جوهرزدائي و بازيابي کاغذ به روش فلوتاسيون

چکيده
   دراين تحقيق جوهرزدائي و بازيافت کاغذهاي چاپ شيميايي به روش فلوتاسيون مورد بررسي قرار گرفت. با بررسي پارامترهاي مختلف مشخص گرديد که علاوه بر تاثير مواد شيميايي، درجه حرارت و زمان خمير سازي اثر مستقيمي بر شفافيت خمير جوهرزدائي شده دارد، بنحوي که با افزايش درجه حرارت يا زمان خميرسازي و يا هر دو، ميزان شفافيت خميرکاغذ جوهرزدائي شده افزايش مي يابد و اين بدان معني است که کارايي فلوتاسيون افزايش مي يابد. غلظت پالپ بر خلاف غلظت هاي رايج مواد معدني (35-30) درصد، در مرحله خمير سازي (10-5) درصد ودر مرحله فلوتاسيون (3-1) درصد متغيربود. با توجه به نتايج حاصل، شرايط بهينه پارامترها مختلف بصورت زير بدست آمدند:
   زمان خمير سازي: 10 دقيقه pH خمير سازي:11
   درجه حرارت خمير سازي:c650 pH شناور سازي:5/10

کلمات کليدي: بازيافت کاغذ، جوهرزدائي، فلوتاسيون، فيبر، کاغذ باطله.

 پيش گفتار:
     1- مقدمه
   صنعت بازيافت کاغذ در طي چند دهه اخيربدلايل اقتصادي و زيست محيطي، حرکت رو به رشدي را داشت و بعنوان يک ضرورت در جهان مطرح شده است.کمبود مواد اوليه فيبري و نياز روزافزون جوامع بشري به فرآورده هاي سلولزي از جمله کاغذ و از طرف ديگر وضع قوانين زيست محيطي در جهت محدود کردن آلودگي هاي ناشي از توليدات صنعتي از جمله خمير کاغذ و کاغذ، سبب گرديده است که موضوع بازيافت فرآورده هاي مصرفي بعنوان يک استراتژي مورد قبول جامعه جهاني مطرح گردد و لذا از طريق تحقیقات علمی و کاربردی، توسعه آن بطور جدی پیگیری می شود. در این میان صنایع بازیافت کاغذ نیز از این امر مستثنی نمی باشد و حاصل تحقیقات گسترده در زمینه بازیافت کاغذ، پیشرفتهای شگرفی است که در چند دهه گذشته پایه و اساس صنایع مدرن بازیابی کاغذهای باطله را تشکیل داده است]1[. به موازات پیشرفتهای تکنولوژیکی در زمینه صنلیع بازیافت کاغذ، اسباب مورد نیاز و خاص این صنعت نیز بسرعت گسترش یافته است. هم اکنون یکی از زمینه های بازرگانی فرآورده های سلولزی، تجارت کاغذهای باطله است، که همه ساله حجم نسبتا زیادی را به خود اختصاص می دهد]1[.
   آنچه در این پروژه مورد نظر قرار گرفت، ارائه اهمیت بازیافت کاغذ و روشهای جوهرزدائی کاغد بود. در این ارتباط روش فلوتاسیون در مقیاس آزمایشگاهی در جهت بررسی نتایج حاصل از جوهرزدائی و بازیافت کاغذ مورد ارزیابی قرار گرفت که نتایج حاصل در این مقاله ارائه شده است.
   
 2- اهميت بازيافت کاغذهاي باطله
همانطوریکه گندم امنيت غذايي مردم را تامين مي کند،کاغذ نیز امنيت فرهنگي جامعه را فراهم می سازد]2[. بطور متوسط در توليد يک تن کاغذ، 5 متر مکعب چوب مورد نياز است (حدود50 عدد درخت). باتوجه به اينکه حداقل 30% از کاغذهاي بازيافتي بعنوان کاغذ جديد استفاده مي شوند، لذا بازيافت يک تن کاغذ موجب صرفه جويي درمصرف 17 عدد درخت می شود. اگرچه جمعيت آسيا 40 % جهان را تشکیل می دهد، ولي صرفا 10 % جنگلهاي جهان را دارد]2[. بنابراین درسالهاي آينده نياز به کاغذ باطله بيشتر خواهد بود. درسال 2001 ميلادي مصرف سرانه کاغذ کانادا حدود 280 کيلوگرم، فنلاند حدود 228 کيلوگرم، آمريکا و ژاپن 202 کيلوگرم، برزيل 26 کيلوگرم گزارش شده است]2[. این امر در حالی است که مصرف سرانه کاغذ(و البته مقوا)، مجموعا (16ـ14) کيلوگرم براي کشورایران است. براساس این فرض که متوسط رشد جمعيت در ایران به ميزان 5/1% و رشد مصرف درحداقل درصد در طول10 سال آینده باشد، میزان سرانه کاغذ و مقواي مصرفي براي هرنفردرسال 2011 ميلادي، حدود 20 کيلوگرم و همچنین میزان کل کاغذ و مقواي مصرفي کشور حداقل 5/1ميليون تن پيش بيني مي گردد]2[. درحال حاضردرحدود250ـ230 هزار تن کاغذ باطله (حدود 25% از کل کاغذ ومقواي مصرفي کشور)، درشرکتهاي توليدي کاغذ و مقوا مصرف دارند. البته با بکارگيری سيستم هاي مدرن وبرنامه ريزي مدون، اين مقدار مي تواند تا سال 1390 شمسی به بيش از450 هزارتن ارتفاء یابد]2[. درسطح جهان بيش از 31 ميليون تن الياف، از حدود 400 کارخانه، بازیافت و جوهرزدائي مي شوند، علت اين امراهميت موضوع بازيافت و حداکثر استفاده از منابع سلولزي است]2[.

3- روشهاي جوهر زدائي
ذرات جوهرعموما شامل مواد زير مي باشد]3[:
1- پیگمنت
2- عوامل چسبنده (داراي پايه آلي يا پايه آبي (
3- افزودني ها (اسيدهاي آلي ـ پليمرها)
4- عوامل پرکننده (پوشش دهندها و شفاف کننده ها)
5- خشک کننده ها.
جوهرهای با اساس آبي و آلي دونوع عمده جوهرهای مصرفی را تشکیل می دهند]3[. تکنولوژی جوهرزدائی در طی 20 سال اخیر توسعه شگرفی یافته است و تاکنون مقادیر زیادی از کاغذهای ضایعاتی بازیافت شده اند. اهمیت جوهرزدائی بعنوان یک فرآیند صنعتی روبه افزایش است. فاکتورهای موثربربازيافت کاغذهاي باطله عبارتنداز]4[:
مواد شيميايي مورد استفاده درساخت کاغذ و پرکننده ها
روش جمع آوري و طبقه بندي کاغذهاي باطله
نوع جوهرمورد استفاده در نوشتن
سن کاغذهای باطله.
تکنيک هاي جوهر زدائي که در حال حاضر بیشتر کاربرد دارند، شامل فلوتاسيون، شستشو و استفاده از سلولز و آنزيمها مي باشد. طراحي فرآيند جوهرزدئي به کيفيت محصول کاغذ توليدي و نوع کاغذ باطله مصرفي بستگي دارد. بديهي است که هرچه کيفيت کاغذ باطله پائین تر باشد و هدف تولید محصولی با کيفيت بالاتری باشد، به انجام مراحل خالص سازی باطله بيشتري نياز است. هدف اصلي ازجوهرزدائي، تهيه خميري است که کاغذ حاصل ازآن به ميزان کافي سفيد باشد و درآن لکه هاي جوهرقابل رویت با چشم موجود نباشد. بنابراين خارج نمودن کامل ذرات درشت جوهر (بزرگتراز40 میکرون) يک هدف مهم و اساسي است. همچنين زدودن ذرات مرکب ریزتر از40 میکرون بارعايت جنبه هاي اقتصادي نيزمورد توجه کاغذ سازها مي باشد.

4- کاربرد فلوتاسيون در جوهرزدائي کاغذهاي باطله
درجذب ذرات جوهر از سطح کاغذهاي باطله به روش فلوتاسيون چهار مرحله اساسي وجود دارد ]4[:
1ـ جداسازي ذرات جوهر ازفيبرهاي کاغذ در پالپ و با حضورمواد شيميايي،
2ـ توليد انتشار پايداري از ذرات در محلول آماده شده،
3ـ فلوتاسيون ذرات جوهر،
4ـ جلوگيري ازرسوب مجدد ذرات جوهر برروي فيبرها.
لازم به توضیح است که در روش فلوتاسیون، مواد شیمیایی جهت اجرای سه وظیفه زیر بکار می روند]3[.
ـ بعنوان جدا کننده براي جدا کردن جوهر ازسطح فيبر و جلوگيري از شناوري ذرات جدا شده فيبر،
ـ بعنوان کلکتور براي تجمع ذرات ريز به واحدهاي بزرگتر وتغيير سطح ذرات ازآب دوست بودن به آبران بودن،
ـ بعنوان یک کف ساز براي توليد لايه اي از کف دربالاي سلول فلوتاسيون درون کف.
البته بايد درنظرداشت که همواره تمامی مواد مذکورمورد نياز نمی باشد. بعنوان نمونه برخی از ذرات جوهربه طورطبيعي آبران هستند. بنابراين هنگام جوهرزدائي ازکاغذهايي که با اين نوع جوهرها چاپ مي شوند، نياز به افزودن کلکتور(به پالپ) نمی باشد. همچنين درصورتيکه ذرات جوهر بتواند به روشهاي زيراز فيبرجدا شوند، کاهش و يا عدم مصرف مواد شيميايي صورت می پذیرد]1و5[.
ـ آنزيمها ومواد شيميايي دردسترس وارزان مانند هيدروکسيدسدیم،
ـ فعاليت هاي مکانيکي مانند استفاده ازروشهای الکتريکي و مغتاطيسي ،
ـ پرتو مافوق صوت.
درمورد جوهرزدائي کاغذهاي باطله نيز عمليات فلوتاسيون توسط pH کنترل مي شود. فورستر، اثر pH برپتانسيل زتا را براي ذرات جوهر بررسي نمود]4[. مقدار پتانسيل زتا در6= pH درحدودmv25 است ودر10= pH ازmv50 تجاوز مي نمايد]4[. جذب يونهاي -OH موجب افزايش نيروي دفع الکترواستاتيکي بين فيبرها وذرات جوهر می شود و به جدایش جوهر از سطح فيبرها کمک مي نماید. فرآيند انتقال جوهر ازسطح فيبــر بطــور شماتيک در شکل1 ارائه شده است ]1[.

شکل 1- طرح شماتيک فرآيند انتقال جوهر از سطح فيبر]1[.

دراولين مرحله يونهاي هيدروکسيل، فيبرها وذرات جوهر را داراي بارمنفي مي نماید.
درمرحله ثانويه قسمت آبران از داروي افزوده شده به ذرات جوهر مي چسبد وتوسط نيروی دافعه بين جوهر و فيبر نيز پشتياني مي شود، تا نهايتا ذره جوهر از سطح کاغذآزاد شود. انتقال لايه هاي جوهرازمواد فيبري (شکل1)، دراثر افزودن يون OH- و مواد شيميايي و نيروهاي برشي، فشاري ومالشي درحين عمليات همزني جدا مي شود]1[. لازمه جدايش مکانيکي ذرات جوهر، کاهش نيروي چسبندگي بين اين ذرات و سطح فيبر مي باشد. بنابراين ترکيب هاي زير به عنوان داروهاي کمکي به سلول افزوده مي شوند:
هيدروکسيدسديم
دارو هاي پاک کننده
عوامل کمپکس
پراکسيدهيدروژن
هريک ازمواد مذکور نقش ويژه اي را درفرايندهاي شيميايي فلوتاسيون ايفا مي نمايند. بعنوان مثال هيدروکسيدسديم با اسيدچرب واکنش مي دهد و نمک سديم فعالي را تشکيل مي دهد و پراکسيدهيدروژن بعنوان سفيد کننده بکار مي رود. عوامل کمپلکس در جلوگيري ازکاهش اثر H2O2 دراثرعمل يونهاي فلزي سنگين بکار مي رود. اسيدهاي چرب همراه هيدروکسيدسديم باعث کاهش کشش سطحي آب مي شوند]1,5[.

5- روش تحقیق
5-1- نمونه
در این تحقیق جوهرزدائی و بازیافت کاغذهای چاپ باطله شیمیایی به روش فلوتاسیون مورد مطالعه قرار گرفت.کاغدهای باطله دارای چاپ تک رو بوده، که بدلایل مختلف، عموما ویرایشی و یا مشکلات فنی مربوط به چاپ و غیره پس از چاپ بصورت باطله در نظر گرفته شده اند.

5-2- مراحل آزمایش
در این تحقیق برای حذف جوهرهای چاپ از سیستم جوهرزدائی به روش شناورسازی استفاده شد. بطور کلی عملیات خمیرزدایی به سه بخش عمده زیرتقسیم می گرددکه ذیلا شرح هر بخش ارائه شده است:
عملیات خمیرسازی
عملیات جداسازی جوهر(جوهرزدائی)
عملیات شستشو.
5-2-1- عملیات خمیرسازی
اولین مرحله از جوهرزدایی، تبدیل کاغذهای باطله به خمیر کاغذ که به آن خمیر سازی (Repulping) نیزمی گویند، عملیات خمیرسازی یک فرآیند مکانیکی- شیمیایی است و تنظیم متغیرهای فیزیکی، شیمیایی و مکانیکی نقش تعیین کننده ای در راندمان و کیفیت خمیر کاغذ حاصل از فرآیند جوهرزدائی خواهند داشت. مواد شیمیایی مورد استفاده در مرحله خمیر سازی کاغذهای باطله شیمیایی بشرح زیر در نظر گرفته شدند:

- هیدروکسید سدیم(NaOH) به نسبتهای cc 2، cc 5/2، cc 3 ( عامل متغیر)،
- اسید چرب(Fatty Acid) به نسبت cc 5/0 بصورت ثابت.
شرایط فیزیکی مورد استفاده در مرحله خمیر سازی کاغذهای باطله شیمیایی بصورت زیر در نظر گرفته شد:

در جه حرارت به میزان 50 و 65 درجه سانتیگراد (عامل متغیر)،
زمان خمیر سازی به میزان 5 و 10 دقیقه (عامل متغیر)،
غلظت خمیر کاغذ به میزان 3% و بصورت ثابت.

5-2-1-1- خمیر سازی
ابتدا 30 گرم کاغذ باطله شیمیایی بر مبنای وزن خشک توزین شد و سپس بسته به هر مرحله از آزمایش مواد شیمیایی به مقدار مورد نظر تهیه و به همراه یک لیتر آب ( با درجه حرات مورد نظر) به کاغذ باطله اضافه گردید. مجموعه کاغذ های باطله(که قبلا به تکه های کوچکی بصورت دستی تبدیل شده بودند) و مواد شیمیایی و آب با درجه حرارت مورد نظربه یک مخلوط کن آزمایشگاهی تخلیه شده وعملیات خمیرسازی با دور آهسته مخلوط کن انجام گرفت. پس از پایان عملیات خمیر سازی، خمیر کاغذ حاصل به مدت نیم ساعت در شرایط آزمایشگاه نگهداشته شد و pH آن اندازه گیری ثبت شد.

5-2-2- جداسازی جوهر(جوهرزدائی)
عملیات حذف جوهر به روش شناورسازی یک فرآیند فیزیکی- شیمیایی است، که تنظیم عوامل شیمیایی و فیزیکی در کارآیی و راندمان عملیات جوهرزدائی نقش بسیار مهم و تعیین کننده ای دارد.
شرایط فیزیکی و شیمیایی عملیات شناورسازی جوهر ذیلا آورده شده است:
هیدروکسید کسیم (Ca(OH)2) به نسبت cc 2 بصورت ثابت
روغن کاج نسبت cc 5/0 بصورت ثابت

عوامل فیزیکی مرحله جوهرزدائی شامل موارد زیر بودند:
غلظت کاغذ به میزان 1% و بصورت ثابت
درجه حرارت مرحله شناورسازی جوهربه میزان 40 درجه سانتیگراد و بصورت ثابت
زمان شناورسازی جوهربه میزان 10 دقیقه و بصورت ثابت.

5-2-2-1- شناورسازی جوهر
پس از مرحله خمیرسازی، غلظت خمیر کاغذ حاصل با افزودن آب گرم(درجه حرارت آب بنحوی تنظیم شد که دمای خمیر کاغذ در مرحله شناورسازی 40 درجه سانتیگراد باشد) به اندازه سه لیتر به 1% رسانده شده و pH مرحله شناورسازی اندازه گیری شد. سپس خمیر کاغذ به یک سلول شناورسازی جوهر منتقل شده و هیدروکسید کلسیم و روغن کاج به مقدار مورد نظر به آن اضافه گردید. پس از آن عملیات هوادهی به مدت 10 دقیقه به منظور شناور سازی ذرات جوهر انجام شد و کف حاصل ازعملیات جوهرزدائی(که در واقع مجموعه ای از الیاف و ذرات جوهر می باشد) بصورت سر ریز از مخزن شناور سازی جدا گردید.

5-2-3- شستشو
در فرآیند جوهرزدائی به روش شناورسازی لازم است که خمیر جوهرزدائی شده مورد شستشو قرار گیرد. اینکار به منظور تمیز سازی بیشتر خمیر جوهرزدائی شده و کاهش میزان خاکستر در خمیر کاغذ انجام می گیرد. در این تحقیق پس از جوهرزدائی، خمیر کاغذ حاصل مورد یک مرحله شستشو بر روی الک 200 مش(75 میکرون) قرار گرفت. در نمودار 1 تاثیر مقدار مصرف NaOH، در حرارت و زمان خمیر سازی بر روی شفافیت خمیرهای جوهرزدایی شده از کاغذهای باطله شیمیایی ارائه شده است. همانطوریکه در نمودار مشاهده می شود روند میزان شفافیت در مرحله خمیرسازی با دمای 50 درجه سانتیگراد نزولی است، بعبارت دیگر با افزایش مصرف هیدوکسید سدیم در دمای 50 درجه سانتیگراد برای مرحله خمیرسازی میزان شفافیت خمیر کاغذ جوهر زدائی شده کاهش می یابد. چنانچه در دمای خمیرسازی50 درجه سانتیگراد زمانهای خمیر سازی 5 و10 دقیقه مورد مقایسه قرار گیرند، مشخص می گردد که میزان شفافیت خمیر کاغذ برای زمان خمیرسازی 10دقیقه بیشتر از زمان خمیرسازی 5 دقیقه است. اگرچه روند کاهش شفافیت برای هر دو زمان خمیرسازی تقریبا مشابه می باشد. از طرف دیگر روند تغییرات میزان شفافیت خمیر جوهرزدائی شده برای خمیر سازی با دمای 65 درجه سانتیگراد کاملا بر عکس دمای 50 درجه سانتیگراد است. به این معنی که در دمای خمیرسازی درجه سانتیگراد با افزایش مصرف NaOH، میزان شفافیت خمیر کاغذافزایش می یابد و بیشترین میزان شفافیت مربوط است به دمای خمیرسازی65 درجه سانتیگراد و زمان خمیرسازی 10 دقیقه است. در مقایسه بین دو زمان خمیرسازی 5 و10 دقیقه همانطوریکه در نمودار نشان داده شده است، میزان شفافیت خمیر کاغذ در زمان خمیرسازی 10 دقیقه بیشتر از زمان خمیرسازی 5 دقیقه می باشد. نتایج حاصل ازآزمایش ها حاکی از آن است که دو عامل درجه حرارت و زمان خمیرسازی، تاثیر مستقیمی بر روی میزان شفافیت خمیر کاغذ جوهرزدائی شده از کاغذهای باطله شیمیایی دارند. بعبارت دیگر با افزایش درجه حرارت یا زمان خمیرسازی و یا هر دو، میزان شفافیت خمیر کاغذ جوهرزدائی شده افزایش می یابد. در این میان تاثیر درجه حرارت خمیرسازی به مراتب بیشتر از زمان خمیرسازی است و چنانچه درجه حرارت و زمان خمیرسازی هر دو افزایش یابند، بیشترین افزایش در شفافیت خمیر کاغذ جوهرزدائی شده حاصل می گردد.

نمودار1- تاثير متغيرهاي خميرسازي بر شفافيت خمير جوهرزذايي شده

 نتيجه گيري:
     5-3- نتیجه گیری
   ـ هدف عمده درمطالعه انجام شده مبتني بر بررسی صنعت بازیافت مواد و ارتباط آن با صنعت فرآوري مواد معدني بوده است.
   - جوهرزدائی از کاغذ از لحاظ اقتصادی و زیست محیطی طبق آمار ارائه شده ، برای کشور اهمیت زیادی دارد و لذا توجه به این صنعت توسط متخصصین رشته های فرآوری، متالورژی و مهندسی محیط زیست ضروری است
   - امروزه با توسعه صنعت فرآوری مواد معدنی در داخل کشور، برخی از ماشین آلات این صنعت( که مربوط به صنعت بازیافت مواد هم می باشند)، قابل ساخت و عرضه است.
   - به منظورجوهرزدائی از کاغذ از روشهای فلوتاسیون و شستشو، روشهای سلولزی و آنزیمها استفاده می شود و البته روش فلوتاسیون بیشترین کاربرد را دارد.
   - در بررسی ها مشخص شد که عوامل و پارامترهای موثر در کاربرد فلوتاسیون برای جوهرزدائی عبارتند از: pH، درجه حرارت، زمان خمیر سازی، نوع و میزان مواد شیمیایی مصرفی.
   - با توجه به نتایج حاصل از آزمایش ها ل مختلف، شرایط بهینه پارامترها بصورت زیر بدست آمد:
   زمان خمیر سازی: 10 دقیقه
   pH خمیر سازی:11
   درجه حرارت خمیر سازی:c650
   pH شناور سازی:5/10.
   
 

6- منابع :
  
   1- kaya, Muammer, Alp, Halil, 1994,"Waste paper Dinking by froth flotation", Osmangazi University, Mining Engineering Department, Eskishir, Turkey, www.ipst.gatech.edu/tech_transfer/ pdfs/030129_Fact_Flot_Deink.pdf
   2- Iran, “Wood and Paper Industry”, 2003, autumn, No. 8.
   3- Kemper, Martin, 1998,"New technologies in flotation deinking", International Journal of Mineral Processing, Volume 56, Issues 1-4, April 1999, Pages 317-333 Germany.
   4- Dobias, klar, B.W., Schwinger, k, 1991,"Flotation of pigments inks from wastes paper", Nato Asi, Innovation in Advanced Flotation Technology, www.fpl.fs.fed.us/documnts/pdf1998/mccut98a.pdf.
   5-Berndt, W.1982," Die chemikalien der deinking-processes wochenbatt far peppier fabrication", Vol. 15, pp. 539-541. www.springerlink.com/index/UEFC8PN724FP20TH.pdf