Исследование влияния удерживающих реагентов на фиксацию растворенного крахмала в бумажном полотне

В. А. Житнюк, Е. С. Ширинкина, Я. И. Вайсман, Е. В. Белкина, А. М. Идиатуллин

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ УДЕРЖИВАЮЩИХ РЕАГЕНТОВ НА ФИКСАЦИЮ РАСТВОРЕННОГО КРАХМАЛА В БУМАЖНОМ ПОЛОТНЕ

Ключевые слова: удерживающие реагенты, фиксация растворенного крахмала, полиакриламид, катионный крахмал.

Исследовано влияние удерживающих реагентов различной природы на фиксацию растворенного натурального крахмала на волокне в перерабатываемой макулатурной массе. На основании результатов исследований установлена целесообразность использования удерживающих реагентов на основе катионного полиакриламида (ПАА) и катионного крахмала. Установлено, что по мере роста величины положительного заряда ПАА и катионного крахмала усиливается фиксация растворенного натурального крахмала на волокнах массы. Экспериментально доказана целесообразность использования удерживающих реагентов в производстве картонно-бумажной продукции из макулатуры на основе ПАА со степенью замещения катионными группами от 20-40%, и катионного крахмала со степенью замещения крахмальных групп катионными группами от 0,06-0,09 моль/моль.

Keywords: fiber retention chemical, fixing of dissolved starch, polyacrylamide, cationic starch.

The effect of retention chemicals on dissolved starch fixing in waste paper fiber was researched. According with the researches result, the feasibility of using retention chemicals based on cationic polyacrylamide and cationic starch was determined. It was found that increasing of cationic groups amount in polyacrylamide and cationic starch leads to growth of dissolved starch fixing in waste paper fiber. Experimentally was proved the feasibility of the retention chemicals, based on cationic polyacrylamide with cationic groups of 20-40%, and the cationic starch with cationic groups of0,06-0,09 mol / mol usage in cardboard and paper production.

ОБЩАЯ БИОЛОГИЯ

УДК 676.026

Введение

Современные картонно-бумажные

производства все в большей степени ориентируются на использовании макулатуры в технологическом процессе, что обеспечивает сокращение потребления природного древесного сырья и снижение нагрузки на объекты окружающей среды.

В отличие от первичного волокна, вторичное макулатурное волокно содержит проклеивающие агенты, наполнители и упрочняющие добавки, является более коротким и ороговелым [1-3]. Особенности физико-химических свойств вторичного волокна обуславливают возникновение ряда технологических проблем при его переработке, основными из которых являются низкое удержание волокна на сеточном столе бумагоделательной машины (БДМ) и его потери с подсеточной водой, а так же наличие в перерабатываемой массе растворенного натурального крахмала (до 60 кг/т макулатуры), переходящего в технологическом цикле в разряд анионных загрязнений [2-4].

В связи с этим, актуальным является повышение удержания волокна и фиксации растворенного натурального крахмала на волокне в макулатурной массе, что наряду с увеличением эффективности технологического процесса, обеспечит снижение нагрузки на объекты гидросферы при отведении сточных вод.

Анализ исследований в области повышения эффективности производства картонно-бумажной продукции из макулатуры [5-10] показал, что вопросы обработки массы реагентами с целью

удержания волокна, улучшения механических свойств товарной продукции на данный момент изучены достаточно широко. В то же время как проблема снижения негативного влияния растворенного крахмала в макулатурной массе на технологические параметры производства и свойства товарной продукции остается малоисследованной и решается в основном путем ферментативного удаления растворенного крахмала [4, 11-12].

Поэтому целью исследований являлся выбор типа реагента для обработки макулатурной массы, обеспечивающего не только удержание волокна, но и фиксацию растворенного натурального крахмала на волокнах. Это позволит снизить содержание крахмала в оборотной воде и приведет к подавлению развития микрофлоры, в особенности плесневых форм, ухудшающих качество целевой продукции.

Порядок проведения исследований

Исследования выполнялись на базе исследовательской лаборатории ГП «Пермский ЦБК» и включали в себя два этапа. На первом этапе исследовалось влияние реагентов различной природы на удержание волокна и фиксацию растворенного натурального крахмала на бумажном полотне.

В пробы макулатурной массы (степень помола 410Ш, объем проб 1 л) нижнего слоя БДМ (Б-2300) дозировали следующие реагенты:

- кукурузный катионный крахмал со степенью замещения 0,044 моль/моль;

- сернокислый глинозем;

- удерживающая добавка на основе катионного модифицированного полиакриламида (ПАА) (BASF Percol 540);

- катионный флокулянт на основе ПАА (Ashland Praestol 851 ВС);

- катионный фиксатор с высоким зарядом (Ashland Praestafix БС 1250).

Каждый реагент испытывался на трех образцах макулатурной массы в различных дозировках: катионный крахмал - 4 кг/т, 8 кг/т, 10 кг/т; сернокислый глинозем - 7 кг/т, 10 кг/т, 20 кг/т; Percol 540 - 0,1 кг/т; 0,4 кг/т; 1,0 кг/т; Praestol 851 ВС - 0,2 кг/т, 0,4 кг/т, 1,0 кг/т; Praestofix DS 1250_ -0,2 кг/т, 0,4 кг/т, 1,0 кг/т.

Оценку влияния реагентов на удержание волокна и фиксацию крахмала осуществляли по следующим показателям: времени обезвоживания массы, концентрации взвешенных веществ в фильтрате, полученном после обезвоживания массы, концентрации крахмала в фильтрате.

Поскольку применение реагентов на основе ПАА и катионного крахмала привело к положительным результатам, на втором этапе исследовалось их влияние на фиксацию растворенного натурального крахмала в макулатурной массе в зависимости от величины заряда реагентов.

В исследованиях использовали ПАА в виде готовых растворов с различными степенями замещения:

- 854 (+40 %), 853 (+30 %), 852 (+20 %) и 851 (+10 %), где % - наличие катионных групп;

- 2540 (-40 %), 2530 (-30 %), 2520 (-20 %), 2510 (-10 %), 2500 (0 %), где % - наличие анионных групп.

Образцы массы обрабатывали ПАА с соответствующей степенью замещения. Доза ПАА составляла 0,2 кг/т.

Для получения катионного крахмала с различными степенями замещения: 0,00 натуральный; 0,018; 0,028; 0,044; 0,058; 0,075; 0,092 моль/моль (количество катионных групп на одну крахмальную группу) использовались 2% растворы кукурузного крахмала.

В каждом случае оценивали следующие показатели: время обезвоживания массы, содержание крахмала в полученном в ходе обезвоживания массы фильтрате.

Методы испытаний

Обезвоживание бумажной массы объемом 1 л. Выполняли в соответствии с методикой ООО «Пермский картон» на приборе Шоппер-Риглера, в ходе исследования фиксировалось время истечения фильтрата объемом 200, 300 и 400 мл.

Мутность, оптическая плотность, содержание растворенного и коллоидного крахмала в фильтрате определяли на фотоколориметре "Smart" по методикам ООО «Технобум-2».

Результаты исследований и их обсуждение

Результаты оценки влияния удерживающих реагентов различной природы на удержание волокна и фиксацию крахмала в бумажном полотне представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Эффективность применения реагентов для повышения удержания волокна и фиксации крахмала в бумажном полотне

Доза реагента, кг/т Время обезвоживания массы, сек Содержание компонентов в фильтрате, мг/л Оптическая плотность фильтрата

200 мл 300 мл 400 мл Взвешенные вещества Крахмал

Исходная масса

0,0 7,1 22,4 44,2 78,6 428 0,75

Катионный крахмал

4,0 6,6 20,4 41,3 78,4 420,0 0,72

8,0 6,9 19,8 38,9 75,6 406,0 0,69

10,0 6,7 18,4 37,8 74,6 394,0 0,62

Сернокислый глинозем

7,0 6,6 20,4 41,3 77,5 416,0 0,73

10,0 6,9 19,8 38,9 86,4 402,0 0,76

20,0 6,7 18,4 37,8 83,9 382,0 0,80

Percol 540

0,1 7,0 23,6 46,5 77,9 436,0 0,74

0,4 6,7 22,4 44,3 76,2 424,0 0,64

1,0 6,2 20,1 37,9 65,3 409,0 0,56

Praestol 851 BC

0,2 7,0 20,9 43,0 77,9 410,0 0,65

0,4 6,5 17,9 39,4 76,8 425,0 0,80

1,0 6,2 18,0 36,4 78,8 433,0 1,00

Praestafix БС 1250

0,2 7,0 22,5 44,9 80,6 426,0 0,75

0,4 7,1 21,8 44,1 77,4 422,0 0,72

1,0 8,6 26,9 48,9 76,6 436,0 0,60

Как видно из представленных данных, снижение времени обезвоживания массы было достигнуто при ее обработке реагентами на основе катионного ПАА (РгаеБй! 851 ВС, Регсо1 540) и катионным крахмалом. Время обезвоживания сократилось в среднем на 12 % по сравнению с контрольным образцом, при внесении катионного крахмала в массу в дозе 8 кг/т. Время обезвоживания массы сократилось в среднем на 14% при обработке ее удерживающей добавкой на основе катионного ПАА (Регсо1 450) в дозе 1 кг/т. Сернокислый глинозем и удерживающая добавка на основе ПАА

(Praestafix DС 1250) не оказали влияния на время обезвоживания массы, при этом дозирование Praestafix DС 1250 в массу в количестве, превышающем 1 кг/т приводило к увеличению времени обезвоживания.

Повышение удержания волокна по сравнению с контрольным образцом наблюдалось при обработке массы всеми исследуемыми реагентами кроме сернокислого глинозема. Наибольшее удержание волокна было достигнуто при использовании Percol 450 в дозе 1 кг/т и катионного крахмала в дозе 8 кг/т, о чем свидетельствует снижение оптической плотности полученного в ходе обезвоживания массы фильтрата и снижение концентрации взвешенных веществ в нем. При дозировании в массу Praestol 851 ВС удержание волокна на сетке возрастает, что подтверждается снижением концентрации взвешенных веществ в фильтрате, однако при повышении дозы реагента до 1 кг/т наблюдалось увеличение оптической плотности. Существенное снижение концентрации крахмала в фильтрате было достигнуто при обработке массы сернокислым глиноземом и катионным крахмалом, в среднем на 6%. Повышение фиксации крахмала также было достигнуто при обработке массы Praestol 851 ВС и Percol 450.

Полученные в ходе первого этапа исследований результаты показали наибольшую эффективность применения удерживающих систем на основе высокомолекулярных катионных полимеров и катионного крахмала. Обработка массы сернокислым глиноземом не оказала существенного влияния на время обезвоживания и удержание волокна, поскольку глинозем является коагулянтом и в нейтральной среде подвергается гидролизу с образованием гидроксида алюминия,

представляющего собой нерастворимый мелкодисперсный осадок белого цвета, а так же заряженных комплексов, способствующих фиксации микромелочи и растворенного крахмала, но не способствующих удержанию волокна.

Таким образом, эффективное удержание макулатурного волокна с одновременной фиксацией растворенного крахмала на волокне может быть обеспечено при обработке макулатурной массы катионным крахмалом и высокомолекулярными реагентами на основе ПАА. Поэтому на втором этапе исследований оценивали влияние величины заряда реагентов (степени замещения функциональных групп катионными и анионными группами) на фиксацию растворенного крахмала.

Результаты исследований влияния степени замещения ПАА на фиксацию крахмала представлены на рис.1.

Как видно из представленных данных, наименьшее время обезвоживания при наименьшем содержании крахмала в подсеточной воде наблюдается при обработке массы ПАА с высоким зарядом, при этом наиболее эффективны катионные ПАА со степенью замещения от 20-40 %.

Таким образом, для эффективного удержания волокна и фиксации крахмала на нем в производственном процессе рекомендуется

использование удерживающих систем на основе катионных полимеров с высоким зарядом.

Время о б&зв оживания, сек

Степ ень замещения, %

а

Содержание крахмала., мг/л

Степень замещения, % б

Рис. 1 - Влияние степени замещения ПАА на обезвоживание массы и фиксацию крахмала на волокне

Результаты исследований влияния степени замещения катионного крахмала на фиксацию крахмала в бумажном полотне представлены на рис. 2.

Время абевоживания, сех

о от «ум о,об о,ов :> 1

Степень замещения, моль/моль

а

Содержание крахмала в фильтрате, мг/л

Степень замещения, моль/моль б

Рис. 2 - Влияние степени замещения катионного крахмала на время обезвоживания массы и на фиксацию растворенного крахмала

Как видно из представленных данных, с повышением содержания катионных групп в молекуле крахмала, используемого в качестве удерживающей системы, время обезвоживания массы снижается. Кроме того, повышается фиксация нативного растворенного крахмала на волокнах и в бумажном полотне, о чем свидетельствует снижение концентрации крахмала в фильтрате.

Установленная в ходе исследований закономерность обусловлена тем, что при увеличении степени замещения катионного крахмала возрастает плотность заряда, в результате чего катионный крахмал активнее адсорбируется на макулатурном волокне, обладая при этом более высокой фиксирующей и коагулирующей способностью.

Заключение

Полученные результаты исследований позволили установить закономерность увеличения фиксации растворенного натурального крахмала на макулатурном волокне при возрастании величины положительного заряда удерживающих реагентов, применяемых для обработки макулатурной массы.

На основании установленной закономерности, были разработаны рекомендации для картонно-бумажного производства по использованию в технологическом цикле удерживающих систем на основе катионных высокомолекулярных соединений с высокой плотностью заряда (степень замещения ПАА 20-40%, катионного крахмала 0,06-0,09 моль/моль).

Обработка макулатурной массы катионными реагентами с высоким зарядом обеспечивает не только улучшение технологических свойств перерабатываемой массы, но и снижает содержание

волокна и крахмала в образующихся производственных сточных водах, что сокращает нагрузку на очистные сооружения предприятия и объекты гидросферы.

Литература

1. А.В. Кулешов, А.С. Смолин, Известия высших учебных заведений. Лесной журнал, 4, 132-140 (2008).

2. Е.А. Глезман, В.А. Житнюк, Е.С. Ширинкина, Я.И. Вайсман, Е.В. Белкина, Целлюлоза. Бумага. Картон, 7, 62-68 (2014).

3. А.М. Идиатуллин, Н.А. Тараканова, И.С. Идиатуллина, И.В. Любавина, Целлюлоза. Бумага. Картон, 9, 52-57 (2013).

4. Е.А. Овсянникова, Д.А. Дулькин, Е.В. Нивожилов, Е. В., Смирнов, И.В. Тышкунова, В сб. Биотехнологии в химико-лесном комплексе, 2014, С. 243-248.

5. А. Ю. Винокуров, Е. К. Коптелова, Н. Д. Лукин, А. В. Канарский, А. А. Водяшкин, А. И. Заболотский, Вестник Казанского технологического университета, 18, 19, 135-141 (2015).

6. Н.А. Морозов, Л.Г. Махотина, Дизайн. Материалы. Технология, 5, 40, 72-76 (2015).

7. И.А. Ходыко, Е.В. Новожилов, Я.В. Казаков, В сб. Полимеры в науке и технике, 2014, С. 75-80.

8. С.Л. Андреева, С.Ю. Кожевников, Д.А. Дулькин, В.К. Дубовый, Химия растительного сырья, 1, 179-181 (2011).

9. M. Diab, D. Curtil, N El-shinnavy, M.L. Hassan, I.F Zeid, E. Mauret, Industrial crops and products, 72, 5, 34-45

10. T. Asselman, G. Garnier, Journal of Pulp and Paper Science, 27, 8, 273-278

11. Е.В. Новожилов, Е.В. Смирнов, Д.Г. Чухчин, А.В. Кондаков, Химия растительного сырья, 1, 39-46

12. А.В. Кулешов, А.С. Смолин, Е.В. Новожилов, А.В. Кондаков, Лесной журнал, 1, 115-120

© В. А. Житнюк - главный технолог ГП «Пермский ЦБК», аспирант кафедры охраны окружающей среды Пермского национального исследовательского политехнического университета, Vitaly.Zhitnyuk@pcbk.ru, Е.С. Ширинкина - доцент кафедры охраны окружающей среды Пермского национального исследовательского политехнического университета, shirinkina.es@mail.ru, Я. И. Вайсман - научный руководитель кафедры охраны окружающей среды Пермского национального исследовательского политехнического университета, Е. В. Белкина - ведущий инженер-технолог исследовательской лаборатории ГП «ПЦБК», А. М. Идиатуллин - директор ООО «Технобум-2», amidiatulin@gmail.ru.

© V. A Zhitnyuk - Chief Technologist of Group of Companies "PCBK", graduate student of Environmental Protection Department of Perm National Research Polytechnic University, Vitaly.Zhitnyuk@pcbk.ru, E.S. Shirinkina - Associate Professor of Environmental Protection Department of Perm National Research Polytechnic University, shirinkina.es@mail.ru, Y. I. Vaisman - Scientific Director of Environmental Protection Department of Perm National Research Polytechnic University, E. V. Belkin - Senior Process Engineer Research Laboratory of Group of Companies, A. M. Idiatullin - Manager of "Tehnobum-2" Ltd amidiatulin@gmail.ru.