Nghiên cứu áp dụng phương pháp gia keo kiềm tính cho quá trình sản xuất giấy và các tông bao gói

  • Số trang: 228 |
  • Loại file: PDF |
  • Lượt xem: 50 |
  • Lượt tải: 0
nguyetha

Đã đăng 7932 tài liệu

Mô tả:

BỘ CÔNG THƯƠNG TỔNG CÔNG TY GIẤY VIỆT NAM CÔNG TY TNHH - VIỆN CÔNG NGHIỆP GIẤY & XENLUYLÔ **************&************ BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI CẤP BỘ NĂM 2011 NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP GIA KEO KIỀM TÍNH CHO QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT GIẤY VÀ CÁC TÔNG BAO GÓI Cơ quan chủ quản: Cơ quan chủ trì: Chủ nhiệm đề tài: BỘ CÔNG THƯƠNG CÔNG TY TNHH - VIỆN CN GIẤY & XENLUYLÔ Đỗ Thanh Tú Kỹ sư công nghệ giấy 9024 HÀ NỘI 01/2012 1 MỤC LỤC TT Nội dung Trang MỞ ĐẦU 1 I Tổng quan về nguyên liệu bao bì hòm hộp cũ (OCC) cho quá trình sản xuất giấy và các tông bao gói, quá trình gia keo chống thấm cho giấy và các tông bao gói từ nguyên liệu OCC. 4 1.1 Tổng quan về nguyên liệu bao bì hòm hộp cũ (OCC) cho quá trình sản xuất giấy và các tông bao gói. 4 1.2 Quá trình gia keo chống thấm cho giấy và các tông bao gói từ nguyên liệu bao bì hòm hộp cũ (OCC) 7 1.2.1 Quá trình gia keo bằng keo nhựa thông 7 1.2.2 Quá trình gia keo kiềm tính (AKD) 9 Kết luận và định hướng nghiên cứu 19 II Nguyên liệu và phương pháp nghiên cứu 21 2.1 Nguyên liệu, hóa chất và thiết bị nghiên cứu 21 2.2 Phương pháp nghiên cứu 23 III Kết quả nghiên cứu và thảo luận 24 3.1 Khảo sát thực trạng sử dụng nguyên liệu OCC (bao bì hòm hộp cũ) trong sản xuất giấy và các tông bao gói có gia keo chống thấm bằng keo AKD (keo chống thấm kiềm tính) 24 3.2 Nghiên cứu ảnh hưởng của khoảng pH và mức dùng keo đến hiệu quả quá trình gia keo chống thấm bằng keo AKD (keo chống thấm kiềm tính) trong quá trình sản xuất giấy và các tông bao gói. 25 3.2.1 Ảnh hưởng của pH và mức dùng keo AKD đến hiệu quả quá trình gia keo 26 3.2.2 Ảnh hưởng của pH đến tính chất cơ lý của giấy 27 3.3 Nghiên cứu ảnh hưởng của chủng loại nguyên liệu và quá trình xử lý nguyên liệu (quá trình rửa bột giấy) đến hiệu quả quá trình gia keo. 28 3.4 Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình tuần hoàn nước trắng đến hiệu quả của quá trình gia keo chống thấm bằng keo AKD (keo chống thấm kiềm tính) trong quá trình sản xuất giấy và các tông bao gói. 29 3.4.1 Ảnh hưởng của lượng nước trắng tuần hoàn trong vòng tuần 30 2 hoàn ngắn (vòng tuần hoàn hoàn trên hình 1.2) đến hiệu quả của quá trình gia keo. 3.4.2 Ảnh hưởng của lượng nước trắng tuần hoàn trong vòng tuần hoàn dài (vòng tuần hoàn hoàn trên hình 1.2) đến hiệu quả của quá trình gia keo. 31 3.4.3 Nghiên cứu ảnh hưởng của các ion kim loại trong nước trắng đến hiệu quả quá trình gia keo 32 3.5 Nghiên cứu so sánh một số loại keo AKD (keo chống thấm kiềm tính) thương phẩm đang lưu hành đến hiệu quả gia keo trong sản xuất giấy và các tông bao gói. 34 3.6 Kết luận 34 3.7 Sản xuất thử nghiệm giấy và các tông bao gói gia keo chống thấm bằng keo AKD (keo chống thấm kiềm tính) 35 3.7.1 Quy trình sản xuất thử nghiệm 35 3.7.2 Sản xuất thử nghiệm giấy bao gói gia keo chống thấm bằng keo AKD 36 3.8 Ước tính chi phí nguyên nhiên liệu trực tiếp cho quá trình sản xuất 1 tấn giấy bao gói gia keo chống thấm bằng keo AKD. 37 Kết luận và kiến nghị 39 3 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng Nội dung Trang Bảng 1.1 Tỷ lệ một số thành phần chính trong các tông sóng Châu Á và Mỹ 5 Bảng 1.2 Ảnh hưởng của độ dài gốc R tới hiệu quả gia keo AKD 10 Bảng 2.1 Thành phần bột giấy từ nguyên liệu OCC 21 Bảng 2.2 Tính chất cơ lý của bột giấy từ nguyên liệu OCC 21 Bảng 2.3 Một số thông số kỹ thuật của các loại keo AKD 22 Bảng 2.4 Một số thông số kỹ thuật của tinh bột cation 22 Bảng 3.1 Kết quả khảo sát tại một số cơ sở sản xuất giấy và các tông bao gói 25 Bảng 3.2 Ảnh hưởng của mức dùng keo AKD và pH đến độ hút nước Cobb60 26 Bảng 3.3 Ảnh hưởng của pH đến tính chất cơ lý của giấy 27 Bảng 3.4 Ảnh hưởng của chủng loại nguyên liệu và quá trình xử lý nguyên liệu đến hiệu quả quá trình gia keo 28 Bảng 3.5 Ảnh hưởng của lượng nước trắng tuần hoàn trong vòng tuần hoàn ngắn đến hiệu quả quá trình gia keo 31 Bảng 3.6 Ảnh hưởng của lượng nước trắng tuần hoàn trong vòng tuần hoàn dài đến hiệu quả quá trình gia keo 32 Bảng 3.7 Ảnh hưởng của chủng loại keo AKD đến hiệu quả quá trình gia keo 34 Bảng 3.8 Độ hút nước và độ dẫn nước trắng của giấy bao gói sản xuất thử nghiệm 36 Bảng 3.9 Ước tính chi phí nguyên nhiên liệu trực tiếp cho sản xuất 1 tấn giấy bao gói 37 4 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình Nội dung Trang Hình 1.1 Phản ứng biến tính nhựa thông bằng axít furmaríc 8 Hình 1.2 Phản ứng tổng hợp keo AKD 10 Hình 1.3 Phản ứng của AKD với nhóm OH của xenluylô 12 Hình 1.4 Phản ứng của keo AKD với H2O 12 Hình 1.5 Các giai đoạn của quá trình gia keo AKD 13 Hình 1.6 Phản ứng tạo thành muối Keton khi có mặt Ca2+, Al3+ 17 Hình 1.7 Ảnh hưởng của ion Al3+ lên hiện tượng hồi keo AKD 18 Hình 1.8 Sơ đồ khối dây chuyền công nghệ sản xuất giấy và các tông bao gói từ giấy loại (OCC) Hình 1.9 Sơ đồ khối dây chuyền lớp mặt, lớp lót và lớp đế của Công ty Cổ phần giấy Lam Sơn Hình 3.1 Ảnh hưởng của ion kim loại đến độ hút nước Cobb60 33 5 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Tên tiếng anh Tên tiếng việt AKD Alkyl Ketene Dimer Keo AKD ASA Alkyl Succinic Anhydrides Keo ASA PCC Precipitated Cancium Carbonate Bột đá can xi cacbonat kết tủa GCC Ground Cancium Carbonate Bột đá canxi cacbonat nghiền ppm Part per Million Phần triệu HST Hercules Size Test Phương pháp đo hiệu quả gia keo Khô tuyệt đối KTĐ Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN CS Cationic starch Tinh bột cation DS Degree of Substitution Độ thế của tinh bột Old Corrugated Containers Bao bì hòm hộp cũ OCC 6 MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây trên thế giới, đặc biệt là ở Việt Nam, bao bì hòm hộp đã qua sử dụng là nguồn cung cấp xơ sợi tái sinh quan trọng cho nhu cầu tiêu dùng bao bì trong công nghiệp đang gia tăng nhanh chóng. Xu hướng này có liên quan chặt chẽ đến quá trình phát triển của kinh tế thế giới và trong nước, bao bì hòm hộp từ xơ sợi thực vật đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ, vận chuyển các loại hàng hóa, thiết bị đến mọi nơi tiêu dùng. Các loại giấy và các tông bao gói được sử dụng rộng rãi hiện nay chủ yếu được sản xuất từ nguyên liệu xơ sợi thực vật, xơ sợi có tính ưa nước (có chứa nhiều nhóm ưa nước – OH, COOH), đồng thời giấy có cấu trúc xốp (có các lỗ nhỏ trên bề mặt tờ giấy). Vì vậy, nước và một số chất lỏng dễ dàng thấm vào trong tờ giấy làm cho tờ giấy bị mủn ra. Việc chống thấm cho tờ giấy dựa trên hai nguyên tắc cơ bản là tạo cho giấy có tính kỵ nước và bịt kín những lỗ nhỏ trên bề mặt tờ giấy làm cho nước và một số chất lỏng không thấm vào bên trong tờ giấy. Tương ứng với hai nguyên tắc trên trong sản xuất giấy có hai phương pháp đó là gia keo nội bộ và gia keo bề mặt: - Phương pháp gia keo nội bộ thường sử dụng những chất có tính kỵ nước như: Keo nhựa thông, keo AKD (Alkyl ketene dimers), keo ASA (Alkenyl succinic anhydrides) v.v… để bổ sung vào dòng huyền phù bột trước khi đưa bột giấy lên máy xeo giấy. Trong phương pháp này, chất gia keo nội bộ có tính kỵ nước khi bám dính lên bề mặt xơ sợi sẽ làm cho xơ sợi và tờ giấy mang tính kỵ nước. - Phương pháp gia keo bề mặt thường sử dụng những chất tạo màng như: tinh bột, keo polyvinylalcol v.v… để tráng phủ lên bề mặt tờ giấy. Trong phương pháp gia keo này, chất tạo màng sẽ bịt kín đa số các lỗ trống trên bề mặt tờ giấy, làm giảm khả năng thấm của nước và môt số chất lỏng vào bên trong tờ giấy. Phương pháp gia keo bề mặt còn có thêm công dụng là làm cho giấy có độ bền bề mặt cao, không bị bong sợi khi gặp ma sát trong quá trình in ấn. Đối với các loại giấy cần độ bền bề mặt cao, trong quá trình sản xuất giấy thường sử dụng cả hai phương pháp gia keo nội bộ và gia keo bề mặt. Tùy thuộc vào mục đích sử dụng, in mực nước (in phun, in offset, in lưới…) và in mực khô (in laser, photocopy…) mà sử dụng các chất keo và quy trình gia keo khác nhau. 7 Ưu điểm của gia keo chống thấm cho giấy và các tông bao gói bằng keo nhựa thông là hiệu quả gia keo cao và tức thời, giấy đanh và cứng. Ngày nay, để tăng hiệu quả chống thấm của keo nhựa thông, các thế hệ keo nhựa thông mới được nghiên cứu và áp dụng thành công vào trong thực tế. Tuy nhiên, trong quá trình sản xuất giấy và các tông bao gói gia keo chống thấm bằng keo nhựa thông có một số nhược điểm: quá trình khống chế pH gặp nhiều khó khăn (tốn nhiều phèn), hiệu quả tuần hoàn nước trắng thấp, xuất hiện các đốm keo trên bề mặt giấy, dính chăn lưới, giá thành nhựa thông cao. Hơn nữa, gia keo chống thấm bằng keo nhựa thông sinh nhiều bọt, làm thao tác chạy máy gặp nhiều khó khăn, thất thoát lượng bột giấy theo bọt v.v… Từ những năm 1980 cho đến nay, ngành công nghiệp sản xuất giấy và các tông trên thế giới nói chung và ở trong nước nói riêng đã có những chuyển đổi quan trọng về công nghệ gia keo nội bộ trong môi trường axít sang gia keo trong môi trường kiềm. Thực tế sản xuất trên thế giới và trong nước cho thấy công nghệ gia keo nội bộ trong môi trường kiềm có những ưu điểm hơn so với công nghệ gia keo nội bộ trong môi trường axít. Những ưu điểm của gia keo nội bộ trong môi trường kiềm: + Quá trình nghiền bột dễ dàng hơn, giảm tiêu hao năng lượng cho quá trình nghiền bột. + Giảm giá thành sản phẩm do nâng cao hàm lượng chất độn vô cơ trong giấy + Tiết kiệm lượng nước sạch cho sản xuất do sử dụng hiệu quả nước trắng trong quá trình sản xuất. + Giấy có độ bền cơ học, độ trắng và độ đục cao hơn + Giảm chi phí khấu hao thiết bị nhờ sự giảm ăn mòn của các thiết bị trong quá trình sản xuất. + Năng suất chạy máy cao hơn do ít xảy ra sự cố bám dính chăn lưới Hiện nay, ở trong nước nguồn nguyên liệu chủ yếu sản xuất giấy bao gói và các tông là sử dụng OCC (Old Corrugated Containners). Tuy nhiên, chất lượng OCC ngày càng thấp do quá trình tái sinh nhiều lần và chứa nhiều các tạp chất như: mực in, tinh bột, chất độn v.v… Hơn nữa, trong sản xuất để hạn chế nước thải, tiết kiệm nước công nghệ các nhà máy thường sử dụng lượng nước tuần hoàn lớn và hạn chế quá trình rửa, làm sạch, loại bỏ tạp chất trong giai đoạn chuẩn bị bột. Những yếu tố này ảnh hưởng đến hiệu quả của quá trình gia keo, quá trình gia keo không ổn định, tăng mức dùng 8 keo. Trước thực trạng nêu trên, việc nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả quá trình gia keo kiềm tính AKD và đưa ra quy trình gia keo kiềm tính thích hợp là một việc làm rất cần thiết. Vì vậy, Viện Công nghiệp Giấy và Xenluylô được Bộ Công Thương giao nhiệm vụ nghiên cứu khoa học công nghệ năm 2011, thực hiện đề tài: “Nghiên cứu áp dụng phương pháp gia keo kiềm tính cho quá trình sản xuất giấy và các tông bao gói”. Mục tiêu của đề tài: Đưa ra giải pháp sử dụng hiệu quả quá trình gia keo kiềm tính trong quá trình sản xuất giấy và các tông bao gói. Nội dung nghiên cứu: + Khảo sát thực trạng sử dụng nguyên liệu OCC (bao bì hòm hộp cũ) trong quá trình sản xuất giấy và các tông bao gói có gia keo chống thấm bằng keo AKD (keo chống thấm kiềm tính). + Nghiên cứu ảnh hưởng của khoảng pH đến hiệu quả quá trình gia keo chống thấm bằng keo AKD (keo chống thấm kiềm tính) trong quá trình sản xuất giấy và các tông bao gói. + Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình tuần hoàn nước trắng đến hiệu quả quá trình gia keo chống thấm bằng keo AKD (keo chống thấm kiềm tính) trong quá trình sản xuất giấy và các tông bao gói. + Nghiên cứu, so sánh một số loại keo AKD (keo chống thấm kiềm tính) thương phẩm đang lưu hành đến hiệu quả gia keo trong sản xuất giấy và các tông bao gói. + Sản xuất thử nghiệm 700 kg sản phẩm giấy bao gói đạt độ hút nước Cobb60 nhỏ hơn 30 g/m2. + Tính toán được hiệu quả kinh tế 9 PHẦN I TỔNG QUAN VỀ NGUYÊN LIỆU BAO BÌ HÒM HỘP CŨ (OCC) CHO QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT GIẤY VÀ CÁC TÔNG BAO GÓI, QUÁ TRÌNH GIA KEO CHỐNG THẤM CHO GIẤY VÀ CÁC TÔNG BAO GÓI TỪ NGUYÊN LIỆU OCC. 1.1 Tổng quan về nguyên liệu bao bì hòm hộp cũ (OCC) cho quá trình sản xuất giấy và các tông bao gói. Sử dụng xơ sợi tái sinh trong ngành công nghiệp giấy và các tông bao gói được triển khai rất hiệu quả từ những năm 60 của thế kỷ XX. Đặc biệt từ năm 2005 cho đến nay, mức tiêu thụ loại nguyên liệu này trên thế giới tăng trung bình 3%/năm[1]. Dự báo giai đoạn 2011 – 2015 tổng sản lượng giấy thu hồi của thế giới tăng bình quân 4,4 %/năm. Châu Á sử dụng giấy thu hồi nhiều nhất, gần 40% so với thế giới, Châu Á nhập khẩu gần 2/3 lượng giấy thu hồi thương mại, Châu Âu nhập khẩu khoảng 25% lượng giấy thu hồi thương mại, còn lại chỉ nhập khẩu khoảng 7% giấy thu hồi thương mại trên toàn cầu. Trên thế giới, bột giấy thu hồi tái chế từ giấy và bao bì hòm hộp cũ chiếm nhiều nhất trong số các loại bột giấy để sản xuất giấy và các tông bao gói chiếm 54,09 % so với tổng sản lượng bột giấy (bột hóa, bột giấy thu hồi, bột phi gỗ). Ở trong nước, năm 2010 tổng sản phẩm giấy sản xuất trong nước là 1.298.700 tấn, trong đó sản xuất giấy làm bao bì là 825.000 tấn, chiếm khoảng 63,53 % so với tổng lượng giấy các loại sản xuất. Hiện nay, thu gom giấy thu hồi trong nước đạt 734.212 tấn, chiếm 32 % so với tổng lượng tiêu dùng giấy thu hồi, nhập khẩu 269.743 tấn chiếm khoảng 26,87 % so với tổng lượng tiêu dùng giấy thu hồi. Dự báo đến năm 2011, tổng lượng giấy tiêu dùng là 2.566.600 tấn, thu gom giấy thu hồi trong nước là 840.000 tấn, nhập khẩu giấy thu hồi khoảng 355.000 tấn[1]. Nhìn chung, chất lượng của bao bì hòm hộp cũ (OCC) thay đổi rất lớn tùy thuộc vào đặc thù địa lý của khu vực sản xuất loại này. Ở các nước Châu Âu và Châu Mỹ bột kraft gỗ mềm không tẩy trắng (xơ sợi dài) luôn chiếm tỷ lệ cao trong bao bì hòm hộp cũ (OCC). Trong khi đó ở Châu Á tỷ lệ xơ sợi dài từ gỗ mềm là không đáng kể mà thay vào đó là hỗn hợp xơ sợi có nguồn gốc từ gỗ mềm và gỗ cứng không tẩy trắng, từ bao bì, hòm hộp tái sinh, từ một số loại nguyên liệu phi gỗ như tre, nứa, bã mía, rơm rạ v.v… Sự khác biệt về các thành phần[4] chính trong OCC Châu Á và Mỹ được đưa ra trong bảng 1.1. 10 Bảng 1.1 Tỷ lệ một số thành phần chính trong các tông sóng Châu Á và Mỹ[4] Tên nước Tạp chất (%) Tro (%) Tinh bột (%) Xơ sợi vụn, (%) Chiều dài xơ sợi, (mm) Hiệu suất thu hồi, (%) Châu Á (trung bình) Nhật Bản Đài Loan Indonexia Trung Quốc Hồng Kông Thái Lan Hàn Quốc Malaixia 1,08 1,43 1,57 0,87 0,92 1,10 1,16 1,42 0,13 7,93 7,03 6,77 4,60 14,90 12,50 4,04 10,60 7,93 6,60 4,77 4,48 8,20 8,16 5,80 8,02 3,90 9,50 19,7 18,60 19,30 17,80 20,70 18,30 17,90 21,00 23,70 1,53 1,52 1,61 1,43 1,45 1,60 1,51 1,46 1,69 76,5 79,50 80,20 76,40 68,90 72,00 79,30 77,10 78,40 Mỹ 1,00 1,70 2,00 15,0 2,20 85,30 Các số liệu trong bảng 1.1 cho thấy hàm lượng tạp chất (đinh gim, băng dính, keo v.v…) trung bình trong OCC có nguồn gốc từ Châu Á (1,08%) và Mỹ (1%) tương đương nhau. Tuy nhiên, hàm lượng các thành phần khác lại rất khác nhau: + Độ tro của các mẫu OCC Châu Á biến đổi trong khoảng rất rộng từ 4% đến 15%, trong khi giá trị tương ứng của mẫu OCC Mỹ là 1,7%. Các mẫu OCC của Hồng Kông và Trung Quốc chứa nhiều tro nhất (12,5% và 14,9%). Độ tro của OCC từ Hồng Kông và Trung Quốc cao là do sử dụng một lượng tương đối lớn rơm rạ và các loại nguyên liệu phi gỗ khác để sản xuất lớp sóng, thậm chí cả lớp mặt của các tông sóng. + Hàm lượng xơ sợi vụn có xu hướng biến đổi tương tự như độ tro: các mẫu OCC từ Châu Á mà đặc biệt là Trung Quốc có tỷ lệ xơ sợi vụn rất cao (20,7%). Mẫu OCC từ Mỹ có chiều dài xơ sợi trung bình và hiệu suất thu hồi lớn nhất, lớn hơn rất nhiều so với các mẫu OCC Châu Á. Kết quả phân tích từ các tài liệu tham khảo cho thấy chiều dài xơ sợi và hiệu suất thu hồi của Châu Á khá thấp (tương tự OCC Việt Nam) chứa nhiều xơ sợi vụn và các tạp chất phi xơ sợi. Do vậy, chất lượng OCC, các tạp chất và xơ sợi vụn này ảnh hưởng đến hiệu quả của quá trình gia keo kiềm tính (AKD) trong sản xuất giấy và các tông bao gói. 11 Ưu điểm nổi bật của OCC so với các chủng loại giấy loại khác là hiệu suất thu hồi xơ sợi rất cao[5]: + OCC, giấy bao gói : 90 – 95% + Giấy vẽ, đồ họa : 65 – 85% + Giấy vệ sinh : 60 – 75% + Giấy đặc chủng : 70 – 95% + Bột khử mực thương phẩm : 60 – 85% Chi phí nguyên liệu khá thấp, công nghệ tương đối đơn giản, hiệu suất thu hồi xơ sợi cao từ nguyên liệu OCC và quá trình sản xuất giấy và các tông bao gói từ loại nguyên liệu này ít gây ô nhiễm môi trường chính là những động lực căn bản thúc đẩy việc nâng cao tỷ lệ sử dụng xơ sợi tái sinh trong sản xuất giấy và các tông. Nhìn chung, quá trình tái chế OCC nhằm thu hồi xơ sợi cho sản xuất giấy và các tông bao gói chủ yếu sử dụng các phương pháp cơ học. Xơ sợi trong OCC được phân tách và loại bớt tạp chất với một số các công đoạn chính như: đánh tơi, sàng chọn, lọc cát sơ bộ, nghiền, sàng tinh và lọc cát tinh trước khi đi xeo thành phẩm trên máy xeo giấy các tông bao gói. Sự giảm sút hiệu suất trong quá trình chế biến OCC chủ yếu là do một số tạp chất như kim loại, nhựa, chất độn v.v.. đã được loại bỏ trong các quá trình đánh tơi, sàng chọn và lọc cát. Trong thời gian gần đây, để tăng giá trị sử dụng của OCC, các thiết bị phân tách xơ sợi dài và xơ sợi ngắn từ nguyên liệu này được nghiên cứu và áp dụng công nghiệp thành công. Xơ sợi thớ dài sau khi phân tách thường được sử dụng cho sản xuất giấy và các tông lớp mặt, xơ sợi thớ ngắn được sử dụng để sản xuất lớp sóng cho các tông sóng, lớp đệm, lớp đế cho các tông nhiều lớp v.v… Do OCC thường có chứa rất nhiều tạp chất, đặc biệt là các tạp chất có khả năng kết dính cao (stickies) gây ra nhiều khó khăn cho quá trình sản xuất như: làm rách giấy, kết dính trên chăn lưới, trục ép, lô sấy v.v… nên các công đoạn xử lý cơ nhiệt để loại bỏ các tạp chất này cũng được các nhà sản xuất nghiên cứu áp dụng trong công nghiệp trong thời gian gần đây. Tuy nhiên, một vấn đề nảy sinh quan trọng đang làm ảnh hưởng tới quá trình tái sinh từ OCC là chất lượng xơ sợi giảm do sau mỗi lần tái sinh. Các kết quả nghiên cứu[5] cho thấy bột giấy sản xuất theo các phương pháp hóa học trải qua quá trình sấy, thủy hóa lặp lại sẽ bị xơ cứng hay còn gọi là “sừng hóa” (hornification) và giảm đáng 12 kể về chiều dài xơ sợi cũng như khả năng tạo liên kết. Các sản phẩm giấy và các tông bao gói từ xơ sợi này sau một số lần tái sinh không đạt được chất lượng yêu cầu. Hiện tượng sừng hóa xuất hiện trong mạng các vách tế bào của xơ sợi hóa học. Trong quá trình ấy, các vách tế bào đã phân lớp một phần (chổi hóa trong quá trình nghiền) liên kết chặt chẽ với nhau bằng các liên kết hydro. Khi đánh tơi và nghiền trong môi trường nước, xơ sợi tái sinh khó phân lớp hơn do một số liên kết hydro tạo ra không phân hủy được. Xơ sợi tái sinh trở nên cứng và giòn hơn so với xơ sợi mới. Hơn nữa, do một phần liên kết hydro tạo ra giữa các vi sợi trong quá tình sấy giấy không phân hủy được mà xơ sợi không hoàn toàn duỗi thẳng trong khi đánh tơi và nghiền làm cho kích thước xơ sợi tái sinh không đạt được kích thước ban đầu của xơ sợi mới. 1.2 Quá trình gia keo chống thấm cho giấy và các tông bao gói từ nguyên liệu bao bì hòm hộp cũ (OCC) 1.2.1 Quá trình gia keo bằng keo nhựa thông Quá trình chống thấm theo phương pháp gia keo bằng keo nhựa thông cho giấy và các tông bao gói là kết quả của sự tương tác giữa 3 cấu tử chính: Xơ sợi xenluylô, các hạt keo nhựa thông và phèn nhôm. Do xơ sợi và các hạt keo đều mang điện tích âm nên trong huyền phù xơ sợi và các hạt keo sẽ không trực tiếp liên kết được với nhau. Phèn nhôm khi hòa tan trong nước sẽ tạo thành ion nhôm đa hóa trị mang điện tích dương. Trong quá trình gia keo, phèn nhôm sẽ đóng vai trò hỗ trợ quá trình kết tủa các hạt keo nhựa thông lên trên bề mặt xơ sợi và tạo thành muối nhựa nhôm kết tủa trên bề mặt xơ sợi. 1.2.1.1 Các loại keo nhựa thông sử dụng trong sản xuất giấy và các tông bao gói Quá trình sản xuất keo nhựa thông truyền thống (không biến tính) theo phương pháp nấu colophan với dung dịch xút hoặc natri cacbonat. Với mục đích biến tính colophan là làm giảm xu hướng kết tinh và năng cao mức độ hoạt tính của các sản phẩm keo điều chế từ nguồn nguyên liệu này. Keo nhựa thông điều chế từ colophan biến tính có độ ổn định và hiệu quả gia keo cao hơn so với keo điều chế theo phương pháp truyền thống. Keo nhựa thông xút hóa: Colophan là chất rắn kỵ nước, không tan trong nước, để có thể tan được trong nước cần tiến hành xút hóa colophan với dung dịch xút hoặc natri cacbonat ở nhiệt độ từ 95 0C đến 98 0C trong khoảng thời gian từ 3h đến 5h. Colophan sau khi xút hóa được 13 gọi là keo nhựa thông xút hóa hay keo nhựa thông xà phòng hóa. Nhìn chung hiệu quả gia keo và tính ổn định chất lượng của loại keo nhựa thông này thấp hơn so với keo nhựa thông biến tính. Keo nhựa thông phân tán: Keo nhựa thông phân tán được sản xuất dưới dạng huyền phù chứa 30% đến 40% chất khô. Thành phần của keo nhựa thông phân tán có chứa 75% đến 90% axít nhựa chưa được xà phòng hóa. Keo nhựa thông phân tán có quy trình sản xuất phức tạp, có tính ổn định chất lượng không cao. Keo nhựa thông biến tính: Nhằm tăng hiệu quả của quá trình gia keo chống thấm cho giấy và các tông bao gói bằng keo nhựa thông, các axít nhựa trong nhựa thông (hai thành phần chính của hỗn hợp axít nhựa trong colophan là axít abietic và axít pimaric) được biến tính bằng cách cho phản ứng với malêic anhyđríc hoặc axít fumaríc sản phẩm tạo thành là axít tricarboxylic. Phản ứng lập thể ứng dụng cho rất nhiều hợp chất dien (phản ứng cộng vòng Diels-Alder) và chỉ có thể áp dụng cho đồng phân dạng axít abietic có cặp nối đôi liên hợp, sản phẩm được gọi là keo nhựa thông biến tính. Hai nhóm các-bô-xyl thêm vào có tính axít mạnh hơn so với nhóm các-bô-xyl ban đầu. Điều này có nghĩa là đặc tính âm điện mạnh hơn (phân cực tốt hơn) làm cho khả năng phân tán keo tốt hơn, kích thước hạt keo nhỏ hơn, nên hiệu quả quá trình gia keo được cải thiện. Mặt khác, khi tính ainon của dung dịch keo nhựa thông biến tính tăng lên thì hiệu quả phản ứng của keo với phèn nhôm nhằm tạo ra rêsinát nhôm cũng tăng lên dẫn tới hiệu quả gia keo nhựa thông tốt hơn. Hình 1.1 Phản ứng biến tính nhựa thông bằng axít furmaríc 14 1.2.1.2 Tình hình sử dụng keo nhựa thông cho sản xuất giấy và các tông bao gói ở trong nước. Trong thực tế sản xuất, một số nhà máy sản xuất giấy và các tông bao gói vẫn sử dụng keo nhựa thông xút hóa như: Công ty Cổ phần giấy Lửa Việt, Công ty Cổ phần giấy Thanh Long. Tuy nhiên, chất lượng nhựa thông xút hóa thường không ổn định và phụ thuộc vào kinh nghiệm của người nấu nhựa thông. Hơn nữa, mức dùng keo nhựa thông xút hóa cao từ 1% đến 5% so với bột khô tuyệt đối, tăng chi phí sản xuất do giá thành của nhựa thông hiện nay là khá cao. Một số Công ty khác đã chuyển sang sử dụng keo nhựa thông biến tính để gia keo chống thấm cho sản xuất giấy và các tông bao gói như: Công ty Cổ phần giấy Mỹ Hương, Công ty Cổ phần giấy Hoàng Văn Thụ và một số Công ty giấy ở khu vực phía Nam. Hiệu quả gia keo nhựa thông biến tính cho giấy và các tông bao gói cao và tức thời, giấy đanh và cứng. Tuy nhiên, nguồn nguyên liệu chủ yếu được sử dụng để sản xuất tại các công ty là OCC (bao bì hòm hộp cũ). Nguồn nguyên liệu này có chất lượng ngày càng thấp do quá trình tái sinh nhiều lần. Trong quá trình sản xuất giấy và các tông gói từ nguồn nguyên liệu OCC nhằm tiết kiệm nước công nghệ và hạn chế nước thải ra môi trường nên trong nước tuần hoàn của dây chuyền chứa rất nhiều tạp chất. Vì vậy, quá trình khống chế pH gặp nhiều khó khăn (tốn nhiều phèn), xuất hiện các đốm keo trên bề mặt giấy, tăng thời gian dừng máy để vệ sinh do dính chăn, dính lưới. Gia keo chống thấm cho giấy và các tông bao gói bằng keo nhựa thông sinh nhiều bọt khi máy xeo chạy, làm thao tác chạy máy gặp rất nhiều khó khăn, thất thoát một lượng lớn bột giấy theo bọt. Hơn nữa, hiện nay giá thành của nhựa thông thương phẩm rất cao (70 – 75 triệu đồng/1 tấn nhựa thông), làm giá thành sản phẩm tăng. 1.2.2 Quá trình gia keo kiềm tính (AKD) 1.2.2.1 Điều chế và nhũ tương hóa keo AKD AKD là một Keton không no có công thức cấu tạo như hình 1.2, trong đó R là một gốc hydrocacbon có chứa từ 14 - 22 nguyên tử cacbon trong mạch. Vòng ketene dimer lactone giúp cho phân tử keo AKD có khả năng phản ứng với nhóm OH trong phân tử xenluloza để tạo thành một liên kết este. Độ dài của gốc hydrocacbon R ảnh hưởng tới khả năng phản ứng của keo AKD. Trong thực tế keo AKD thương phẩm thường được sản xuất từ hỗn hợp của axít 15 panmetic và axít stearic. Sự tạo thành nhóm ketene và nhóm dimer được tiến hành bởi các axít béo dẫn xuất clorua trong một dung môi hữu cơ, sau đó là phản ứng ngưng tụ vòng Lacton. Hình 1.2 Phản ứng tổng hợp keo AKD Trong phản ứng điều chế trên, axit béo thường dùng ở dạng sáp, là hỗn hợp của ít nhất 5 axít béo khác nhau trở lên (R chứa từ 14 - 22 nguyên tử cacbon). Trong keo AKD, một trong các axít chiếm tỷ lệ lớn nhất là axít palmitic, axít stearic. Bảng 1.2 Ảnh hưởng của độ dài gốc R tới hiệu quả gia keo AKD[9] Chiều dài gốc R Độ gia keo (s) (HST to 80% Reflectance) Hỗn hợp C14 - C16 786 R = C16 825 Hỗn hợp C16-C20 700 Chú thích Giấy 65 g/m2; 0,1% keo AKD AKD thương mại thường được điều chế từ axit stearic (R = C14 - C16), sản phẩm thu được ở dạng sáp, không tan trong nước, nhiệt độ nóng chảy khoảng 500C. Hiệu quả gia keo của AKD phụ thuộc vào số nguyên tử C trong gốc R, khi số lượng nguyên tử C tăng từ 8 đến 14, tuy nhiên khi số lượng nguyên tử C trong gốc R tăng lên trên 20 thì hiệu quả gia keo của AKD lại giảm. Để sử dụng keo AKD làm keo chống thấm cho giấy thì cần phải tiến hành làm nóng chảy keo AKD sau đó phân tán chúng vào trong nước có chứa các thành các hạt 16 polyme mang điện tích dương (thường là tinh bột cation), hạt keo tạo thành có kích thước nhỏ (khoảng 0,1 - 2,0 µm). Các hạt polyme cation bám lên các hạt keo AKD làm cho chúng tích điện dương, điều này làm tăng khả năng bảo lưu keo AKD trên xơ sợi trong quá trình xeo giấy. Keo AKD có nhiệt độ nóng chảy thấp, điều này cho phép nó dễ dàng dàn đều lên bề mặt xơ sợi trong quá trình nâng nhiệt độ sấy giấy. Keo AKD dạng vảy nến được phân tán vào trong dung dịch nước đun nóng tới nhiệt độ khoảng 75 - 90 0C đã có chứa các chất phụ gia khác (gồm chất ổn định nhũ tương: tinh bột cation; chất hoạt động bề mặt: Lignin suphonat natri...). Sau khi sáp AKD tan hết thì nén ép dung dịch này chảy qua màng có lỗ khoảng 0,5 – 2 µm rồi làm nguội để thu được nhũ tương AKD. Một lượng nhỏ chất phân tán là tinh bột cation dạng mạch ngắn có độ tích điện cao cùng với một lượng nhỏ chất diệt khuẩn cần cho thêm vào nhũ tương để làm tăng thời gian bảo quản nhũ tương AKD. Các loại keo AKD thương mại thường được nhũ hóa hóa sẵn, kích thước hạt nhũ khoảng 0,1 - 2,0 µm và hàm lượng chất rắn khoảng 6 - 21%. Để hạn chế thời gian thủy phân của phân tử AKD trong quá trình bảo quản người ta phải hạ pH của nhũ tương xuống trong khỏang 2,5 – 3,5 bằng axít H2SO4 hoặc axít HCl. Nếu pH > 6 thì phân tử AKD dễ tham gia phản ứng mở vòng lactone làm giảm hiệu quả gia keo AKD trên xơ sợi. Vì pH của nhũ tương là môi trường axít nên thiết bị chứa hay xử lý AKD trước khi gia vào bột giấy phải làm bằng vật liệu chống ăn mòn. Do keo AKD có thể phản ứng với nước giống như với xenluylô nên thời gian bảo quản keo AKD là giới hạn. Để ổn định nhũ tương keo AKD trước khi sử dụng, người ta thường tiến hành bảo quản keo AKD ở nhiệt độ phòng (20 - 25 0C). Khi bảo quản nhũ tương AKD ở nhiệt độ thường thời gian bảo quản cho phép là một tháng đến ba tháng và đặc biệt nếu bảo quản ở nhiệt độ thấp thời gian bảo quản có thể tới một năm. 1.2.2.2 Khả năng phản ứng và cơ chế phản ứng của keo AKD Khả năng phản ứng của keo AKD: Keo AKD có khả năng phản ứng với các nhóm hydroxyl. Vòng lactone của AKD có thể mở ra phản ứng với nhóm OH của xenluylo trong quá trình sấy giấy tạo thành β keton este (hình 1.3). Các AKD (dimer alkyl keten) cũng phản ứng với nước để tạo thành axit β keton 17 không bền và nó sẽ decarboxyl để tạo ra các keton tương ứng (hình 1.4). Hình 1.3 Phản ứng của AKD với nhóm OH của xenluylô Hình 1.4 Phản ứng của keo AKD với H2O Cơ chế phản ứng của keo AKD với xơ sợi xenluylô: Hiện nay, cơ chế phản ứng của keo AKD với xơ sợi xenluylô có hai thuyết khác nhau về cơ chế phản ứng của AKD với xơ sợi xenluylô. Thuyết thứ nhất cho rằng cơ chế phản ứng của AKD với xơ sợi xenluylô dựa trên thuyết liên kết mạnh/liên kết yếu (strong bond/weak bond) và thuyết thứ hai dựa trên cơ sở hình thành liên kết este β keton[9]. Theo thuyết liên kết mạnh/liên kết yếu, phản ứng của AKD trong quá trình gia keo bao gồm 02 giai đoạn: + Giai đoạn 1: Phản ứng của keo AKD với xơ sợi xenluylo để tạo thành liên kết este β keton là một sản phẩm phụ. Kết luận này dựa trên kết quả phân tích phát hiện liên kết este trong giấy gia keo AKD. Khả năng triết tách tới 80% lượng AKD có trong 18 giấy và cuối cùng do khả năng dịch chuyển AKD bởi sự tăng nhiệt độ. + Giai đoạn 2: AKD là một keo liên kết yếu, chính các phần tử AKD và các phần không phải là xenluloza phản ứng với keo AKD tạo ra khả năng gia keo cho giấy. Trong khi đó theo thuyết thông dụng nhất thì cơ chế phản ứng của phản ứng giữa keo AKD vơi xơ sợi Xenluloza gồm 4 giai đoạn (hình 1.5): Hình 1.5 Các giai đoạn của quá trình gia keo AKD + Giai đoạn 1: Những hạt keo phân tán được ổn định bằng điện tích dương trước hết sẽ được hấp thụ trên xơ sợi bằng lực hút tĩnh điện. Mức dùng AKD phụ thuộc nhiều vào thời gian gia keo cho tới khi lên lưới (diện tích bể chứa bột, bơm, mực lưu chất trong thùng đầu..), việc thêm tinh bột cation chính là để hỗ trợ cho sự bảo lưu AKD. Vị trí gia keo AKD vào dòng bột là từ bể chứa đầu máy đến bơm quạt hoặc hòm điều tiết. + Giai đoạn 2: Khi băng giấy được sấy khô, các hạt keo AKD được hấp thu sẽ nóng chảy và dàn đều lên bề mặt xơ sợi nhờ nhiệt độ ở bộ phận sấy tạo điều kiện tốt cho phản ứng giữa các nhóm OH của xơ sợi với nhóm chức của phân tử AKD. + Giai đoạn 3: Phản ứng hóa học giữa AKD với nhóm OH của xenluloza. Phản ứng này chỉ diễn ra ở nhiệt độ cao khi phần lớn nước trong tấm giấy đã được bay hơi nghĩa là ở cuối giai đọan sấy. Trong quá trình này, nhóm anhydride trong phân tử keo 19 AKD phản ứng với nhóm OH trong phân tử xenluloza tạo thành một liên kết hóa trị bền vững. + Giai đoạn 4: Diễn ra quá trình định hướng của các phân tử AKD sao cho phần hydrocacbon là phần kỵ nước thì chĩa ra ngoài bề mặt tờ giấy, phần nhóm chức tạo thành liên kết với xơ sợi làm cho các phân tử AKD dính chặt lên bề mặt xơ sợi, nhờ định hướng này mà độ chống thấm tăng lên. Sự định hướng này không chỉ xảy ra trong quá trình sấy mà còn tiếp tục trong khoảng thời gian ngắn sau khi giấy được sấy xong, nghĩa là độ chống thấm vẫn tiếp tục tăng. 1.2.2.3 Một số yếu tố công nghệ ảnh hưởng đến gia keo kiềm tính (AKD) Ảnh hưởng của pH và độ kiềm: Độ pH: Độ pH trong dòng huyền phù bột giấy trước khi xeo giấy ảnh hưởng tới hiệu quả gia keo, keo AKD dùng hiệu quả trong khoảng pH = 7,5 - 8. Phản ứng của keo AKD với xơ sợi thuờng được xúc tác bằng các ion bicarbonat HCO3-, do vậy người ta thường dùng một lượng nhỏ NaHCO3 hoặc Na2CO3 vào dòng bột giấy vừa để thúc đẩy phản ứng giữa keo AKD với xơ sợi, vừa để điều chỉnh pH trong khoảng 7,5 - 8. Độ kiềm tính: Độ kiềm tính là một trong những yếu tố chính ảnh hưởng tới sự phân bố của AKD lên xơ sợi xenluylô và giúp cho tốc độ phản giữa keo AKD và xơ sợi xenluylô xảy ra nhanh hơn. Độ kiềm tính là nồng độ ion HCO3- có trong dòng bột giấy, các ion HCO3 - có trong dòng bột do hai lý do: + Do bổ sung Na2CO3 hoặc NaHCO3 quá nhiều. + Do dùng bột Canxi cacbonat kết tủa (PCC) làm chất độn, trong PCC có chứa tạp chất Ca(OH)2 bởi trong quá trình điều chế PCC, Ca(OH)2 chưa phản ứng hết với khí CO2 để tạo thành CaCO3. Với tác dụng của ion bicacbonat HCO3- ảnh hưởng của các ion Al3+, Ca2+, Na+ trong dòng bột tới keo AKD có thể được giảm tới mức tối thiểu. Tuy nhiên, theo một số nghiên cứu nếu độ kiềm tính của dòng huyền phù bột quá cao (trên 400 ppm) sẽ làm tăng phản ứng thủy phân keo AKD để tạo thành Keton dẫn tới làm giảm độ chống thấm cho giấy, phản ứng này diễn ra chậm, dẫn đến tính chống thấm của giấy bị giảm dần sau khi tờ giấy được sản xuất - gọi là hiện tượng hồi keo. Một số nghiên cứu cho thấy khi gia keo AKD sử dụng chất độn cácbonat kết tủa, nếu tăng độ kiềm từ 100 – 1000 ppm, độ chống thấm của giấy giảm mạnh, có thể mất tác dụng chống thấm trong vòng 7 ngày sau khi sản xuất[9,10]. 20
- Xem thêm -