Tài liệu Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thiết bị khử mực phục vụ cho công tác giảng dạy nghề công nghệ sản xuất bột giấy và giấy

BỘ CÔNG THƯƠNG B¸o c¸o tæng kÕt ®Ò tµi Nghiên cứu thiết kế, chế tạo thiết bị khử mực phục vụ cho công tác giảng dạy nghề Công nghệ sản xuất bột giấy và giấy Cơ quan chủ trì đề tài: Trường Cao đẳng nghề Công nghệ Giấy và Cơ điện Chủ nhiệm đề tài: TS. Vũ Thị Hồng Mận - Hiệu trưởng 7823 29/3/2010 Phú Thọ, 3/2010 MỤC LỤC Chương, mục I 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.5.1 1.5.2 1.5.3 1.5.4 1.5.5 2 2.1 2.2 2.2.1 2.2.2 2.2.3 2.2.4 2.2.5 II 1 1.1 1.2 1.3 2 2.1 Nội dung Trang DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ DANH MỤC CÁC BIỂU BẢNG MỞ ĐẦU TỔNG QUAN Tổng quan về công nghệ tái chế giấy loại và khử mực Giới thiệu chung Các loại giấy loại Chất lượng của bột giấy tái chế Các phương pháp khử mực giấy loại Phương pháp khử mực bằng tuyển nổi Cơ chế tuyển nổi Hoá chất trong quá trình khử mực Quy trình khử mực giấy loại bằng phương pháp tuyển nổi Tìm hiểu một số loại thiết bị tuyển nổi trên thế giới và Việt Nam Thiết bị tuyển nổi trong phòng thí nghiệm Định hướng chung và thực trạng giảng dạy môn Công nghệ tái chế giấy loại tại trường Những định hướng chung trong hoạt động đào tạo nghề Thực trạng giảng dạy môn Công nghệ tái chế giấy loại tại trường Thời gian, vị trí của môn học Mục tiêu môn học Nội dung tổng quát của môn học (đào tạo Cao đẳng nghề) Điều kiện thực hiện chương trình Thực tế giảng dạy phần thực hành 4 5 6 7 9 9 9 11 12 14 14 14 16 17 20 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Thiết kế công nghệ Sơ đồ nguyên lý chung của thiết bị Đặc điểm công nghệ của thiết bị Các thông số công nghệ chủ yếu Tính toán, thiết kế, chế tạo hệ thống thiết bị Tính toán 28 28 30 30 30 31 31 2 23 24 25 25 25 25 25 26 26 2.2 2.3 2.3.1 2.3.2 2.3.3 2.3.4 2.3.5 3 3.1 3.2 3.2.1 3.2.2 3.2.3 Phân tích đặc tính công nghệ của thiết bị Thiết kế, chế tạo, lắp ráp thiết bị Xác định phương pháp chế tạo phôi Xác định dạng sản xuất Các bản vẽ cơ khí chế tạo Thiết kế hệ thống điện điều khiển Chế tạo, lắp ráp thiết bị Chạy thử thiết bị Mục tiêu Phương pháp thí nghiệm Công tác chuẩn bị Điều kiện thực hiện Quy trình thực hiện 33 34 34 34 35 35 38 39 39 39 39 39 40 4 5 III 1 1.1 1.2 2 2.1 2.2 3 4 Xây dựng quy trình vận hành Xây dựng các bài tập thực hành KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Hệ thống thiết bị khử mực Chế tạo cơ khí Hệ thống điện điều khiển Kết quả chạy thử Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ tuyển Khảo sát ảnh hưởng của thời gian tuyển Quy trình vận hành thiết bị Bài tập thực hành KẾT LUẬN TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC 1 PHỤ LỤC 2 PHỤ LỤC 3 41 41 42 42 42 47 47 47 49 51 51 52 53 54 61 62 3 DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ Tên AOX CEPI COD DIP ERIC FAS ISO TAPPI WRV Chú thích Absorbable Organic Halides Hợp chất halogen hữu cơ Confederation on European Paper Industries Liên đoàn các ngành giấy Châu Âu Chemical Oxygen Demand Nhu cầu oxy hóa học Deinked Pulp Bột giấy loại đã khử mực Effective Residual Ink Concentration Hàm lượng mực còn lại trong bột Formamidine Sulfinic Acid International Standardization Organization Tổ chức tiêu chuẩn quốc tế Technical Association of the Pulp and Paper Industry Hiệp hội kỹ thuật công nghiệp bột giấy và giấy Water Retention Value Mức độ giữ nước 4 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Tên Nội dung Trang Hình 1 Nhu cầu nguyên liệu bột của thế giới năm 1996 và năm 2010 10 Hình 2 Sự thay đổi cấu trúc thành thớ sợi trong quá trình sấy 13 Hình 3 Cơ chế tuyển nổi bằng bong bóng khí 15 Hình 4 Cơ chế bám của mực vào bong bóng 16 Hình 5 Quá trình sản xuất và thu hồi giấy và cáctông 17 Hình 6 Quy trình công nghệ tái chế giấy loại 19 Hình 7 Kích thước hạt và phương pháp tách loại 19 Hình 8 Sự phân bố kích thước của tạp chất 20 Hình 9 Thiết bị tuyển nổi Denver đứng và nằm ngang 20 Hình 10 Quá trình tách mực của thiết bị tuyển nổi 21 Hình 11 Thiết bị tuyển nổi kiểu Ahlstrom 22 Hình 12 Thiết bị tuyển nổi của hãng Beloit PDM 2 22 Hình 13 Thiết bị tuyển nổi kiểu Comer CYBERCEL 23 Hình 14 Thiết bị tuyển nổi phòng thí nghiệm của hãng Voith Sulzer 24 Hình 15 Quy trình tái chế giấy loại trong phòng thí nghiệm 27 Hình 16 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống thiết bị khử mực 29 Hình 17 Mô hình hệ thống điều khiển hệ thống thiết bị khử mực 36 Hình 18 Màn hình điều khiển hệ thống thiết bị 38 Hình 19 Hệ thống thiết bị khử mực 42 Hình 20 Bể đánh tơi 43 Hình 21 Bể trộn 44 Hình 22 Bể tuyển nổi 45 Hình 23 Bể chứa bột sau tuyển 46 Hình 24 Tủ điều khiển trung tâm 47 5 DANH MỤC CÁC BIỂU BẢNG Tên Nội dung Trang Bảng 1 Các dạng tạp chất trong giấy loại 11 Bảng 2 Thành phần mực in truyền thống 12 Bảng 3 Hóa chất dùng cho khử mực 17 Bảng 4 Nội dung chương trình môn học "Công nghệ tái chế giấy loại" 25 Bảng 5 Mức dùng hoá chất 40 Bảng 6 Biến thiên điều kiện nhiệt độ 40 Bảng 7 Biến thiên điều kiện thời gian 40 Bảng 8 Các thông số của bể đánh tơi 42 Bảng 9 Các thông số của bể trộn 44 Bảng 10 Các thông số của bể tuyển nổi 45 Bảng 11 Các thông số của bể chứa bột sau tuyển 46 Bảng 12 Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ tới quá trình khử mực đối với giấy loại văn phòng 47 Bảng 13 Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ tới quá trình khử mực đối với giấy báo 48 Bảng 14 Kết quả tẩy bột sau tuyển đối với giấy báo 49 Bảng 15 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của thời gian tới quá trình khử mực đối với giấy loại văn phòng 49 Bảng 16 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của thời gian tới quá trình khử mực đối với giấy báo 50 Bảng 17 Kết quả tẩy bột sau tuyển đối với giấy báo 6 51 MỞ ĐẦU Trên thế giới việc tái chế chất thải trong đó có tái chế giấy loại là một ngành công nghiệp phát triển và có những đóng góp to lớn vào nền kinh tế và việc bảo vệ môi trường, bảo vệ nguồn tài nguyên thiên nhiên. Các quốc gia và các công ty giấy ngày càng nhận thức được lợi ích kinh tế và môi trường của việc tái chế giấy loại. Chính vì vậy các chính sách khuyến khích và phát triển công nghệ tái chế không ngừng được hoàn thiện và mục tiêu đề ra ngày càng cao. Ở Việt Nam hiện nay công nghệ tái chế giấy loại cũng đang được quan tâm và ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất. Để đào tạo nghề công nghệ sản xuất bột giấy và giấy thì đây là một nội dung rất quan trọng và để đáp ứng được nhu cầu giảng dạy và học tập, nhà trường cần có các thiết bị thí nghiệm về công nghệ tái chế giấy loại như hệ thống tuyển nổi. Các thiết bị này nếu mua từ các nhà cung cấp thiết bị thí nghiệm thì rất đắt tiền trong khi điều kiện kinh phí của trường không cho phép. Vì vậy việc nghiên cứu đề tài "Nghiên cứu thiết kế, chế tạo thiết bị khử mực phục vụ cho công tác giảng dạy nghề Công nghệ sản xuất bột giấy và giấy" là rất cần thiết nhằm trang bị thiết bị phục vụ cho việc giảng dạy và học tập của sinh viên để cho các em có thể tiếp cận được với các công nghệ mới một cách có hiệu quả nhất, đảm bảo trình độ lao động qua đào tạo đáp ứng tốt hơn yêu cầu nguồn nhân lực của ngành giấy trong tương lai. Sau khi chế tạo thành công thiết bị sẽ được dùng cho việc làm các bài tập thực hành của học sinh về tuyển nổi và làm các thí nghiệm nghiên cứu về quá trình khử mực. Thông qua đó, giáo viên và học sinh, sinh viên có điều kiện nghiên cứu thêm về các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình khử mực, nghiên cứu để xây dựng quy trình khử mực cho từng loại nguyên liệu đầu vào khác nhau và nghiên cứu về các loại hoá chất dùng cho khử mực, một lĩnh vực đang rất được quan tâm hiện nay của ngành giấy thế giới và của Việt Nam. Việc nghiên cứu và chế tạo thành công hệ thống thiết bị tuyển nổi là cơ sở để việc giảng dạy môn công nghệ tái chế giấy loại trong nhà trường đạt hiệu quả tốt hơn, giúp cho việc giảng dạy lý thuyết gắn với thực hành, đảm bảo việc thực hiện chương trình khung đào tạo do Bộ Lao động - Thương binh và Xã hội ban hành. Tổng số giờ giảng dạy thực hành cho một năm khoảng 700 giờ. Việc thực hiện đề tài cần sự tham gia của đông đảo đội ngũ cán bộ, giáo viên, sinh viên của nhà trường. Việc này tạo nên phong trào tham gia nghiên cứu khoa học sôi nổi trong toàn trường, tạo tiền đề để đội ngũ cán bộ, giáo viên, sinh viên trong trường tham gia tích cực hơn nữa vào nhiệm vụ nghiên cứu khoa học của nhà trường trong những năm tiếp theo. 7 Mục tiêu của đề tài là chế tạo hệ thống thiết bị tuyển nổi sử dụng để nghiên cứu công nghệ tái chế giấy loại và giảng dạy môn học Công nghệ tái chế giấy loại cho nghề "Công nghệ sản xuất bột giấy và giấy". Hệ thống thiết bị chế tạo được phải hoạt động chính xác, có khả năng khử mực tốt, đảm bảo hiệu suất cao, chất lượng bột sau tái chế đảm bảo các yêu cầu công nghệ, có hình thức đẹp, gọn nhẹ, công suất phù hợp cho nghiên cứu và giảng dạy, tiêu hao năng lượng thấp và độ bền cao, vận hành đơn giản, điều khiển tự động được các thông số nhiệt độ và mức. 8 Chương I TỔNG QUAN 1. Tổng quan về công nghệ tái chế giấy loại và khử mực 1.1 Giới thiệu chung Công nghệ tái chế giấy loại thực sự được quan tâm trong những năm đầu thế kỷ 20 khi vấn đề ô nhiễm môi trường sống và sự cạn kiệt về nguyên liệu sản xuất xảy ra, tác động trực tiếp đến các ngành công nghiệp. Công nghệ tái chế giấy loại xuất phát từ sự tiết kiệm nguyên, nhiên vật liệu của các nhà máy và xí nghiệp sản xuất bột giấy và giấy nhằm mục đích giảm chi phí sản xuất, giảm giá thành sản phẩm, đồng thời tránh lãng phí các vật liệu sản xuất quý giá. Ngành công nghệ sản xuất giấy phát triển qua nhiều thời kỳ, từ những năm đầu khi chưa phát minh ra bột cơ học, việc tái sử dụng lại nguyên liệu cho sản xuất giấy chủ yếu được thực hiện ở việc tận thu lại rẻ rách, sợi vải để sản xuất ra những chủng loại giấy chất lượng thấp hơn, từ khi ngành giấy chuyển sang sử dụng nguyên liệu thực vật và với sự phát triển của bột cơ học và bột hóa học thì khái niệm tái chế giấy loại mới thực sự được ra đời. Vào những năm 1774, Claproth in Göttingen, người Đức đã đưa ra một quy trình cơ bản và thô sơ để loại bỏ mực in ra khỏi giấy, từ đó người ta gọi phương pháp này của ông là khử mực (Deinking) [1]. Vào những năm 1800, Matthias Koops đã xây dựng một nhà máy sản xuất giấy từ nguyên liệu chủ yếu là xơ sợi tái chế, nhà máy đó có tên là Neckinger, kể từ đó tái chế giấy loại bắt đầu có vị trí thương mại trong ngành sản xuất giấy. Đến những năm 1960-1970, ngày càng có nhiều nghiên cứu tìm hiểu về ảnh hưởng của quá trình tái chế tới chất lượng bột giấy và giấy, nghiên cứu về các tác động của tái chế tới quá trình chạy của máy xeo giấy. Có nhiều nghiên cứu đã được ứng dụng vào thực tế sản xuất và đã đạt được thành công. Ngành công nghệ sản xuất bột giấy gặp nhiều khó khăn về nguồn nguyên liệu gỗ, đồng thời dưới áp lực của của ô nhiễm môi trường sống, đặc biệt là sự ô nhiễm do các phế thải tạo ra từ quá trình sản xuất bột giấy với môi trường nước và môi trường khí, tái chế giấy loại mới thực sự được công nghiệp hóa và phát triển mạnh trong ngành sản xuất giấy. Mức tái sử dụng giấy loại của thế giới năm 1997 là 128 triệu tấn đạt trên 42% tổng số bột sử dụng cho sản xuất giấy trong khi đó lượng bột hoá sử dụng là 140 triệu tấn chiếm 46% và bột cơ học là 35 triệu tấn chiếm gần 12%. Dự kiến đến năm 2010 mức sử dụng bột tái chế có thể đạt tới 50% tổng số bột sử dụng cho sản xuất giấy. Hình 1 cho thấy mức sử dụng bột tái chế của thế giới năm 1996 và dự kiến mức sử dụng vào năm 2010. 9 Sơ sợi nguyên thuỷ 53,5% Sơ sợi tái chế 36,5% Sơ sợi nguyên thuỷ 42,5% Chất độn, mầu 10% Sơ sợi tái chế 42,5% Chất độn, mầu 15% Hình 1: Nhu cầu nguyên liệu bột của thế giới năm 1996 và năm 2010 [1] Từ những năm cuối của thập kỷ 50, nhu cầu sử dụng giấy trên thế giới ngày càng đa dạng và phong phú, chính vì vậy ngành giấy ngày càng tập trung vào nghiên cứu công nghệ tái chế giấy loại áp dụng với các loại sản phẩm giấy mới. Việc đa dạng hóa các sản phẩm giấy mới là động lực lớn nhất để tái chế ngày càng phát triển hơn, trước đây bột tái chế thường chỉ được sử dụng để sản xuất giấy in báo và giấy tạp chí, nhưng ngày nay bột giấy tái chế đã được sử dụng cho hầu hết các loại giấy khác nhau. Hiện nay, các nước phát triển trên thế giới đều có hệ thống thu hồi giấy và quá trình tái chế giấy loại rất hiện đại và chuyên nghiệp, giấy loại được thu gom, phân loại thành những nhóm riêng biệt, một phần nguồn giấy loại này phục vụ cho nền công nghiệp giấy trong nước, một phần có thể đem xuất khẩu sang các nước khác. Quy trình tái chế giấy loại ngày càng được cải tiến, hiện đại hóa, tự động hóa hoàn toàn. Ở Việt Nam, do điều kiện kinh tế chậm phát triển, chuyên môn ngành giấy phát triển chưa cao, tái chế giấy loại ở Việt Nam chưa thực sự được quan tâm cho tới những năm gần đây. Việc nghiên cứu, xây dựng và áp dụng các quy trình tái chế giấy loại áp dụng và sản xuất giấy vẫn là công nghệ mới với ngành giấy Việt Nam. Do vậy việc tìm hiểu, nghiên cứu và đưa ra quy trình tái chế giấy loại phù hợp với chủng loại giấy ở Việt Nam cũng là một vấn đề cấp thiết nhằm mục đích đưa công nghệ tái chế giấy loại áp dụng rộng rãi hơn nữa cho sản xuất bột giấy và giấy ở Việt Nam. Việc tái chế giấy loại ở Việt Nam hình thành ở những nhà máy giấy địa phương nhỏ lẻ đã lâu, nhưng đều là những nơi không đủ khả năng sản xuất bột giấy cũng như không đủ điều kiện kinh phí để nhập khẩu bột giấy từ các nhà 10 máy khác hoặc từ nước ngoài. Các sản phẩm giấy đi từ bột tái chế ở các nhà máy này đều là các sản phẩm có chất lượng rất thấp như giấy bao gói, giấy bìa. Dưới áp lực ngày càng lớn về luật môi trường và sự khan hiếm nguồn nguyên liệu từ gỗ và thực vật, ngành giấy Việt Nam đang tìm cách thay thế phương pháp sản xuất bột nguyên thủy bằng con đường tái chế giấy loại. Ngày nay bột tái chế không chỉ dùng sản xuất các chủng loại giấy chất lượng thấp nữa mà đã chuyển sang các chủng loại giấy chất lượng cao hơn như giấy Tissues, giấy in và giấy viết [2]. Từ năm 2000 đến nay, nhiều dây chuyền hiện đại, đồng bộ sản xuất bột từ giấy thu hồi đã được lắp đặt ở Việt Nam. Một số đơn vị như Công ty Cổ phần Tập đoàn Giấy Tân Mai, Công ty Cổ phần Giấy Sài Gòn đã có dây chuyền tái chế giấy loại đang hoạt động và một số đơn vị khác như Công ty Giấy Tissue Sông Đuống, Công ty Cổ phần Giấy Diana đang chuẩn bị đưa dây chuyền tái chế giấy loại vào sản xuất. Sự ra đời các nhà máy tái chế giấy loại đã thu hút nguồn nhân lực có kỹ thuật đã qua đào tạo để vận hành dây chuyền thiết bị. Từ đó nhu cầu đào tạo về nghề Công nghệ sản xuất bột giấy và giấy nói chung và thợ vận hành công nghệ cho các nhà máy có sử dụng công nghệ này cũng tăng lên. Vấn đề đầu tư về cơ sở vật chất kỹ thuật phục vụ cho việc nghiên cứu của giáo viên, phục vụ cho công tác giảng dạy môn Công nghệ tái chế giấy loại trong nhà trường trở nên cấp thiết hơn. 1.2 Các loại giấy loại Giấy loại là các sản phẩm giấy hoặc cáctông đã qua sử dụng, được loại bỏ và trở thành rác thải. Thành phần của giấy loại khá phong phú, phụ thuộc phần lớn vào công nghệ sản xuất giấy, công nghệ in ấn và các loại mực được sử dụng. Việc xác định thành phần của giấy loại sẽ quyết định đến công nghệ tái chế cũng như việc sử dụng các tác nhân tái chế. Giấy loại được tái chế theo công nghệ tuyển nổi bao gồm các loại giấy có nguồn gốc từ bột hoá (giấy in, giấy viết, giấy photocopy, giấy tráng phấn...) và các loại giấy có nguồn gốc từ bột cơ học (giấy báo, tạp chí, danh bạ điện thoại...). Các loại giấy này thường chứa từ 1,0-7,0 % mực in, từ 3-20 % các chất phụ gia và từ 1-3 % các chất ngoại lai như đinh gim, cát sạn... [3]. Tạp chất trong giấy loại rất đa dạng và phong phú, nó phụ thuộc vào chủng loại nguyên liệu giấy loại. Bảng 1 chỉ ra các loại tạp chất phổ biến có mặt trong giấy loại. Bảng 1. Các dạng tạp chất trong giấy loại [4] Tạp chất bên ngoài Cát sạn, đất đá, sỏi Tạp chất bên trong Tan trong nước Không tan trong nước Tinh bột Chất độn 11 Mảnh thủy tinh Mảnh kim loại lớn Vật liệu nhựa Các loại sơi tơ, sợi vải Vật liệu có tính từ Hợp chất của nhôm Nhóm chất keo Nhóm chất dính Các phụ gia khác Hóa chất tăng độ bền Mực in Chất kết dính Các chất nhựa Các chất dạng sáp Các nhóm latex Mực in là chất hữu cơ khi in ở dạng lỏng và dễ hoà tan vào các dung môi như axeton, xăng... Nhưng khi ở dạng khô lại khá bền vững với tác động hoá học của dung môi và môi trường. Mực in sách khác mực in báo về thành phần hoá học. Mực in sách không bị tan trong môi trường kiềm mạnh, còn mực in báo lại tan nhanh trong ở môi trường kiềm mạnh và bám trở lại xơ sợi gây khó khăn cho quá trình tái chế bằng công nghệ tuyển nổi. Thành phần của mực in trong giấy loại được biểu thị ở Bảng 2. Bảng 2. Thành phần mực in truyền thống [1] Thành phần Tỷ lệ (%) 15-80 5-50 5-30 1-10 Chất mang Chất liên kết Chất màu Phụ gia 1.3 Chất lượng của bột giấy tái chế Giấy sau khi sử dụng có thể được tái chế lại nhiều lần, đây là một trong những thế mạnh lớn nhất của công nghệ sản xuất giấy. Các tính chất vật lý của giấy đã qua tái chế khá ổn định khi được tái chế tới 4 lần do trong quá trình tái chế bột giấy ít bị tác động bởi tác dụng của quá trình nghiền. Sự thay đổi về độ trắng và độ đục có thể xảy ra nhưng với tỷ lệ vừa phải, sự thay đổi này giữa bột cơ học và bột hóa học cũng khác nhau, với bột tái chế từ bột giấy hóa học sẽ thay đổi ít hơn, thay đổi nhiều hơn với bột giấy cơ học [3,4,5]. Tuy nhiên tái chế nhiều lần sẽ làm thay đổi một số tính chất cơ học của giấy. Sự thay đổi lớn nhất của quá trình tái chế tác động lên bột giấy là độ bền kéo, độ dãn dài, lý do giải thích cho hiện tượng này là do số lần tái chế tác động đến khả năng trương nở của thớ sợi. Qua nhiều lần tái chế, thớ sợi trở nên thô và cứng hơn, thớ sợi không còn linh động và mềm dẻo nữa. Sự khác biệt này được xác định bằng cách xác định giá trị giữ nước (WRV) của bột đã qua tái chế (đã qua quá trình sấy) và bột chưa qua quá trình sấy. Hình dáng thớ sợi thay đổi rất lớn từ lúc nguyên thủy tới khi tái chế, thớ sợi nguyên thủy sẽ trương nở tốt trong quá trình nghiền, sau đó dưới tác dụng của nhiệt độ sấy, sự 12 co ngót của thớ sợi xảy ra nhanh và nhiều. Khả năng co ngót và sự trương nở của bột sẽ giảm dần với sự tăng của số lần tái chế. Hình 2 mô tả sự sự biến đổi cấu trúc lớp thành thớ sợi trong khi trương nở và sau khi bị co ngót bởi quá trình sấy. A: Thớ sợi ướt trước sấy khô C: Thớ sợi co ngót trong khi tiếp tục sấy khô B: Thớ sợi tại hàm lượng rắn 30% D: Thớ sợi co ngót sau sấy khô Hình 2. Sự thay đổi cấu trúc thành thớ sợi trong quá trình sấy [1] Số lần tái chế sẽ làm cho bột tái chế thô và cứng hơn, điều này làm cho quá trình thoát nước của bột trên lưới dễ dàng hơn trong quá trình hình thành, làm cho giấy sẽ được hình thành nhanh hơn. Ngoài ra tính chất của bột giấy tái chế còn phụ thuộc chủ yếu vào chủng loại giấy, chủng loại bột làm giấy ban đầu, cách thức sản xuất giấy. Một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc tái chế giấy loại từ sáu đến tám lần thì chất lượng giấy còn có thể đáp ứng được các nhu cầu sản xuất và tiêu dùng [3,4,6]. 1.4 Các phương pháp khử mực giấy loại Việc tái chế giấy loại bằng các biện pháp khử mực là công nghệ phức tạp nhất trong các quá trình tái sinh giấy loại và ngày nay có thể xếp vào loại công nghệ cao trong các công nghệ sử dụng nguyên liệu thứ cấp. Hiện tại có các phương pháp loại mực như sau: Phương pháp khử mực bằng rửa Bột giấy loại sau khi đã qua các công đoạn xử lý nhiệt, cơ, hoá chất được loại mực bằng quá trình rửa để lấy lại bột sạch. Ưu điểm của phương pháp này là: - Mức loại mực cao: Đạt 94-98 % - Các tính chất của bột tái chế cao Tuy nhiên phương pháp khử mực bằng phương pháp rửa cho hiệu suất bột tái chế thấp do quá trình rửa không thể giữ lại phần xơ sợi kích thước nhỏ. 13 Phương pháp khử mực bằng tuyển nổi Bột giấy loại sau khi đã qua các công đoạn xử lý cơ, nhiệt, hoá chất được loại mực bằng quá trình tuyển nổi để giữ lại bột sạch. Về bản chất phương pháp tuyển nổi là quá trình tách mực khỏi sơ sợi bằng hoá chất và ma sát trong quá trình đánh tơi sau đó mực được lấy ra từ phía trên bằng cách gạt hay hút mực nhờ các bọt khí. Các ưu điểm của việc khử mực bằng phương pháp tuyển nổi: - Hiệu suất bột tái chế cao: Đạt 75-97 % - Tính chất cơ lý của bột tái chế rất cao Phương pháp tuyển nổi khử mực phát triển mạnh ở châu Âu, Nhật Bản, các nước công nghiệp mới như Đài Loan, Trung Quốc... Hiện nay việc nghiên cứu để hoàn thành công nghệ khử mực bằng tuyển nổi ở các nước này vẫn đang được chú ý đặc biệt. Phương pháp khử mực sử dụng vi sinh Việc sử dụng enzim trong quá trình khử mực giấy loại đang được phát triển và có thể áp dụng trong công nghiệp. Phương pháp khử mực sử dụng kết hợp hoá chất và vi sinh Khử mực giấy loại sử dụng kết hợp hoá chất và enzym sẽ tăng mức độ loại mực. Độ thoát nước của bột được cải thiện và độ bền cơ lý tốt. Phương pháp này cũng thân thiện hơn với môi trường do sử dụng ít hoá chất hơn phương pháp sử dụng hoá chất không kết hợp với enzym [7]. 1.5 Phương pháp khử mực bằng tuyển nổi 1.5.1 Cơ chế tuyển nổi Tuyển nổi là một trong những giai đoạn quan trọng nhất của quá trình tái chế giấy loại nhằm tách loại được các tạp chất có kích thước nhỏ nằm trong bột giấy. Thiết bị tách loại tạp chất dạng tuyển nổi đầu tiên được phát minh vào năm 1950 có tên là Denver [1]. Nhưng mãi đến năm 1980, thiết bị tuyển nổi mới bắt đầu được cải tiến vượt bậc nhằm tách loại bỏ các hạt mực, tạp chất dạng sáp, tạp chất bám dính ra khỏi bột giấy tái chế. Cơ chế tách loại của thiết bị tuyển nổi dựa chủ yếu vào việc sử dụng các hóa chất và lực ma sát trong quá trình đánh tơi tách mực ra khỏi thớ sợi và dựa vào sức căng bề mặt của hợp chất lỏng với chất rắn, trong tuyển nổi người ta sử dụng sức căng bề mặt của bong bóng khí, các bong bóng nhỏ được tạo ra trong quá trình tuyển nổi là do không khí và các hóa chất tạo bọt (chất hoạt động bề mặt hay xà phòng), các bong bóng khí này có sức căng bề mặt lớn sẽ liên kết các hạt tạp chất lại với nhau, sau đó sẽ kéo các tạp chất trong bột nổi lên trên bề mặt của huyền phù bột, chúng ta chỉ việc gạt bỏ lớp bong bóng ra khỏi huyền phù bột. Các hóa chất bổ sung vào quá trình tuyển nổi để làm tăng tính kỵ nước cho tạp chất, đồng thời làm tăng sức căng bề mặt cho bong bóng khí để cho hạt mực bám vào bong bóng dễ dàng hơn, ngoài ra các hóa chất sẽ 14 hạn chế bong bóng bị vỡ trong quá trình di chuyển hoặc khi đã lên trên bề mặt huyền phù bột. Cơ chế tuyển nổi được thể hiện ở Hình 3, đầu tiên các hạt mực in và tạp chất có kích thước nhỏ được tách ra khỏi xơ sợi bằng các công đoạn đánh tơi, phân tán, sàng và lọc cát. Bong bóng Bong bóng Ca2+ 2+ Ca Hạt mực Bong bóng BBong khí bóng Tạp chất Hạt xà phòng Hình 3. Cơ chế tuyển nổi bằng bong bóng khí [1] Sau đó dưới tác dụng của hóa chất, quá trình tách loại mực xảy ra theo 3 giai đoạn [6]: - Sự va chạm giữa hạt mực và bong bóng - Sự kết hợp của hạt mực vào bề mặt của bong bóng - Sự di chuyển của bong bóng từ dưới lên trên bề mặt của thiết bị tuyển nổi. Trong quá trình tuyển nổi, sức căng bề mặt của bong bóng là nhân tố quan trọng nhất để tách loại được các tạp chất, những tạp chất có kích thước nhỏ sẽ được bám vào bề mặt của bóng bóng khí theo cách thức như mô tả trong Hình 4. 15 Hạt mực in Hình 4. Cơ chế bám của mực vào bong bóng [1] Hiệu quả tách loại mực phụ thuộc rất lớn vào sự kết hợp của hạt mực với bong bóng khí trong quá trình tuyển nổi. Để cho quá trình kết hợp này có hiệu quả, phải làm cho các bong bóng có sức căng bề mặt đủ lớn để dễ dàng bám các hạt mực lại, kích thước của hạt mực cũng ảnh hưởng rất lớn đến quá trình bám vào bong bóng, thông thường kích thước hạt mực nằm trong khoảng từ 15-250 µm. Ngoài ra để tăng hiệu quả tách loại mực, chúng ta cần phải quan tâm tới các yếu tố cơ bản như tính chất của tạp chất (tỷ trọng, kích thước, hình dáng), tính chất của bong bóng (đường kính, sức căng bề mặt), mức độ khuấy trộn và điều kiện công nghệ khi tuyển nổi. 1.5.2 Hóa chất trong quá trình khử mực Hóa chất dùng cho quá trình tái chế thường được chia thành nhiều nhóm khác nhau với các công dụng phù hợp với từng yêu cầu cụ thể, các nhóm hóa chất được chia thành: - Nhóm hóa chất có tác dụng giải phóng mực ra khỏi xơ sợi và tránh hiện tượng kết tụ quay trở lại xơ sợi - Nhóm hóa chất dùng để tách loại mực khi tuyển nổi - Nhóm hóa chất dùng cho tẩy trắng bột tái chế - Nhóm hóa chất dùng để tăng khả năng tách nước Bảng 3 biểu thị các nhóm hóa chất dùng cho các quá trình và được bổ sung vào ở các giai đoạn khác nhau khi tái chế giấy loại. 16 Bảng 3. Hóa chất dùng cho khử mực [4,5,6,8] Hóa chất Sodium Hydroxide Sodium Silicate Chất đệm Chất hoạt động bề mặt Chất lựa chọn Calcium Chloride Hydrogen Peroxide Sodium Hydrosulphite FAS Sulphuric acid Alum Polymer Đánh tơi Tuyển nổi x x x x x x x Tẩy Tách nước x x x x x x x x x x x x 1.5.3 Quy trình tái chế giấy loại bằng phương pháp tuyển nổi Nhiều nhà máy giấy hiện đại trên thế giới và nhiều nước tiên tiến trên thế giới đã đưa ra một quy trình chung cho việc tái sử dụng giấy, tạo một vòng liên hoàn giữa việc sản xuất và tiêu dùng để tái sử dụng lại giấy nhằm mục đích tiết kiệm, tránh lãng phí và tránh gây ô nhiễm môi trường. Hình 5 mô tả một quy trình chung về mối quan hệ giữa sản xuất và tái chế giấy loại. Sản phẩm giấy và cáctông Nhập khẩu giấy và cáctông Thu hồi giấy và cáctông Hình 5. Quá trình sản xuất và thu hồi giấy và cáctông [1] 17 Đối với những nhà máy không có công đoạn sản xuất bột giấy từ cây nguyên liệu thực vật thường phải thu mua giấy loại từ nơi khác về. Quy trình tái sử dụng giấy loại được thể hiện ở Hình 6. Đánh tơi Máy xeo Làm sạch (thô) Tuyển nổi Phối trộn Tẩy trắng Rửa Làm sạch (tinh) Hình 6. Quy trình công nghệ tái chế giấy loại Giấy loại sau khi thu gom từ các khu vực tiêu dùng được phân chia thành những nhóm riêng biệt theo từng mục đích sử dụng khác nhau và theo từng chủng loại bột giấy cần tái chế rồi đưa về nhà máy. Tại nhà máy giấy, giấy loại được đánh tơi bằng thiết bị đánh tơi theo yêu cầu kỹ thuật, sau đó huyền phù bột giấy được đưa sang công đoạn làm sạch (sàng, lọc cát) để tách loại các loại tạp chất có kích thước lớn, tỷ trọng lớn ra khỏi bột. Huyền phù bột sau đó được đưa qua thiết bị tuyển nổi, rửa, tẩy trắng trước khi đưa sang máy xeo giấy [1]. Dựa vào các loại tạp chất, đặc biệt là kích thước của tạp chất mà người ta đưa ra các cách thức tách loại khác nhau trong quá trình tái chế. Mục đích chính của tái chế giấy loại là tách tạp chất càng triệt để ra khỏi bột càng tốt, mức độ tách loại tạp chất đánh giá hiệu quả của các công đoạn trong quá trình tái chế. Các tạp chất có kích thước lớn hơn 0,1mm có thể tách ra bằng phương pháp sàng và lọc cát, nhỏ hơn 0,1mm thì phải sử dụng thiết bị tuyển nổi và thiết bị rửa. Hình 7 chỉ ra các cách thức tách loại tạp chất trong quá trình tái chế. 18 Hình 7. Kích thước hạt và phương pháp tách loại [9] Số hạt Sau khi được làm sạch sơ bộ bằng sàng và lọc cát, bột giấy được đưa qua giai đoạn tuyển nổi để tách loại các tạp chất nhỏ hơn. Quá trình tuyển nổi là quá trình tách loại dựa vào sự khác biệt về tỷ trọng của vật chất. Tuyển nổi là quá trình sử dụng các bong bóng chất hoạt động bề mặt (xà phòng) để kéo các tạp chất có kích thước hạt nhỏ ra khỏi bột . Hình 8 dưới đây thể hiện sự phân bố tạp chất trong giấy loại, trong đó tạp chất có kích thước khoảng từ 1030µm chiếm tỷ lệ rất lớn. Kích thước hạt, µm Hình 8. Sự phân bố kích thước của tạp chất [10,11] Tuyển nổi có thể tách loại được tạp chất có kích thước hạt từ 0,0011mm, các loại tạp chất này thường nằm chủ yếu trong thành phần mực in. Tuyển nổi là giai đoạn có sự kết hợp giữa không khí, các hóa chất để tách loại các tạp chất rắn trong mực in ra khỏi huyền phù bột. Tuyển nổi là giai đoạn xử lý quan trọng nhất của quá trình tái chế giấy loại. 19 Sau khi được tuyển nổi, bột giấy được đưa qua giai đoạn rửa để tiếp tục quá trình làm sạch. Rửa là công đoạn tách loại các tạp chất có kích thước rất nhỏ ra khỏi bột giấy. Rửa sẽ giúp khuyếch tán các tạp chất nhỏ ra khỏi bột, các thiết bị rửa sử dụng trong công đoạn rửa thường là thiết bị rửa áp lực, rửa khuyếch tán và rửa ép vắt. Bột sau khi đi qua giai đoạn tuyển nổi và rửa vẫn còn có rất nhiều tạp chất của mực nằm sâu trong thành thớ sợi, các thành phần tạp chất này đều tồn tại ở dạng màu, các dạng chất màu này làm giảm độ trắng của bột giấy. Muốn tăng độ trắng của bột giấy người ta thường phải tiến hành công đoạn tẩy trắng. Tẩy trắng là giai đoạn sử dụng các hóa chất có tính oxy hóa hoặc tính khử để loại bỏ các dạng tạp chất mang màu có lẫn trong bột. Các hóa chất thường sử dụng cho tẩy trắng bột tái chế bao gồm hydro peroxide, FAS, sodium hydrosulphite. 1.5.4 Tìm hiểu một số loại thiết bị tuyển nổi trên thế giới và Việt Nam Từ khi thiết bị tuyển nổi Denver được phát minh vào năm 1950 (Hình 9) ngày nay đã có rất nhiều thiết bị tuyển nổi hiện đại được dùng trong quá trình tái chế giấy loại. Thiết bị tuyển nổi là nơi xảy ra chủ yếu quá trình tách loại mực in ra khỏi huyền phù bột bằng các bong bóng khí. Sau khi các hạt mực bám được vào bong bóng khí, nhờ vào tỷ trọng nhẹ hơn, các bong bóng khí sẽ nổi lên trên bề mặt của huyền phù bột, lớp bọt có chứa tạp chất sau đó được gạt ra khỏi bề mặt của huyền phù bột. Khí Khí Vùng trộn Mực Bột vào Thu bọt Bột ra Hình 9. Thiết bị tuyển nổi Denver đứng và nằm ngang [1] Thiết bị tuyển nổi có cấu tạo tương đối đơn giản, hầu hết các thiết bị tuyển nổi bao gồm các bộ phận sau: Bể chứa có thể tích lớn, một bơm cấp và tháo bột, bơm tuần hoàn bột, thiết bị phân phối khí, thiết bị khuấy, thiết bị gia nhiệt, thiết bị gạt bọt và thiết bị tách bọt. Ngày nay thiết bị tuyển nổi đã cải tiến 20