КИСЛАЯ ВОДНАЯ КОМПОЗИЦИЯ И ЕЕ ПРИМЕНЕНИЕ ДЛЯ ДРЕНИРОВАНИЯ ИЛИ РАЗДЕЛЕНИЯ ТВЕРДЫХ ВЕЩЕСТВ
ACIDIC AQUEOUS COMPOSITION AND APPLYING THEREOF FOR DRAINAGE OR SEPARATION OF SOLID SUBSTANCES

Изобретение относится к разделению водного раствора и суспендированных в нем твердых веществ, другими словами - к удалению воды и выделению суспендированных твердых веществ. В частности, изобретение относится к водной композиции, которая пригодна для использования при таком разделении, к способу получения такой композиции и к способу производства бумаги с использованием такой композиции.
Соответственно, настоящее изобретение можно использовать для производства бумаги, а также для обработки сточных вод и дренирования как такового. Термин «производство бумаги» относится к производству сортов бумаги, содержащих наполнитель (или бумажный брак), и сортов бумаги, не содержащих наполнителя, от сортов бумаги с низкой удельной массой на единицу площади до сортов бумаги с наивысшей удельной массой на единицу площади. Водную композицию согласно настоящему изобретению можно успешно использовать для водоочистки, для вышеупомянутой обработки сточных вод или для обработки отработанного активного ила. Поэтому настоящее изобретение можно использовать также в прикладных задачах, не наносящих ущерба окружающей среде.
При производстве бумаги в типичном случае вначале получают так называемую густую бумажную массу, обычно состоящую из волокон, воды и неорганических наполнителей или пигментов. С точки зрения количества основным сырьевым материалом бумажной массы является вода. Затем густую бумажную массу разбавляют и разбавленную бумажную массу пропускают через сита и насосы, питающие напорный бак, который обеспечивает как можно более равномерное распределение бумажной массы по всему полотну проволочной сетки. Целью этой операции является разделение воды и компонентов бумажной массы на проволочной сетке. Затем полученную бумагу прессуют и сушат.
В целлюлозно-бумажной промышленности для улучшения удаления воды (обезвоживания) и удержания суспендированных твердых веществ (фиксации суспендированных твердых веществ на бумажных волокнах) обычно используют удерживающие средства.
Целью настоящего изобретения, кроме удержания суспендированных твердых веществ и обезвоживания, является улучшение просвета бумаги.
Таким образом, настоящее изобретение относится к водной композиции, с способу ее получения и к ее применению.
Более конкретно, композиция согласно настоящему изобретению отличается признаками, указанными в п.1 формулы изобретения.
Способ получения композиции согласно настоящему изобретению, в свою очередь, отличается признаками, указанными в п.5 формулы изобретения, способ производства бумаги согласно настоящему изобретению отличается признаками, указанными в п.10 формулы изобретения, а применение композиции и способа производства отличаются признаками, указанными в пунктах 15, 17 и 18.
Например, возможно применение настоящего изобретения для улучшения обезвоживания, удержания суспендированных веществ и улучшения просвета при производстве бумаги. Термин «просвет» описывает, насколько большие хлопья образуются при фиксации частиц суспендированных твердых веществ удерживающими средствами. Просвет является мерой равномерности распределения твердых веществ, то есть важной характеристикой, описывающей качество бумаги. Ускорение обезвоживания и повышение удержания суспендированных твердых веществ повышают эффективность бумагоделательной машины (дренирование) и качество конечного продукта. Быстрое обезвоживание на сеточном столе обеспечивает, среди прочего, повышение скорости работы бумагоделательной машины, разбавления в напорном баке и, за счет этого, лучший просвет бумаги и экономию энергии, затрачиваемой на сушку в сушильной части бумагоделательной машины. Соответственно, улучшение просвета бумаги является мерой, указывающей, среди прочего, на повышение качества.
Примеры, описанные ниже, демонстрируют, среди прочего, преимущества, которые можно получить при использовании настоящего изобретения.
Фиг.1 демонстрирует кривые обезвоживания в экспериментальных точках, использованных в Примере 1.
Фиг.2 демонстрирует удерживание суспендированных твердых веществ в экспериментальных точках, использованных в Примере 1.
Фиг.3 демонстрирует удерживание наполнителя в экспериментальных точках, использованных в Примере 1.
Фиг.4 демонстрирует скорость дренирования в различных экспериментальных точках, использованных в Примере 2.
Фиг.5 демонстрирует время дренирования в экспериментальных точках из первой серии экспериментов Примера 3.
Фиг.6 демонстрирует время дренирования в экспериментальных точках из второй серии экспериментов Примера 3.
Фиг.7А и Фиг.7В демонстрируют время дренирования в экспериментальных точках из Примера 5.
Фиг.8А и Фиг.8В демонстрируют удерживание наполнителя в экспериментальных точках из Примера 5.
Фиг.9 демонстрирует время дренирования в экспериментальных точках из Примера 6.
Настоящее изобретение относится к водной композиции, имеющей значение рН в диапазоне от 6,0 до 9,0, например от 6,0 до 8,0, которая содержит соли или сложные эфиры, или одновременно и соли, и сложные эфиры угольной кислоты в концентрации, составляющей по меньшей мере 0,01% от общей массы водной композиции. Композиция также содержит удерживающие средства, которые предпочтительно являются флокулянтами, коагулянтами, микрочастицами или их смесями и которые предпочтительно присутствуют в композиции в количестве, составляющем по меньшей мере 0,01%, например примерно 0,01 -5%, более предпочтительно примерно 0,01-3% от общей массы водной композиции.
Вышеуказанные соли угольной кислоты предпочтительно являются неорганическими или органическими карбонатами или бикарбонатами, а сложные эфиры - соответствующими эфирами. Более предпочтительно соли являются карбонатами, бикарбонатами или их смесями, полученными из соответствующих гидроксидов, наиболее предпочтительно - солями кальция, магния, марганца, железа, меди, цинка, водорода, натрия, калия, лития, бария, стронция или никеля, особо предпочтительно - солями кальция.
Изобретение также относится к способу получения вышеуказанной водной композиции, в котором суспензию гидроксида добавляют в водный раствор и снижают рН раствора до 6,0-9,0 посредством пропускания диоксида углерода через раствор таким образом, что общая концентрация солей угольной кислоты, сложных эфиров угольной кислоты или солей и сложных эфиров угольной кислоты совместно, образующихся из диоксида углерода и суспензии гидроксида, составляет по меньшей мере 1% от общей массы водной композиции. Предпочтительно композицию получают из кальциевой соли угольной кислоты посредством добавления суспензии гидроксида кальция в водный раствор и пропускания диоксида углерода через раствор.
Согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения водным раствором является сырая вода, химически очищенная вода, отработанная вода, дренажная вода, очищенная до различных степеней чистоты, техническая вода или их смесь, а также густая или разбавленная бумажная масса, предпочтительно -дренажная вода или техническая вода, из которой были удалены суспендированные твердые вещества. Если речь идет о бумажной массе, то предпочтительно в ней еще присутствуют твердые вещества, смешанные с водой.
Согласно особо предпочтительной форме осуществления настоящего изобретения водную композицию производят на бумажном производстве, водоочистной станции, на аэрационной станции, на станции для переработки отработанного активного ила или на фильтрационной станции.
Водную композицию согласно настоящему изобретению можно использовать, среди прочего, для очистки сырой воды, химически очищенной воды, отработанной воды, дренажной воды, очищенной до различных степеней чистоты, технической воды или их смеси, для очистки сточной воды, для очистки отработанного активного ила или для улучшения фильтрации. Ее также можно использовать для обезвоживания, для улучшения удержания суспендированных твердых веществ и просвета бумаги при производстве бумаги.
Согласно особо предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения композицию используют для улучшения фильтрации при фильтровании органических или неорганических веществ, предпочтительно - минеральных наполнителей, полисахаридов или их смесей.
Согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения водную композицию используют в способе производства бумаги, в котором флокулянт, коагулянт, микрочастицы или их смесь добавляют к бумажной массе, причем общая концентрация образующихся солей, сложных эфиров или солей и сложных эфиров угольной кислоты составляет по меньшей мере 0,01% от общей массы водной композиции, а ингредиенты реагируют друг с другом. Флокулянтом предпочтительно является катионный полиакриламид, полиэтиленимин или крахмал, в качестве микрочастиц используют микрочастицы, содержащие кремний, которые предпочтительно состоят из бентонита или коллоидного вещества, содержащего диоксид кремния, а коагулянтом является водорастворимое соединение, содержащее алюминий.
Термин «коагулянт» обычно используют для обозначения полимерной или неорганической добавки, влияющей на заряд суспендированных твердых веществ. Потенциально образующиеся хлопья обычно являются менее прочными, чем хлопья, образующиеся при участии флокулянта. Согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения коагулянтом, кроме водорастворимого неорганического соединения, содержащего алюминий, может быть полимерный коагулянт. Этот полимерный коагулянт имеет более короткую углеродную цепь, чем полимерный флокулянт. Наиболее подходящими для использования в настоящем изобретении полимерными коагулянтами являются полимеры диаллилдиметиламмония хлорида, полимеры аминного типа или их смеси.
Вышеуказанные коагулянты и флокулянты являются так называемыми удерживающими средствами. Неорганические катионные коагулянты, такие как квасцы, традиционно использовали, среди прочего, для обезвоживания и удержания суспендированных твердых веществ. В настоящем изобретении в качестве флокулянтов, среди прочего, используют различные полимерные удерживающие средства, которые могут быть природными полимерами, такими как полисахариды (например, крахмал), и синтетическими полимерами, такими как полиакриламиды, и они значительно более эффективны по сравнению с коагулянтами. Вместе с этими полимерными удерживающими средствами предпочтительно используют неорганические так называемые микрочастицы, например коллоидный диоксид кремния (поликремниевая кислота, золь диоксида кремния, микрогель и т.п.) и бентонит.
Флокулянты и коагулянты способствуют увеличению скорости дренирования, то есть обезвоживания, и сцеплению суспендированных твердых веществ друг с другом, то есть их удержанию, в тех процессах, где важным является отделение твердых веществ от воды.
Удерживающие системы на основе микрочастиц основаны, в частности, на указанном выше совместном использовании полимеров и микрочастиц, и они очень выгодны при использовании в настоящем изобретении в качестве удерживающих систем. Наиболее известными коммерческими удерживающими системами на основе микрочастиц являются Compozil и Hydrocol. В этих системах на основе микрочастиц твердые вещества вначале сцепляют друг с другом с помощью катионного полимера с получением крупных хлопьев. Затем эти хлопья разрушают. Это может произойти, например, на стадии процесса производства бумаги с большей скоростью сдвига (например, при прохождении через сита или насосы). Одновременно с разрушением хлопьев разрушается полимер, и свободные полимерные цепи располагаются параллельно поверхности твердых веществ. Если речь идет о процессе производства бумаги, то затем в бумажную массу добавляют микрочастицы в зоне с меньшей скоростью сдвига непосредственно перед отделением суспендированных твердых веществ от воды в дренажной системе, например на проволочной сетке бумагоделательной машины.
Анионные микрочастицы имеют очень малые размеры, и они способны повторно фиксировать твердые вещества с образованием более мелких хлопьев, за счет чего обеспечивается лучшее сочетание качества и эффективности. Другими словами, при использовании таких систем на основе микрочастиц обеспечивается лучший просвет бумаги, а обезвоживание и удерживание остаются на достаточно высоком уровне. Микрочастицы функционируют как своего рода связующее в сочетании с природными или синтетическими полимерами.
В целом, системы на основе микрочастиц способны заметно повысить уровень удержания твердых веществ и обезвоживания, но одновременно может ухудшаться просвет бумаги по сравнению с теми случаями, когда удерживающие агенты не используют. Для обеспечения быстрого обезвоживания, высокого уровня удержания твердых веществ и хорошего уровня просвета бумаги может быть использована удерживающая система, состоящая из катионного полимерного удерживающего средства, микрочастиц и анионного микрополимера. Такая система имеет коммерческое название Telioform.
В случае однокомпонентной полимерной системы для удержания твердых веществ относительно длинноцепочечный полимер добавляют к разбавленной бумажной массе после последней стадии с высокой скоростью сдвига (системы очистки, смешивания и перекачивания, такие как сита или насосы, питающие напорный бак) перед подачей в напорный бак при производстве бумаги. В системе на основе микрочастиц полимер добавляют перед стадией с высокой скоростью сдвига, соответственно, во время которой крупные хлопья разрушаются, полимерные цепи разрушаются и оседают преимущественно параллельно поверхности твердых веществ. Микрочастицы дозируют после этой стадии в область с меньшей скоростью сдвига непосредственно перед обезвоживанием. Обратный порядок добавления также может быть использован в настоящем изобретении, если используется система для удержания твердых веществ на основе микрочастиц. В случае системы Telioform для удержания твердых частиц катионное полимерное удерживающее средство дозируют перед стадией с высокой скоростью сдвига в трубы, питающие напорный бак. Микрочастицы и анионный микрополимер дозируют после этой стадии непосредственно перед дренированием бумажной массы.
Используемые коллоидные анионные микрочастицы содержат, среди прочего, коллоидный диоксид кремния и поликремниевую кислоту, которые модифицированы и могут содержать элементы, такие как алюминий, бор или их смеси, или компоненты, такие как боросиликаты, полиборосиликаты и цеолиты. Они могут находиться в водной фазе, в частицах диоксида кремния или и там, и там. Поликремниевая кислота может быть названа микрогелем поликремниевой кислоты, полимерной кремниевой кислотой, полисиликатом, коллоидным диоксидом кремния, структурированным диоксидом кремния или полисиликатным микрогелем. Коллоидные диоксиды кремния, модифицированные алюминием, называют коллоидными диоксидами кремния, модифицированными алюминием, причем этот термин охватывает полиалюминия силикаты и микрогели полиалюминия силикатов. Все эти формы охватывает термин «коллоидный диоксид кремния» (Telioform S20), используемый в настоящем изобретении.
Коллоидные микрочастицы могут быть изготовлены из набухающих глин. Такими глинами являются, например, гекторит, смектит, монтмориллонит, нонтронит, сапонит, сауконит, гормит, аттапульгит и сепиолит. Все эти формы охватывает термин «бентонит» (Hydrocol SH), используемый в настоящем изобретении.
В качестве примеров катионных синтетических полимеров, используемых в настоящем изобретении, можно назвать полимеры на основе акрилатов и акриламидов, поли(диаллил)диметиламмония хлорид, полиэтиленимины, полиамины, полиамидоамины, полимеры на основе виниламидов, меламинформальдегидные и мочевинноформальдегидные смолы.
Катионными полисахаридами, используемыми в настоящем изобретении, являются крахмалы, гуаровая камедь, хитозаны, хитины, гликаны, галактаны, глюканы, ксантановые камеди, пектины, маннаны и декстрины, предпочтительно - крахмалы и гуаровые камеди. Крахмал предпочтительно получают из картофеля, кукурузы, пшеницы, тапиоки, риса или овса.
Согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения используемыми полимерами являются катионный крахмал и полимер на основе акриламида, которые используют по отдельности, совместно или вместе с другими полимерами.
Используемые полимеры могут быть линейными, разветвленными или сшитыми. Наиболее подходящими являются водорастворимые или вододиспергируемые полимеры.
Волокна могут происходить из химической целлюлозной массы или из механической целлюлозной массы, и предпочтительно они являются волокнами сульфатной или сульфитной целлюлозы, растворимой целлюлозы, целлюлозы, полученной органосольвентной варкой, волокнами из химикомеханической (СТМР) или термомеханической (ТМР) целлюлозной массы или из прессовой дефибрерной древесной массы (PGW), вторично используемыми волокнами или волокнами из обесцвеченной древесной массы.
Суспендированные твердые вещества предпочтительно содержат минеральные наполнители или покрывающие пигменты, которыми более предпочтительно являются каолин, диоксид титана, гипс, тальк, измельченный карбонат кальция (GCC), осажденный карбонат кальция (РСС) или белый сатин.
Другие химические вещества, такие как оптические отбеливатели, синтетические пигменты, краски, фиксаторы, средства, увеличивающие прочность на разрыв во влажном состоянии, средства, увеличивающие прочность на разрыв в сухом состоянии, и соединения алюминия, также пригодны для использования в контексте настоящего изобретения. Примерами подходящих соединений алюминия являются квасцы, алюминаты, алюминия хлорид, алюминия нитрат и полиалюминиевые соединения. Подходящими полиалюминиевыми соединениями являются полиалюминия хлорид, полиалюминия сульфат, полиалюминиевые соединения, содержащие хлориды, сульфаты или и те, и другие, полиалюминия силикаты и их смеси. Соответственно, полиалюминиевые соединения могут также содержать другие анионы, а не хлориды, например - анионы, являющиеся производными серной кислоты, фосфорной кислоты или органических кислот, таких как лимонная или щавелевая кислоты. Если соединения алюминия используют для отделения суспендированных твердых веществ от воды согласно настоящему изобретению, то часто бывает выгодно добавлять их в бумажную массу перед добавлением полимера или микрочастиц.
Из фиксаторов, например коагулянтов в контексте настоящего изобретения, наиболее предпочтительными являются полидадмак (полидиаллилдиметиламмония хлорид) и анионные коллекторы мешающих веществ полиамидного типа. В качестве средств, увеличивающих прочность на разрыв во влажном состоянии, используют, например, полиамидоаминэпихлоргидридную смолу (РААЕ),
мочевинноформальдегидную смолу (UF), меламиноформальдегидную смолу (MF) и глиоксальполиакриламид.
2
Способ согласно настоящему изобретению можно использовать для производства бумаги из всех типов целлюлозной массы, таких как механическая или химическая целлюлозная масса, вторично используемые волокна, обесцвеченная масса или их смеси. Вышеуказанные вещества могут быть добавлены к бумажной массе в порядке, описанном в приведенных ниже примерах, или в каком-либо другом порядке. В типичном случае выгодно проводить обработку суспензией Са(ОН) и диоксидом углерода больших количеств дренажной воды из бумагоделательной машины, необработанной воды, отработанной воды, дренажной воды, очищенной до различных степеней чистоты (например, прозрачной дренажной воды), их смесей или других дренажных вод, отделенных от суспендированных твердых веществ. Также можно обрабатывать бумажную массу (густую или разбавленную), в которой суспендированные твердые вещества содержатся вместе с водой.
Сходным образом при обработке сточных вод, очистке воды и при обработке отработанного активного ила можно обрабатывать среды, в которых суспендированные твердые вещества присутствуют в воде, без их разделения. Соответственно, способ согласно настоящему изобретению принципиально можно использовать для отделения твердых веществ от воды посредством дренирования.
2
Согласно настоящему изобретению неожиданно было обнаружено, что ускоренное обезвоживание в сочетании с более высоким уровнем удержания суспендированных твердых веществ и хорошим просветом бумаги может быть обеспечено с использованием отработанной воды (или дренажной воды), обработанной суспензией Са(ОН) и диоксидом углерода. Образующиеся соли или сложные эфиры угольной кислоты имеют анионную природу и функционируют сходным образом с другими микрочастицами. Эти соли угольной кислоты и/или другие формы карбонатов при рН 6,0-9,0 (в частности, 6,0-8,0) настолько малы, что их количество в заданном объеме велико, так что они могут повторно соединяться с хлопьями, которые были разрушены при высоких скоростях сдвига. В частности этот эффект отмечают при обработке твердых веществ природным или синтетическим катионным полимером.
Используемые флокулянты и коагулянты могут быть линейными, т.е. неразветвленными, частично неразветвленными, полностью разветвленными или представлять собой комбинации этих форм. Флокулянты или коагулянты могут быть частично сшитыми или соединенными мостиками.
Производство композиции согласно настоящему изобретению наиболее экономически эффективно может быть организовано на бумажном производстве, на водоочистной станции или станции для обработки сточных вод, где имеются большие объемы воды, от которых необходимо отделить твердые вещества.
ПРИМЕРЫ
Пример 1
В данном Примере для изучения характеристик обезвоживания, удержания и просвета бумажной массы был использован формер с движущейся лентой (MBF), причем, где это было возможно, с ваккумным отсасыванием и гидропланками (движущаяся лента под стационарной проволочной сеткой). В экспериментах в MBF был использован усиленный профиль всасывания. В качестве бумажной массы была использована бумажная масса для изготовления высокосортной немелованной бумаги, которая содержала все остальные ингредиенты, используемые в бумажной промышленности, за исключением удерживающих средств. Другими словами, бумажную массу собирали после прохождения ею насосов, питающих напорный бак, перед дозированием удерживающего средства. Бумажная масса из напорного бака в качестве наполнителя содержала осажденный карбонат кальция (РСС). В качестве удерживающих средств были использованы катионный полиакриламид (Percol 3030), бентонит (Hydrocol SH) и анионный микрополимер (Telioform М305). Был использован следующий профиль перемешивания в MBF: 500 об/мин в течение 35 секунд, 1500 об/мин в течение 30 секунд и 500 об/мин в течение 10 секунд перед началом дренирования в MBF. Соответственно, общее время дозирования удерживающих средств перед началом дренирования бумажной массы из напорного бака составляло 75 секунд.
Катионный полиакриламид (Р3030) дозировали в количестве 150 г/т или 300 г/т при скорости, равной 500 об/мин, в течение 32 секунд. Бентонит (SH) дозировали в количестве 2 кг/т в течение 68 секунд при скорости, равной 500 об/мин. Анионный микроподимер (М305) также дозировали в течение 68 секунд при скорости, равной 500 об/мин. Бентонит и микрополимер дозировали по отдельности, но одновременно.
Использование катионного полиакриламида и бентонита соответствует так называемой системе удержания Hydrocol. Использование катионного полиакриламида, бентонита и микрополимера соответствует так называемой системе удержания Telioform.
2
2
Плотность бумажной массы из напорного бака в экспериментальной точке А (см. Таблицу 1) составляла 3 г/л. В следующих экспериментальных точках (B-F) в бумажную массу напорного бака, которая была разбавлена до плотности, равной 3 г/л, прозрачной дренажной водой из бумагоделательной машины, были добавлены вышеуказанные удерживающие средства. В этих экспериментальных точках 25 литров жидких стоков было декантировано из бумажной массы напорного бака, разбавленной прозрачной дренажной водой и имевшей плотность, равную 3 г/л. Перед сбором жидких стоков обеспечивали оседание суспендированных твердых веществ, содержавшихся в бумажной массе напорного бака, в течение 24 часов. К этим жидким стокам добавляли 50 граммов 15%-ной суспензии Са(ОН). Затем через жидкие стоки пропускали достаточное количество пузырьков газообразного СО для снижения рН до 6,5. Пропускание пузырьков газообразного диоксида углерода повторяли через 5 часов и снова снижали рН до 6,5. Обработанные таким образом жидкие стоки, которые далее будут названы кислой водной композицией, использовали в MBF для разбавления бумажной массы напорного бака до плотности, равной 3 г/л. Из жидких стоков использовали только те жидкие стоки, которые осаждали в течение 5 часов. Неколлоидный материал, оставшийся на дне резервуара, не использовали. Средний размер частиц из этих жидких стоков (кислой водной композиции) был равен примерно 60 нм (Malvern Nano-ZS). Из каждой экспериментальной точки (Таблица 1) было взято по десять повторов.
Таблица 1
Экспериментальные точки
Экспериментальная точка
Р3030,г/т
SH, кг/т
М305, гАг
Водный разбавитель
А
300
0
0
Прозрачная дренажная вода
В
300
0
0
Кислая водная композиция
С
300
2
0
Прозрачная дренажная вода
D
300
2
0
Кислая водная композиция
Е
150
2
150
Прозрачная дренажная вода
F
150
2
150
Кислая водная композиция
2
Целевое значение удельной массы на единицу площади в MBF было равно 80 г/м. Содержание наполнителя определяли посредством озоления листов бумаги при 525°С в течение двух часов. Просвет определяли с помощью тестера Beta Formation (Ambertec).
На Фиг.1 изображены изменения уровня вакуума с течением времени при дренировании листа бумаги на проволочной сетке MBF. Чем выше график, тем быстрее происходит обезвоживание листа бумаги. Если в качестве удерживающего средства используют только катионный полиакриламид, то получают заметное улучшение обезвоживания бумажной массы, обработанной кислой водной композицией (экспериментальная точка В), по сравнению с использованием необработанной бумажной массы (экспериментальная точка А). Сходным образом, было обнаружено, что обезвоживание происходит значительно быстрее, если используют кислую водную композицию с полиакриламидом и бентонитом (экспериментальная точка D), по сравнению со случаем, когда кислую водную композицию не используют (экспериментальная точка С). Если полиакриламид, бентонит и микрополимер используют совместно, то ситуация та же, то есть, если используют кислую водную композицию (экспериментальная точка F), то получают значительное улучшение по сравнению с ситуацией, когда кислую водную композицию не используют (экспериментальная точка Е).
На Фиг.2 представлены различия между различными экспериментальными точками в отношении удержания суспендированных твердых веществ. Если в качестве удерживающего средства используют катионный полимер, то не возникает различий между случаями, в которых бумажную массу обрабатывают кислой водной композицией (экспериментальная точка В) или не обрабатывают (экспериментальная точка А). Напротив, если используют комбинацию полиакриламида и бентонита, то при использовании кислой водной композиции (экспериментальная точка D) удерживание суспендированных твердых веществ примерно на 3% выше, чем без использования кислой водной композиции (экспериментальная точка С). Если используют комбинацию полиакриламида, бентонита и микрополимера, то опять-таки при использовании кислой водной композиции (экспериментальная точка F) удерживание суспендированных твердых веществ примерно на 3% выше, чем без использования кислой водной композиции (экспериментальная точка Е).
Соответственно, на Фиг.3 представлены различия в удержании наполнителя между различными экспериментальными точками. Если в качестве удерживающего средства используют только катионный полиакриламид, то при использовании кислой водной композиции получают уровень удержания наполнителя, который примерно на 10% выше по сравнению со случаем, когда ее не используют (экспериментальные точки А и В). Соответственно, если в качестве удерживающих средств используют полиакриламид и бентонит, то при использовании кислой водной композиции 5 обеспечивается примерно 15%-ное повышение уровня удержания наполнителя (экспериментальные точки С и D). Примерно на 15% более высокий уровень удержания наполнителя также обеспечивается при использовании полиакриламида, бентонита и микрополимера (экспериментальные точки Е и F). Экспериментальными точками, в которых результаты получают с использованием кислой водной композиции, являются 10 экспериментальные точки В, D и F.
Различия в уровнях просвета между различными экспериментальными точками приведены ниже в Таблице 2.
Таблица 2
Просвет бумаги в экспериментальных точках
Экспериментальная точка
Просвет, г/м<sup>2</sup>
А
4,5
В
4,3
С
6,6
D
6,5
Е
5,4
F
5,3
Кислая водная композиция обеспечивает очень сходные значения просвета в экспериментах, выполненных с использованием только катионного полиакриламида (экспериментальная точка В), по сравнению с экспериментами, выполненными без использования кислой водной композиции (экспериментальная точка А). Просвет остается на том же уровне при совместном использовании полиакриламида и бентонита (экспериментальные точки С и D), независимо от того, использовали кислую водную композицию или нет. Ситуация остается такой же при использовании комбинации этих трех удерживающих средств (полиакриламида, бентонита и микрополимера) (экспериментальные точки Е и F). В этом случае экспериментальными точками, в которых результаты были получены с использованием кислой водной композиции, также являются экспериментальные точки B. D и F.
Пример 2
Эксперименты с обезвоживанием с использованием различных комбинаций удерживающих средств были выполнены с использованием DFR-устройства (BTG Mutek, DFR 04). Использованной бумажной массой была бумажная масса из напорного бака, полученная после прохождения бумажной массой насосов, питающих напорный бак машины для производства высокосортной немелованной бумаги, до начала дозирования удерживающих средств. Плотность бумажной массы была равна 0,5%, и в бумагоделательной машине использовали бумажную массу, содержавшую осажденный карбонат кальция (РСС) и другие сырьевые материалы. Профиль перемешивания в DFR-устройстве был следующим: 10 секунд при 400 об/мин, 30 секунд при 1000 об/мин и 10 секунд при 400 об/мин перед дренированием бумажной массы. После дренирования в течение 60 секунд была определена масса дренажной воды. Конечная масса дренажной воды в граммах является скоростью дренирования. В качестве удерживающего средства использовали анионный полиакриламид (Percol 156, далее Р156), катионный полиакриламид (Percol 3030, далее Р3030), бентонит (Hydrocol SH, далее SH) и их комбинации. Р156 и Р3030 добавляли через 5 секунд при 400 об/мин. SH бентонит добавляли через 45 секунд после начала эксперимента при 400 об/мин. Таким образом, общее время добавления удерживающих средств к бумажной массе напорного бака было равно 50 секундам до начала дренирования. Кислую водную композицию приготавливали так же, как в Примере 1, из жидких сточных вод бумажной массы напорного бака. В этом эксперименте оценивали эффект так называемой кислой водной композиции на характеристики обезвоживания бумажной массы. Чем больше масса дренажной воды, тем быстрее происходит обезвоживание дренажной массы. В каждой экспериментальной точке (см. Таблицу 3) было выполнено пять параллельных измерений.
Таблица 3
Использованные экспериментальные точки
Экспериментальная точка
А
Холостой раствор
В
Кислый холостой раствор
С
300 г/т Р156
D
300 г/т Р156 кислый
Е
2 кг/т SH
F
2 кг/т SH кислый
G
300 г/т Р156+2 кг/т SH
Н
300 г/т Р156+2 кг/т SH кислый
I
-300-г/т Р3030+2 кг/т SH
J
300 г/т Р3030+2 кг/т SH кислый
На Фиг.4 показаны различия в скорости дренирования между этими экспериментальными точками. Бумажная масса напорного бака, обработанная кислой водной композицией, имеет лучшие характеристики обезвоживания даже как таковая, что можно видеть при сравнении экспериментальных точек А (без кислой водной композиции) и В (с кислой водной композицией). Анионный полиакриламид (Р156) оказывает эффект ухудшения обезвоживания (экспериментальная точка С). Напротив, обработка кислой водной композицией и анионным полиакриламидом оказывает эффект, несколько улучшающий обезвоживание (экспериментальная точка D). Добавление бентонита (SH) улучшает способность к обезвоживанию как необработанной бумажной массы (экспериментальная точка D), так и бумажной массы, обработанной кислой водной композицией (экспериментальная точка F). Тем не менее, бумажная масса, обработанная кислой водной композицией, обладает большей способностью к обезвоживанию, чем необработанная бумажная масса. Добавление анионного полиакриламида (Р156) и бентонита (экспериментальная точка G) не повышает уровень обезвоживания, обеспечиваемый только бентонитом (экспериментальная точка Е). Напротив, анионный полиакриламид (Р156) улучшает обезвоживание при использовании совместно с бентонитом (экспериментальная точка Н) по сравнению с уровнем обезвоживания, обеспечиваемым только бентонитом и кислой водной композицией (экспериментальная точка F). Катионный полиакриламид (Р3030) совместно с бентонитом явно улучшает обезвоживание как в экспериментах, выполненных без кислой водной композиции (экспериментальная точка I), так и в экспериментах, выполненных с кислой водной композицией (экспериментальная точка J). Однако наибольшую скорость дренирования получают при использовании обработки кислой водной композицией (экспериментальная точка J).
Пример 3
Способность к обезвоживанию высокосортной немелованной бумажной массы была испытана с использованием устройства Freeness (стандартный канадский тестер Freeness). В качестве удерживающих средств были использованы катионный полиакриламид (Регсоп 182, Р182), бентонит (Hydrocol SH, SH) и коллоидный диоксид кремния (Telioform S20, S20). Удерживающие химические вещества добавляли к бумажной массе напорного бака с плотностью 0,55% в DDJ (резервуаре Бритта). Профиль перемешивания, использованный в DDJ, был следующим: 10 секунд при 500 об/мин, 30 секунд при 1500 об/мин и 10 секунд при 500 об/мин. После этого в устройстве Freeness из образца объемом 1000 мл дренировали 700 мл фильтрата и определяли необходимое для этого время.
В первом испытательном прогоне (см. Таблицу 4) катионный полиакриламид (Р182) добавляли в течение 5 секунд при скорости 500 об/мин. Бентонит (SH) или коллоидный диоксид кремния (S20) добавляли через 45 секунд после начала эксперимента при скорости 500 об/мин. Затем один литр бумажной массы из напорного бака дренировали с использованием устройства Freeness. Во второй серии испытаний добавляли бентонит (SH) или коллоидный диоксид кремния (S20) через 5 секунд при скорости 500 об/мин, а катионный полиакриламид (Р182) добавляли через 45 секунд при скорости 500 об/мин. После этого один литр бумажной массы из напорного бака дренировали с помощью устройства Freeness. Таким образом, порядок добавления удерживающих химических веществ в этой второй серии испытаний был обратным по сравнению с первой серией испытаний. Используемую кислую водную композицию получали из жидких стоков бумажной массы из напорного бака согласно Примеру 1. Соответственно, цель испытаний состояла в том, чтобы исследовать эффект порядка
10 добавления удерживающих средств на характеристики обезвоживания.
Таблица 4
Экспериментальные точки первой серии экспериментов
Экспериментальная точка
Р182, г/т
SH, кг/т
S20, г/т
Водный разбавитель
А
0
0
0
Без кислой водной композиции
В
300
0
0
Без кислой водной композиции
С
300
2
0
Без кислой водной композиции
D
300
0
0
Кислая водная композиция
Е
300
2
0
Кислая водная композиция
F
300
0
500
Без кислой водной композиции
G
300
0
500
Кислая водная композиция
Н
0
0
0
Кислая водная композиция
При сравнении экспериментальных точек А (без кислой водной композиции) и Н (с кислой водной композицией) можно видеть, что кислая водная композиция усиливает дренирующую способность даже без удерживающих химических веществ, что проиллюстрировано на Фиг.5. Если используют катионный полиакриламид (Р182), то можно видеть, что бумажная масса, обработанная кислой водной композицией (экспериментальная точка D), дренируется значительно быстрее, чем в случае, когда такую обработку не проводят (экспериментальная точка В). С помощью комбинаций катионного полиакриламида (Р182) и бентонита (SH) обеспечивают значительное улучшение обезвоживния. Однако обезвоживание также происходит гораздо быстрее при использовании кислой водной комлозиции (экспериментальная точка Е) чем в случае, когда осуществляют дренирование исходной бумажной массы из напорного бака (экспериментальная точка С). При использовании катионного полиакриламида (Р182) и коллоидного диоксида кремния (S20) ситуация такая же, как описано выше. С помощью кислой водной композиции (экспериментальная точка F) обеспечивают явное ускорение обезвоживания (по сравнению с экспериментальной точкой G).
Таблица 5
Экспериментальные точки второй серии испытаний
Экспериментальная точка
SH, кг/т
S20, г/т
Р182, г/т
Водный разбавитель
АА
0
0
0
без кислой водной композиции
ВВ
0
0
300
без кислой водной композиции
СС
2
0
300
без кислой водной композиции
DD
0
0
300
с кислой водной композицией
ЕЕ
2
0
300
с кислой водной композицией
FF
0
500
300
без кислой водной композиции
GG
0
500
300
с кислой водной композицией
НН
0
0
0
с кислой водной композицией
Результаты дренирования во второй серии испытаний показаны на Фиг.6. В этой серии испытаний добавления катионного полиакриламида (Р182) не производили до самого начала испытания с фильтрацией в устройстве Freeness. Кислая водная композиция ускоряет дренирование (экспериментальная точка НН) даже в отсутствие удерживающих химических веществ по сравнению с ситуацией, когда дренируют необработанную бумажную массу из напорного бака (экспериментальная точка АА). Как и в первой серии испытаний, более быстрое обезвоживание обеспечивают при использовании кислой водной композиции с катионным полиакриламидом (экспериментальная точка DD) по сравнению с ситуацией, когда его не используют (экспериментальная точка ВВ). Кислая водная композиция совместно с бентонитом (SH) и катионным полиакриламидом (Р182) помогает обеспечить (экспериментальная точка ее) еще более быстрое обезвоживание по сравнению со случаем, когда эти удерживающие средства добавляют к бумажной массе, не обработанной кислой водной композицией (экспериментальная точка СС). Такая же ситуация, как описано выше, возникает и в случае использования коллоидного диоксида кремния (S20 и катионного полиакриламида (Р182), то есть кислая водная композиция (экспериментальная точка GG) ускоряет обезвоживание по сравнению со случаем, когда ее не используют (экепериментальная точка FF).
Пример 4
2
2
Приготовление кислой водной композиции 50 г 40%-ной суспензии Са(ОН) добавляли к отработанной воде из машины для производства высокосортной немелованной бумаги. После этого через отработанную воду пропускали достаточное количество газообразного СО для снижения рН до 6,5. Отработанную воду, обработанную таким образом, которая ниже названа «кислой водной композицией», использовали в приведенных ниже Примерах 5 и 6.
Пример 5
Эффект кислой водной композиции на характеристики обезвоживания и удержания в присутствии коагулянтов
Эксперименты с обезвоживанием в присутствии различных комбинаций коагулянтов (то есть фиксаторов) и удерживающих средств были проведены с использованием DFR-устройства (BTG Mutek, DFR 4). Кислую водную композицию приготавливали согласно Примеру 4 с использованием отработанной воды из машины для производства высокосортной бумаги. В качестве бумажной массы использовали бумажную массу из смесительного резервуара машины для производства высокосортной немелованной бумаги. Плотность бумажной массы была равна 2,2%, и бумажная масса содержала осажденный карбонат кальция, красящие вещества и другие сырьевые материалы, используемые в бумагоделательной машине, например полиалюминия хлорид (РАС). Содержание золы в бумажной массе составляло 22%. К этой бумажной массе с 60-секундными интервалами при скорости вращения, равной 200 об/мин, вначале добавляли катионный кукурузный крахмал (Raisamyl 70021, в дальнейшем Raisamyl), а затем - коагулянт. Коагулянты - Alcofix 159, Alcofix 169 и Raifix 25035 - ниже будут обозначены как А159, А169 и Raifix. Alcofix 169 - это коагулянт поли-АДМАК типа, Alcofix 159 - это коагулянт полиаминного типа, a Raifix 25025 - это коагулянт на основе крахмала.
Эту бумажную массу разбавляли кислой водной композицией или обычной отработанной водой до плотности, равной 0,7%, перед экспериментами с обезвоживанием и удерживанием.
Профиль перемешивания в DFR-устройстве был следующим: 10 секунд при 400 об/мин, 30 секунд при 1000 об/мин и 15 секунд при 400 об/мин перед дренированием бумажной массы. После дренирования в течение 55 секунд определяли массу дренажной воды. Конечная масса дренажной воды определяет скорость дренирования. Катионный полиакриламид (Percol 3030, далее - Р3030), бентонит (Hydrocol SH, далее -SH), анионный микрополимер (Telioform М305, далее - М305) и их комбинации были использованы в качестве удерживающих средств (Таблица 6 и Фиг.7А; 7В и 8А; 8В).
Способы добавления различных удерживающих средств были разными. Р3030 добавляли через 5 секунд после начала испытания при скорости 400 об/мин. SH бентонит добавляли через 45 секунд после начала испытания при скорости 400 об/мин. М305 добавляли через 50 секунд после начала испытания при скорости 500 об/мин.
Таблица 6
Использованные экспериментальные точки
Экспериментальная точка
Вода
Raisamyl
А159
А169
Raifix
Р3030
SH
М305
А
Не кислая
5
0,5
0
0
0,2
2
0,1
В
Не кислая
5
0
0,5
0
0,2
2
0,1
С
Не кислая
5
0
0
0,5
0,2
2
0,1
D
Кислая
5
0,5
0
0
0,2
2
0,1
Е
Кислая
5
0
0,5
0
0,2
2
0,1
F
Кислая
5
0
0
0,5
0,2
2
0,1
G
Не кислая
5
0
0,5
0
0,3
2
0
Н
Кислая
5
0
0,5
0
0,3
2
0
I
Не кислая
5
0
0,5
0
0,3
0
0
J
Кислая
5
0
0,5
0
0,3
0
0
(Дозы химических веществ приведены в единицах кг/т в пересчете на активный агент).
В каждой экспериментальной точке было выполнено пять параллельных измерений. Содержание наполнителей определяли посредством озоления листов бумаги при 525°С в течение двух часов.
Из Фиг.7А можно видеть, что в экспериментальных точках D, Е и F, в которых была использована кислая водная композиция, скорость дренирования заметно больше, чем в экспериментальных точках А, В и С, где не была использована кислая водная композиция согласно настоящему изобретению.
Из Фиг.7 В можно видеть, как кислая водная композиция согласно настоящему изобретению улучшает удаление воды в удерживающей системе на основе микрочастиц (экспериментальная точка G в сравнении с экспериментальной точкой Н). Соответственно, обезвоживание с помощью кислой водной композиции, содержащей только катионный полиакриламид (экспериментальная точка J), происходит быстрее, чем без нее (экспериментальная точка I).
В свою очередь из Фиг.8А очевидно, что использование кислой водной композиции (экспериментальные точки D, Е и F) предпочтительно для удержания наполнителя. Соответственно, кислая водная композиция улучшает удерживание наполнителя в удерживающей cиcтеме на основе микрочаcтиц (экепериментальная точка Н) и при использовании только катионного полиакриламида (экспериментальная точка J).
В целом эксперимент показывает, что использование кислой водной композиции предпочтительно в случае коагулянтов и флокулянтов.
Пример 6
В типичном случае способ испытания, основанный на отсасывании с использованием вакуума, более надежен, чем способ, основанный на силе тяжести, в частности - для испытания дренирования в машинах для производства картона. В эксперименте, описанном в данном Примере, воду отсасывали из стандартного объема бумажной массы с помощью вакуумного насоса через фильтровальную бумагу, находившуюся в воронке для отсасывания. Измеряли время, затраченное на удаление воды (время дренирования), и содержание твердых веществ в полученном осадке на фильтре. Была использована воронка Бюхнера, в которую была плотно вложена влажная фильтровальная бумага (Whatman 541). Воронку герметично фиксировали на бутылке для отсасывания, к которой с помощью трубки был подключен вакуумный насос (Edwards Speedivac 2). Для каждого испытания отвешивали 750 граммов бумажной массы. Бумажная масса происходила из среднего слоя машины для производства гофрированного картона. Бумажная масса состояла из древесной массы и небольшого количества мелованного брака. Бумажную массу брали после смесительного резервуара машины для производства гофрированного картона. Осадки на фильтрах сушили при 105°С в течение двух часов. Испытание дренирования, основанное на отсасывании с помощью отсасывающего насоса, дает дополнительную информацию, в частности в случае машин с ограниченной возможностью сушки, относительно того, как можно управлять машиной с низкой потребностью в энергии для сушки с целью улучшения обезвоживания и как можно повысить эффективность функции обжатия (Таблица 7 и Фиг.9).
Таблица 7
Использованные экспериментальные точки
Экспериментальная точка
Вода
А159
А169
Raifix
SH
АА
Не кислая
0,5
0
0
2
ВВ
Кислая
0,5
0
0
2
СС
Не кислая
0
0,5
0
2
DD
Кислая
0
0,5
0
2
ЕЕ
Не кислая
0
0
0,5
2
FF
Кислая
0
0
0,5
2
Фиг.9 четко показывает, что кислая водная композиция заметно ускоряет обезвоживание.
В целом данный пример показывает, насколько предпочтителен эффект кислой водной композиции при использовании коагулянтов совместно с микрочастицами (бентонит).