СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ПРИМЕНЯЕМЫХ В ЦБП ФЛОКУЛЯНТОВ

При производстве бумаги помимо целлюлозы используются и другие группы вспомогательных веществ, такие как наполнители, проклеивающие вещества, флокулянты, деаэраторы, оптические отбеливатели и другие [1]. Необходимость введения тех или иных типов веществ в бумажную массу зависит от требуемых характеристик и типа выпускаемой продукции. За последние 100 лет каждый из типов вспомогательных химических веществ сильно претерпел несколько поколений изменений, за исключением, пожалуй, только минеральных наполнителей, которые до сих пор остались прежними и являются обычными ископаемыми (гипс, мел, каолин, диоксид титана).

По мере развития науки, в частности химии, химические вещества в ЦБП применялись в зависимости от требований своего времени именно к бумаге, а не к окружающей среде. Известно, что оборотная вода всегда содержит остатки реагентов и даже самого волокна, и далеко не на каждом ЦБП есть фильтры, препятствующие попаданию этих веществ в реки и озера [2].

Одним из химических компонентов, применяемых в ЦБП, являются флокулянты. Их применение ускоряет хлопьеобразование при отливе бумажной массы на сетку БДМ, лучше удерживает наполнитель, уменьшает промой волокна через сетку БДМ, увеличивает прочность влажного бумажного полотна. Одним из основных используемых флокулянтов является полиакриламид (ПАА), общая формула которого показана на рис 1. Он появился в 1950х и стал активно использоваться уже с 1970х для систем очистки воды и начал применяться в ЦБП, где его модификации используются до сих пор [4].

Рис. 1. Общая химическая формула полиакриламида

ПАА – водорастворимый полимер с очень высокой степенью полимеризации. Молекулярная масса некоторых марок варьируется от 3 до 11 млн. г/моль. Существует катионный, анионный и неионный ПАА. В зависимости от предъявляемых требований, применяют соответствующий тип ПАА. По сути, это сополимеры ПАА с другими веществами (акриловой кислотой и тд). Обычно в ЦБП применяют катионный ПАА, чтобы улучшить сцепление волокон целлюлозы, имеющих отрицательный заряд на поверхности, между собой. В случае применения макулатурного волокна, либо большого количества наполнителя, возможно успешное применение анионного ПАА, а в случае применения различных ламинирующих компонентов рекомендуется добавление неионного ПАА. Существуют также амфотерные (универсальные) ПАА, которые содержат как положительные, так и отрицательные заряды на поверхности [4].

Одним из достоинств базовой молекулы ПАА является ее малотоксичность. Отсюда и ее широкое применение и в водоочистке. Азотосодержащая молекула ПАА достаточно легко и быстро разлагается в водной среде под воздействием бактерий. Известно также применение ПАА в качестве загустителя крема в кондитерской промышленности.

Как уже было ранее сказано, в ЦБП применяются сополимеры ПАА. За последние десятилетия базовая молекула самого распространенного флокулянта, а именно ПАА, осталась неизменна, однако появилось много сополимеров акриламида с акролеином, акриловой кислотой, акрилонитрилом (обычно акрилат натрия), винилиденхлоридом и тд) [5].

Рис. 2. Аппарат Шоппер-Риглера СР-2

В работе по сравнению ПАА двух поколений применялся аппарат Шоппер-Риглера СР-2 (Рис. 2), масса навески целлюлозы 2г. Основные характеристики, анализируемые в данной работе это водоудержание (мл) и скорость обезвоживания, измеряемая в секундах [6].

В данной работе сравниваются ПАА современные и те, что применялись 25 лет назад. Исследовалось их влияние на скорость обезвоживании бумажной массы и водоудержание. Эти величины характеризуют время сброса воды самотеком с сетки БДМ (сек) и остаток воды, удерживаемый целлюлозным волокном (мл). В качестве современных ПАА были взяты флокулянты китайского производителя марки KY с 2мя степенями заряда ядра (анионный и катионный), а в качестве более раннего был исследован ПАА отечественного производителя марки Праестол 611 ВС, применявшийся тогда на многих предприятиях ЦБП в 2000е годы.

В качестве волокна применялись беленые сорта целлюлоз Архангельского ЦБК со степенью помола 20˚ ШР.

На графике 1 показывается зависимость времени обезвоживания бумажной массы при использовании трех различных ПАА.

График 1. Зависимость времени обезвоживания лиственной целлюлозы от концентрации ПАА

В случае с лиственной целлюлозой видно, что Праестол 611 ВС и катионный ПАА китайского производителя KY имеет немного схожую зависимость при увеличении концентрации ускорять обезвоживание. Природа обеих компонентов катионная, и волокно, имеющее отрицательный, то есть противоположный заряд на поверхности, хорошо образует химические связи с ПАА и это ускоряет хлопьеобразование. Почти никак не проявил себя анионный ПАА, поскольку и волокно, и анионный ПАА имеют схожий электрический заряд, добавление его в массу не ускоряет хлопьеобразование.

Следующий график 2 показывает зависимость времени обезвоживания для хвойной массы тех же химических добавок.

График 2. Зависимость времени обезвоживания хвойной целлюлозы от концентрации ПАА

Хвойная масса, в отличие от лиственной, с катионными добавками проявляет себя по-своему, однако здесь явно похожи по свойствам и катионные ПАА от KY и Праестол 611 ВС, которые практически никак не реагировали на повышение концентрации. А ускорение обезвоживания при увеличении концентрации анионного ПАА можно объяснить строением волокна хвойной целлюлозы при данном градусе помола.

Следующая характеристика, отраженная в данной работе, это водоудержание. График 3 показывает зависимость водоудержание лиственной целлюлозы от концентрации ПАА.

График 3. Зависимость водоудержания лиственной целлюлозы от концентрации ПАА

В данной случае видно, что в случае применения ПАА Праестол 611 ВС, водоудержание незначительно меняется при различных концентрациях, что может говорить о том, что его формула несколько может отличается, так как ПАА это группа сополимеров полиакриламида и каких-либо других веществ.

График 4. Зависимость водоудержания хвойной целлюлозы от концентрации ПАА

График 4 показывает зависимость водоудержания хвойной целлюлозы от применения ПАА. В данном графике видно, что катионный ПАА от китайского производителя при концентрации, близкой к максимально-рекомендуемой, сильно гидратируется, удерживая воды почти в 2 раза больше, чем без его применения.

Вывод. Все исследованные ПАА по-разному реагируют на тип целлюлозы, ускоряя либо замедляя процесс обезвоживания бумажной массы, а также по-разному удерживают остаточную воду. Праестол 611 ВС, применявшийся 25 лет назад, давно сменился другими ПАА. Что касается современных иностранных, в данном случае китайских ПАА, то их применение также оказало влияние на процессы обезвоживания целлюлозного волокна, что отражено в данной работе.