Ресурсосберегающая технология переработки макулатуры. Часть 12

Отбелка макулатурной массы тесно связана с другими технологическими операциями процесса переработки макулатуры. Так, удаление частиц печатной краски путем промывки или флотации с применением отбелки характеризуется высоким синергетическим эффектом, в значительной степени повышающим белизну и чистоту волокнистого полуфабриката.

Наиболее эффективной является отбелка макулатурной массы, из которой удалена типографская краска, - DIP (deinked pulp). Для отбелки макулатурной массы используются химические реагенты, обеспечивающие сохранение лигнина: пероксид водорода (НО), дитионит натрия (NaSO), формамидин сульфиновой кислоты (FAS - formamidine sulfinic acid) - и удаляющие лигнин: гипохлорит натрия (NaClO), диоксид хлора (ClO), кислород (О), озон (О).

При отбелке макулатурной массы решаются две задачи. Одна из них - компенсация снижения белизны волокнистого полуфабриката, особенно содержащего механическую древесную массу (МДМ), вследствие естественного старения, воздействия температуры, света и некоторых химических реагентов. Второй задачей является обесцвечивание волокон макулатурной массы, полученной из цветной макулатуры.

Выбор отбеливающих реагентов, как и технологии отбелки, зависит от качества вторичного волокнистого сырья, особенностей технологии его переработки, а также требований к качеству макулатурной массы. Следует учитывать, что, в отличие от первичных, вторичные волокна имеют измененную морфологию: они в большей степени фибриллированы и содержат определенное количество обрывков волокон. Морфология волокон макулатурной массы оказывает значительное влияние на химические реакции отбелки. На эффективность отбелки влияет состав макулатурной массы, который весьма нестабилен, поскольку компоненты макулатурной массы имеют различные способности к отбелке.

Содержание лигнина в небеленой целлюлозе может составлять до 5%. Остаточный лигнин, присутствующий в волокнах, имеет коричневатый оттенок вследствие его конденсации при глубокой химической переработке древесины. Конденсированный лигнин имеет сопряженные структуры, многочисленные ароматические группы и двойные связи между атомами углерода, а также некоторое количество карбонильных групп.

Структуры лигнина и его хромофоры, имеющие сопряженные двойные углеродные связи, придают волокнам макулатурной массы желтый или темно-коричневый оттенок при длине волны 380-780 нм (рис. 1, таблицы и иллюстрации смотрите в PDF-версии журнала).

Способность целлюлозы к отбелке является функцией конденсации реакционноспособных групп лигнина, которые могут подвергаться окислению электрофильными реагентами, такими как кислород, диоксид хлора или газообразный хлор.

Отбелка макулатурной массы, состоящей преимущественно из волокон целлюлозы, производится при использовании делигнифицирующих химических реагентов, которые вступают во взаимодействие с различными хромофорными структурами волокнистого полуфабриката.

В отличие от целлюлозы волокна механической древесной массы содержат лигнин, который находится в несконденсированном состоянии и имеет нескольких хромофорных структур, придающих ему желтую окраску. Отбелку макулатурной массы с содержанием механической древесной массы обычно осуществляют способом, при котором не происходит удаление лигнина.

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.

При содержании в макулатурной массе более 15-20% волокон механической древесной массы использование отбеливающих реагентов, разрушающих лигнин, экономически нецелесообразно, так как при этом происходит снижение выхода волокнистого полуфабриката. Повышенное содержание волокон механической древесной массы оказывает существенное влияние на белизну макулатурной массы. Белизна макулатурной массы с содержанием волокон механической древесной массы до 50% изменяется незначительно при повышении белизны целлюлозы от 80 до 90% (рис. 2). Белизна макулатурной массы зависит от белизны волокон механической древесной массы, а наличие волокон беленой целлюлозы незначительно повышает белизну макулатурной массы с содержанием механической древесной массы.

Отбелка может осуществляться при разволокнении макулатуры, перемешивании массы на различных ступенях технологического процесса, диспергировании макулатурной массы и на отдельной ступени в отбельной башне. Поскольку макулатурная масса обычно содержит различные примеси, в том числе частицы печатной краски и липких загрязнений, красители, отбелка при разволокнении макулатурного сырья и при перемешивании массы до удаления посторонних включений неэффективна, так как отбеливающие реагенты расходуются на реакции с этими загрязнениями.

Разволокнение вторичного волокнистого сырья из офисной и книжно-журнальной макулатуры с содержанием механической древесной массы осуществляется, как правило, в щелочной среде, что обеспечивает эффективное отделение частиц печатной краски с поверхности волокон. Однако повышение величины рН приводит к снижению белизны, а именно, к пожелтению волокон механической древесной массы и увеличению показателя химического потребления кислорода (ХПК) производственной воды.

Регулирование величины рН в процессе переработки макулатуры имеет важное значение, с этой целью в технологической линии создаются отдельные контуры водопользования. Подача производственной воды противотоком осуществляется при помощи одной или нескольких систем циркуляции воды и отдельной системы водопользования на бумагоделательной машине.

Обесцвечивание волокон макулатурной массы с сохранением лигнина происходит за счет превращения цветных органических молекул в бесцветные при некотором разрушении органических веществ и их превращении в растворимые соединения. Окисление может обеспечить более эффективное обесцвечивание, чем восстановление. Пероксид водорода, дитионит натрия или FAS обесцвечивают главным образом карбонильные структуры, что ограничивает эффективность отбелки макулатурной массы. Образовавшиеся карбоновые кислоты частично растворяются в виде солей и поступают в контур производственной воды, что способствует повышению показателя ХПК.

Восстановительные реагенты не удаляют хиноидные структуры волокна, но изменяют структуру ароматических соединений так, что они могут окисляться кислородом. Восстановление в нейтральных условиях оказывает небольшое влияние на растворимость органических веществ, при этом в макулатурной массе остаются ортофенолы, которые под действием атмосферного кислорода или света могут окисляться. Результатом их окисления является повторное потемнение волокон макулатурной массы.

Системы отбелки макулатурной массы усложняются в связи с увеличением содержания в макулатурном сырье окрашенной бумаги, бумаги из небеленой целлюлозы или механической древесной массы. Современные установки облагораживания макулатурной массы из офисной макулатуры обычно включают две ступени отбелки: с использованием пероксида водорода на первой ступени и последующей отбелкой в восстановительной среде с использованием дитионита натрия или FAS на второй ступени.

В настоящее время газетная бумага в основном производится из 100% облагороженной макулатурной массы (ОММ), полученной из газетной и журнальной макулатуры. Опыт зарубежных предприятий показывает, что к облагороженной макулатурной массе не предъявляются требования высокой белизны, кроме удаления липких загрязнений.

Облагороженная макулатурная масса составляет значительную часть композиции суперкаландрированной (SC) и легкомелованной (LWC) бумаги. Данные виды бумаги требуют высокой степени белизны и чистоты волокнистого полуфабриката, что влечет понижение выхода облагороженной макулатурной массы и повышение удельного расхода энергии (УРЭ). Отбелку макулатурной массы, как правило, проводят сначала в щелочной среде, затем - в нейтральной.

Современная трехконтурная технологическая схема переработки смеси журнальной и газетной макулатуры в соотношении 1:1 позволяет получить облагороженную макулатурную массу белизной 58-60%, при оптимизации отбелки достигается повышение белизны волокнистого полуфабриката до 64%.

При флотации и промывке из макулатурной массы удаляются частицы зольных элементов и мелких волокон, потемневшие за счет адсорбции компонентов печатной краски. Дополнительная промывка повышает белизну облагороженной макулатурной массы на 4-5% при потере 10-15% волокна и зольных элементов. Повышение белизны облагороженной макулатурной массы до 68-72%, необходимое для производства LWC и SC, сопровождается потерей более 30% зольных элементов и мелкого волокна.

Изменение белизны макулатурной массы в процессе переработки макулатуры представлено на рис. 3. Значительная часть частиц печатной краски удаляется из макулатурной массы на первой ступени флотации. Оставшиеся частицы печатной краски, прочно прикрепленные к волокнам, отделяются от них при диспергировании макулатурной массы с последующим удалением на второй ступени флотации.

Снижение белизны макулатурной массы при диспергировании происходит вследствие равномерного распределения частиц печатной краски и сгустков загрязнений и компенсируется при отбелке окислительными реагентами.

Смешивание отбеливающих и вспомогательных химических реагентов с макулатурной массой может производиться в узле диспергирования. Пероксид водорода добавляют в макулатурную массу непосредственно перед диспергатором. Отбелка макулатурной массы осуществляется в башне отбелки при высокой температуре и концентрации. Значительное повышение белизны макулатурной массы происходит после второй ступени флотации.

Завершающей ступенью второго контура водопользования является промывка макулатурной массы с отделением фильтрата, содержащего остаточное количество отбеливающих реагентов. Вторая ступень отбелки осуществляется с использованием FAS или дитионита натрия, при этом необходимо исключить присутствие воздуха и остаточного количества пероксида водорода в макулатурной массе.

Дополнительным преимуществом применения трехконтурной системы водопользования в процессе переработки макулатуры является возможность использования комбинированной отбелки с применением дитионита натрия и пероксида водорода, так как при диспергировании макулатурной массы происходит разрушение катализаторов разложения отбеливающих реагентов. Эффективность отбелки макулатурной массы восстановительным реагентом в контуре-2 в меньшей степени зависит от присутствия 3d-элементов (катионов тяжелых металлов), чем при использовании пероксида водорода.

Отбелка пероксидом водорода производится в контуре-3 при оптимальных условиях: высокая степень чистоты макулатурной массы и использование очищенной технологической воды без содержания катионов тяжелых металлов. В этих условиях не происходит разложения пероксида водорода. Кроме того, обработка пероксидом водорода способствует обеззараживанию макулатурной массы и предотвращает размножение бактерий при ее хранении.

Фирма Metso Paper является мировым лидером в разработке технологии отбелки волокнистых полуфабрикатов, включая такие экологически безопасные методы отбелки, как отбелку без элементарного хлора (ECF - elementary chlorine free) и отбелку без хлорсодержащих реагентов (TCF - total chlorine free). Для переработки макулатурной массы из офисной макулатуры фирма разработала двухступенчатую схему, основанную на высокотемпературной отбелке пероксидом водорода (РНТ), - OptiBrightTM Process (рис. 4).

Двухступенчатая отбелка осуществляется при средней концентрации после диспергирования макулатурной массы. На первой ступени отбелки используется пероксид водорода (Р), который подается в смеситель перед башней отбелки. Вторая ступень отбелки производится с использованием дитионита натрия (D) или FAS. Между ступенями отбелки осуществляется дополнительная флотация макулатурной массы. Применение OptiBrightTM Process позволяет получить вторичный волокнистый полуфабрикат с белизной 85-87%.

Отбелка макулатурной массы - технически сложная и дорогостоящая операция, что обусловлено приобретением дополнительного оборудования и отбеливающих реагентов, необходимостью создания инфраструктуры для хранения, подготовки и дозирования химических реагентов, значительным повышением загрязненности производственной воды, затратами на ее очистку, а также дополнительными расходами на обучение персонала. При совершенствовании технологии переработки макулатуры необходимо рассматривать применение отбелки для повышения белизны макулатурной массы. Однако для малых предприятий, производственная мощность которых не превышает 100 тонн/сутки, применение отбелки макулатурной массы является экономически нецелесообразным.

Ольга КОВАЛЕВА