предварительную флотацию и постфлотацию. Термины «предварительная флотация» и «постфлотация» определяют место этих ступеней по отношению к диспергированию, и между ними существует значительная разница.

На ступени предварительной флотации удаляется до 90% частиц печатной краски, что повышает белизну суспензии на 6–12% в зависимости от состава макулатурного сырья. Вторая ступень флотации применяется для повышения чистоты волокнистого полуфабриката, повышение белизны не превышает 2%. Постфлотация осуществляется без использования химических реагентов, что позволяет удалить из волокнистой суспензии остаточное количество химических реагентов, таких как ПАВ.

На предприятиях по переработке макулатуры изготовляют бумагу при нейтральном значении величины рН, поэтому предварительная флотация осуществляется при величине рН 7,5–9,5, а постфлотация − при величине рН 6,0–7,5. При изменении величины рН происходит агломерация частиц органических веществ, агломераты которых могут быть удалены на ступени постфлотации макулатурной массы.

Частицы липких загрязнений также обладают гидрофобностью, поэтому их удаление тоже возможно при флотации макулатурной массы. Поскольку постфлотация следует за диспергированием, то на этой ступени удаляются микрочастицы липких загрязнений. Удаление оставшихся микрочастиц липких загрязнений возможно при последующей промывке макулатурной массы.

Эффективность флотации зависит от концентрации волокнистой суспензии, размера гидрофобных частиц, отделенных от волокна, объема подаваемого воздуха, размера пузырьков, скорости их перемещения в суспензии, а также от вида и свойств флотореагента. Образование пузырьков осуществляется различными способами. При подаче воздуха в суспензию через проницаемые тела, такие как перфорированный листовой материал или пористая керамика, размер пузырьков воздуха зависит от поверхностного натяжения суспензии, размера отверстий для подачи воздуха и объема подаваемого воздуха. Другим способом образования пузырьков воздуха является применение специального смесителя. Размеры пузырьков воздуха зависят от типа смесителя и приложенной энергии смешения, а также от концентрации массы и вида флотореагента.

Скорость подъема пузырьков воздуха диаметром 1мм в воде составляет 0,2 м/с. При увеличении диаметра пузырьков воздуха до 2мм скорость их движения возрастает до 0,3 м/с. Интенсивная аэрация суспензии вызывает образование скоплений − кластеров пузырьков воздуха, которые переносят значительно больше гидрофобных частиц суспензии по сравнению с обычными пузырьками воздуха. Однако при этом происходит интенсивная циркуляция суспензии, что противоречит оптимальным условиям флотации и нарушает стабильность пены.

Отдельные пузырьки воздуха при контакте друг с другом в одном кластере могут образовывать более крупные пузырьки. При высокой концентрации массы и длинной траектории движения пузырьков это приводит к формированию канала, по которому быстро удаляется воздух, что снижает эффективность флотации. Статические или динамические смесители обеспечивают тесный контакт между пузырьками воздуха и гидрофобными частицами при уменьшении траектории подъема пузырьков воздуха к поверхности суспензии. Эффективность флотации в значительной степени определяется жесткостью воды, поскольку присутствие ионов кальция способствует прочному прикреплению частиц к пузырькам воздуха.

Эффективность удаления печатной краски методом флотации суспензии из газетной макулатуры с флексографической печатью зависит от величины рН: более высокие значения белизны макулатурной массы достигаются при величине рН 5,5–7. При использовании двухступенчатой флотации возможно повышение белизны полуфабриката до 55%. Химические реагенты обычно подаются в гидроразбиватель, и предварительная флотация производится в кислой среде. После сгущения и отбелки макулатурной массы пероксидом водорода осуществляется постфлотация в щелочной среде.

Эффективность удаления флексографской печатной краски при флотации можно повысить при использовании ПАВ. В щелочной среде гидрофильные отрицательно заряженные частицы печатной краски не могут прикрепиться к пузырькам воздуха. В зависимости от величины рН применяются анионные, неионогенные или катионные ПАВ. Использование катионных ПАВ при величине рН 7–9 позволяет повысить белизну макулатурной массы на 8–9%, при величине рН 5 применяются анионные и неионогенные ПАВ − прирост белизны волокнистого полуфабриката составляет 6%.

Оптимальные результаты флотации макулатурной массы зависят от избирательности удаления твердых веществ. Твердые вещества, удаляемые при флотации, такие как частицы печатной краски и зольных элементов, а также мелкие волокна присутствуют в пене − флотошламе. Количество флотошлама составляет 1,5–3,0%. Основная доля твердых веществ флотошлама − частицы печатной краски, их содержание в суспензии из газетной макулатуры составляет 1,5%, из журнальной макулатуры − до 5%, а из макулатуры с бесконтактными методами печати − до 6%.

Важным аспектом переработки журнальной макулатуры является удаление зольных элементов. Доля журнальной макулатуры в смеси с газетной обычно составляет 30–50%. Широко распространенное мнение о повышении эффективности флотации при наличии журнальной макулатуры в исходном сырье не подтверждается. Кроме наполнителей в журнальной макулатуре содержатся различные компоненты печатной краски и связующие меловальной пасты, многие из которых являются ПАВ и влияют на свойства поверхности частиц печатной краски.

Одним из существенных недостатков современной технологии удаления печатной краски является низкий выход волокна при флотации макулатурной массы. Содержание частиц печатной краски в суспензии в среднем составляет 2%. Потери мелкого волокна и зольных элементов на предварительной флотации могут достигать 5–20%, что приводит к образованию значительного объема флотошлама, подлежащего утилизации.

Флотошлам от обработки образцов макулатурной массы содержит незначительное количество длинных и средних волокон, а общее содержание волокна в флотошламе не превышает 11%. Значительная часть флотошлама представлена зольными элементами − 60–65% − и смесью мелкого волокна с частицами печатной краски − 30%.

Мелкие волокна с неотделенными частицами печатной краски при флотации всплывают более интенсивно, чем волокна без печатной краски, поэтому сокращение потерь волокна зависит от эффективности отделения частиц печатной краски. Однако сохранение мелких волокон снижает белизну волокнистого полуфабриката, поскольку их развитая поверхность адсорбирует частицы печатной краски. Сокращение потерь твердых веществ при флотации требует более полного отделения частиц печатной краски и зольных элементов от мелких волокон при разволокнении макулатуры и диспергировании макулатурной массы.

Эффективность флотации зависит от состава суспензии, поступающей во флотационную камеру. При повышенном содержании волокон МДМ и зольных элементов белизна макулатурной массы может снижаться по истечении определенной продолжительности флотации. После удаления основного количества частиц печатной краски продолжается удаление частиц зольных элементов, вследствие чего белизна суспензии понижается.

Потери твердых веществ можно уменьшить при использовании вторичной флотации флотошлама. Дополнительная обработка флотошлама позволяет повысить выход вторичного волокнистого полуфабриката. Вторичная флотация осуществляется при более низкой концентрации массы, так как в флотошламе содержится незначительное количество волокон. Перед обработкой производится деаэрация флотошлама в циклоне. В настоящее время существуют различные конструкции флотационных установок, включающие систему аэрации суспензии с помощью проницаемых элементов или статических и динамических смесителей. Флотационные установки отличаются способом подачи воздуха, количеством флотационных ячеек и узлов аэрации, наличием устройств для вторичной флотации шлама.

Условия эксплуатации флотационной камеры: концентрация массы − 0,8–1,5%, температура − 40–70°С, величина рН − 7–9. Отношение объемного расхода воздуха к объемному расходу волокнистой суспензии составляет 300%, иногда до 1000%.

Флотационная камера типа EcoCell фирмы Voith выполнена в виде эллиптической трубы с отдельными ячейками, оснащена инжектором типа CF со ступенчатым диффузором, имеет вторичную ступень флотации для уменьшения потерь волокна (рис. 1). Данная флотационная камера имеет следующие особенности: эффективное удаление частиц диаметром 5–500мкм, липких загрязнений, наполнителей; возможность эксплуатации в широком диапазоне нагрузок; эффективное удаление зольных элементов благодаря двухступенчатой конструкции.

Аэрационное устройство аппарата представляет собой многоступенчатый микротурбулентный генератор, состоящий из пластины с соплами, напорного ящика со ступенчатыми диффузорами, смесителя и распределительного диффузора. В пластине с соплами поток суспензии подвергается ускорению, благодаря чему создается вакуум; образуются микротурбулентные зоны с большим количеством пузырьков воздуха различных размеров. Глубина погружения аэрационного устройства невелика, поэтому продолжительность подъема пузырьков на поверхность суспензии незначительна.

Удаление частиц печатной краски связано с неизбежными потерями волокна, которые зависят от степени удаления зольных элементов. Обычно снижение зольных элементов на 50% сопровождается общими потерями твердых веществ на 16%. Потери мелких волокон составляют до 3–4%.

Флотационная камера типа SelectаFlotTM фирмы Andritz имеет две ступени в одном аппарате (рис. 2). Мультиинжектор обеспечивает оптимальное распределение пузырьков воздуха в суспензии. Удаление частиц печатной краски и анионных примесей осуществляется при минимальной потере волокна. Удельный расход энергии (УРЭ) флотационной камеры типа SelectаFlotTM на 20% ниже, чем в аналогичных аппаратах за счет оптимальной аэрации массы по всему объему камеры. Производительность камеры составляет от 20 до 1200 т/сут.

Флотационная камера типа SelectаFlot оснащена простой системой управления узлом аэрации, удобна для осмотра и технического обслуживания, что позволяет сократить расходы на её эксплуатацию.

Флотационная камера типа OptiBright фирмы Metso Paper имеет несколько ячеек (рис. 3).

Преимуществами аппарата являются низкий УРЭ и расход свежей воды, многоступенчатая обработка суспензии и флотошлама.

Принцип действия флотационной камеры типа OptiBright основан на разности плотности массы в различных отделениях ячейки камеры − аэрационном (суспензия с воздухом) и сепарационном (суспензия), за счет которой происходит движение массы без помощи насоса. Поступив в ячейку, масса попадает в сепарационную зону и движется вниз в зону аэрации, в которую вводится воздух с помощью ротора специальной конструкции. Гидрофобные частицы прикрепляются к пузырькам воздуха в зоне высокой турбулентности вокруг ротора и увлекаются ими в верхнюю часть ячейки. Далее поток массы направляется в сепарационную зону следующей ячейки и вновь движется по спиральной траектории.

Преимущества данной флотационной камеры заключаются в возможности регулирования параметров флотации: отношение объемов воздуха и волокнистой суспензии, средний диаметр пузырьков воздуха, прирост белизны ММ, эффективность удаления зольных элементов при сохранении волокна. Эксплуатационные характеристики камеры типа OptiBright: производительность одной ячейки − 7000–8000 л/мин, концентрация массы − 1,0–1,2%, содержание зольных элементов на входе − 16–18%, степень удаления зольных элементов -30–50%, температура − 45°С, повышение белизны − на 10–12 единиц.

Таким образом, флотация является необходимой операцией современных технологических линий по переработке макулатурного сырья, используемого при производстве писчепечатных и санитарно-бытовых видов бумаги. Однако на предприятиях России и стран СНГ данная операция практически не используется, что связано с ограниченным применением макулатурной массы в композиции писче-печатных видов бумаги, финансовыми затратами на закупку оборудования и флотореагентов.