Ресурсосберегающая технология переработки макулатуры. Часть 13

Обесцвечивание волокон макулатурной массы (ММ) с сохранением лигнина происходит за счет превращения цветных органических молекул в бесцветные. Пероксид водорода, дитионит натрия или формамидин сульфоновой кислоты (FAS) обесцвечивают главным образом карбонильные структуры. Образовавшиеся карбоновые кислоты частично растворяются в виде солей и поступают в контур производственной воды, что способствует повышению показателя химического потребления кислорода (ХПК).

Отбелка пероксидом водорода применяется для повышения белизны макулатурной массы после удаления из нее частиц печатной краски. Реакции, происходящие при отбелке макулатурной массы пероксидом водорода, представлены на рис. 1 (Таблицы и иллюстрации смотрите в PDF-версии журнала).

На эффективность отбелки макулатурной массы пероксидом водорода влияет расход гидроксида натрия (рис. 2). При малом расходе гидроксида натрия отбеливающий раствор пероксида водорода недостаточно активирован, при избыточном - белизна макулатурной массы может снизиться вследствие усиления реакции гидроксида натрия с лигнином.

Повышение расхода пероксида водорода обеспечивает прирост белизны макулатурной массы, при этом увеличение расхода НОот 1,5 до 3,0 % требует повышения расхода NaOH на 0,2 %. Следует учитывать, что при отбелке макулатурной массы, содержащей волокна механической древесной массы (МДМ), повышение расхода гидроксида натрия приводит к увеличению значения ХПК производственной воды, а также к усилению растворимости окисленного лигнина и гемицеллюлоз. Наиболее эффективна отбелка макулатурной массы при расходе пероксида водорода менее 1,5 %.

Наличие в волокнистой суспензии ионов тяжелых металлов обуславливает разложение пероксида водорода. Эффективным стабилизатором пероксида водорода является раствор силиката натрия, добавка которого повышает эффективность последующей флотации макулатурной массы для удаления частиц печатной краски (рис. 3).

Побочным эффектом применения силиката натрия является возможное образование отложений на оборудовании, а также снижение эффективности вспомогательных химических реагентов, добавляемых в бумажную массу. Поэтому расход силиката натрия следует ограничить до 2-3 %.

Эффективность отбелки пероксидом водорода зависит от концентрации макулатурной массы: при ее увеличении белизна макулатурной массы повышается за счет высокой концентрации отбеливающего раствора.

Для осуществления химических реакций необходимы определенная температура и продолжительность технологической операции для образования продуктов реакции. При повышении температуры могут происходить нежелательные реакции пожелтения макулатурной массы или разложения пероксида водорода. При использовании низкой температуры следует увеличить продолжительность отбелки. Оптимальная температура отбелки - 40-70 °С.

Отбелка макулатурной массы пероксидом водорода осуществляется на различных этапах технологического процесса переработки вторичного волокнистого сырья. Поскольку условия разволокнения - низкие температуры и концентрация массы, непродолжительная обработка макулатурного сырья - не являются оптимальными для отбелки, следствием этого является увеличение расхода пероксида водорода и вспомогательных реагентов. Кроме того, присутствие различных примесей приводит к разложению раствора пероксида водорода.

Диспергирование макулатурной массы при концентрации 25-30 % и температуре 60-95 °С сопровождается некоторым снижением белизны волокнистого полуфабриката за счет измельчения частиц печатной краски и их адсорбции на волокнах (рис. 4). Отбелка макулатурной массы после удаления печатной краски (DIP) при диспергировании предотвращает потемнение макулатурной массы. После диспергирования обычно осуществляют удаление оставшихся частиц печатной краски из макулатурной массы.

Оптимальные условия отбелки макулатурной массы пероксидом водорода: температура - 40-70 °С; продолжительность - 1-3 ч; концентрация массы - 15-40 %; величина рН - 10-11; расход отбеливающего реагента - 2-3 % к а. с. в. В качестве вспомогательных реагентов используются NaOH, NaSiO, MgSO и комплексообразователи DPTA или EDTA.

В технической литературе дитионит натрия часто неправильно называют гидросульфитом натрия, в то же время он является солью дитионистой кислоты (HS2O).

По сравнению с пероксидом водорода дитиониты характеризуются более высокой скоростью реакции: продолжительность отбелки макулатурной массы составляет 10-15 мин. При отбелке дитионитом натрия макулатурная масса с содержанием механической древесной массы происходит обесцвечивание хромофорных групп лигнина путем их восстановления без снижения выхода волокнистого полуфабриката. При этом растворяются лишь восстановленные вещества, что обеспечивает низкие значения ХПК производственной воды. Однако продукты восстановления нестабильны и вновь превращаются в исходные соединения. Использование комплексообразователей позволяет предотвратить это явление и избежать пожелтения волокон механической древесной массы.

На эффективность отбелки макулатурной массы положительное влияние оказывает повышение температуры. Отбелка макулатурной массы дитионитом натрия осуществляется при температуре 35-95 °С (рис. 5).

Повышение температуры отбелки макулатурной массы требует увеличения расхода дитионита натрия. При расходе отбеливающего реагента менее 1 % и температуре 40-80 °С белизна макулатурной массы изменяется в меньшей степени по сравнению с отбелкой при расходе дитионита натрия более 2 % (рис. 6). Поскольку при температуре 95 °С и продолжительности 60 мин результаты отбелки ухудшаются вследствие пожелтения волокна, продолжительность отбелки следует сократить до 10-20 мин.

Продолжительность отбелки макулатурной массы дитионитом натрия зависит от его расхода и температуры. Чем выше температура и расход отбеливающего реагента, тем меньше продолжительность отбелки для достижения оптимальной белизны макулатурной массы. При оптимальной температуре отбелки максимальное повышение белизны макулатурной массы достигается за 20-40 мин.

Величина рН также оказывает влияние на результаты отбелки. При расходе дитионита натрия 1 %, в зависимости от температуры отбелки, оптимальные результаты могут быть достигнуты при величине рН 6-7 (рис. 7). При повышении температуры несколько возрастает величина рН, соответствующая наибольшей эффективности отбелки макулатурной массы.

Повышение белизны макулатурной массы с содержанием механической древесной массы на 4-7 % достигается при расходе дитионита натрия 0,5-1 % в условиях нейтральной и слабощелочной среды (рис. 8).

При отбелке макулатурной массы дитионитом натрия необходимо отсутствие в ней воздуха, катионов 3d-элементов и посторонних примесей. Для снижения их отрицательного влияния применяют комплексообразователи в количестве 0,2-0,5 % от массы а. с. в. Оптимальный режим отбелки макулатурной массы дитионитом натрия: расход отбеливающего реагента - 1 %; температура - 60 °С; величина рН - 6 - 7; продолжительность - 15-60 мин; концентрация массы - 3-6 %. Выход макулатурной массы при отбелке дитионитом натрия составляет 98-100 %.

Необходимо учитывать, что замыкание системы водопользования при отбелке макулатурной массы дитионитом натрия приводит к накоплению твердых малорастворимых загрязнений, отрицательно влияющих на белизну волокнистого полуфабриката.

Формамидин сульфиновой кислоты (FAS) успешно применяется для отбелки макулатурной массы, полученной из цветной и писче-печатной макулатуры, в основном в США. FAS окисляется кислородом воздуха, но он менее чувствителен к нему, чем дитионит натрия.

FAS является наиболее эффективным реагентом для удаления окрашивающих веществ макулатурной массы, но он значительно дороже дитионита натрия.

В условиях отбелки макулатурной массы с использованием FAS величина рН может быть снижена до 7-8. Оптимальное соотношение расходов гидроксида натрия и FAS составляет 0,5:1, при большем расходе возможно пожелтение волокон механической древесной массы.

При продолжительности обработки 30 мин увеличение температуры с 40 до 90 °С почти в два раза повышает эффективность отбелки макулатурной массы без содержания механической древесной массы. На рис. 9 представлена зависимость белизны макулатурной массы от температуры и продолжительности отбелки при концентрации массы 4,0 %, расходе FAS - 0,4 %, расходе NaOH - 0,2 %.

Оптимальная эффективность отбелки макулатурной массы может быть достигнута при небольшом расходе FAS. На рис. 10 представлена зависимость белизны макулатурной массы от температуры и расхода FAS, при этом белизна макулатурной массы до отбелки составляла 55 %. При температуре 80 °С достаточно расхода FAS 0,2 % для повышения белизны массы до значения, которое возможно при расходе FAS, в три раза большем при температуре 50 °С.

На эффективность отбелки с использованием FAS незначительно влияет концентрация макулатурной массы. Поскольку зависимость белизны от концентрации макулатурной массы является результатом воздействия атмосферного кислорода, эффективность отбелки повышается при удалении воздуха из суспензии.

Растворы FAS и гидроксида натрия обычно подаются в гидроразбиватель, что позволяет эффективно обесцвечивать макулатурную массу из цветной и запечатанной макулатуры. Недостатком проведения отбелки при разволокнении макулатуры является присутствие воздуха, а также низкая температура, которая обычно не превышает 50 °С.

Отбелка макулатурной массы в отдельной башне отбелки позволяет избежать контакта воздуха с волокнистой суспензией и обеспечить оптимальную температуру. В этом случае эффективность отбелки макулатурной массы зависит от температуры, которую регулируют с помощью подачи пара в смеситель или насос.

Оптимальные условия отбелки с применением FAS существуют при диспергировании макулатурной массы: сочетание интенсивного перемешивания при повышенной температуре обеспечивает быстрый контакт волокна с отбеливающим реагентом. Кроме того, при повышении температуры отсутствуют анаэробные потери FAS.

Поскольку FAS разлагается под воздействием ионов переходных металлов, то их удаление из волокнистой суспензии является непременным условием эффективной отбелки макулатурной массы.

Ольга КОВАЛЕВА