ỨNG DỤNG CHẤT HOẠT ĐỘNG bề mặt TRONG sản XUẤT GIẤY

Nguyên liệu: tre, cỏ, bã mía, gỗ mềm Bột giấy thô Bột tẩy trắng Xeo giấy Ép, sấy Gia keo bề mặt, cán láng ép quang Cuộn cắt Giấy thành phẩm Nước trắng Nước thải xử lý Phân tán và nghi

ỨNG DỤNG CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT TRONG SẢN

XUẤT GIẤY

I Giới thiệu chung về giấy và quy trình sản xuất giấy:

Giấy là sản phẩm không thể thiếu trong hoạt động xã hội của bất kỳ đất nước nào Mặc dù các phương tiện tin học trong thông tin và lưu trữ phát triển mạnh, nhưng giấy vẫn luôn là một sản phẩm không thể thay thế được trong hoạt động giáo dục, in ấn, báo chí, văn học, hội họa…

Giấy là sản phẩm của xơ sợi xenlulô có dạng tấm, trong đó sợi và các phần sợi được liên kết với nhau tạo mành không gian ba chiều Thành phần chính của giấy là xenlulô, một loại polyme mạch thẳng và dài có trong gỗ, bông và các loại cây khác Trong gỗ, xenlulo bị bao quanh bởi một mạng lignin cũng là polyme Để tách xenluloza ra khỏi mạng polyme đó người ta phải sử dụng phương pháp nghiền cơ học hoặc xử lý hóa học

Mô tả quy trình sản xuất :

Nguyên liệu thô được dùng trong sản xuất giấy và bột giấy ở Việt Nam gồm hai nguồn căn bản là từ rừng (tre và gỗ mềm) và giấy tái chế Bột giấy được dùng để sản xuất những loại sản phẩm khác nhau như giấy viết, giấy bao bì, bìa cáctông, v.v là khác nhau

Nguyên liệu:

tre, cỏ, bã

mía, gỗ mềm

Bột giấy thô

Bột tẩy trắng

Xeo giấy

Ép, sấy

Gia keo bề mặt, cán láng (ép quang) Cuộn cắt

Giấy thành phẩm

Nước

trắng

Nước thải

xử lý

Phân tán và nghiền bột

Phối trộn phụ gia

Phương pháp kiềm,

Xử lý hóa trung tính, xxit

(bột soda, sulfat,sulfite)

Phương pháp mài nghiền

Xử lý cơ Phương pháp nhiệt cơ

Phương pháp hóa nhiệt Dịch đen

(thu hồi hóa chất)

Cl2, ClO2, NaOCl

O3, O2, H2O2

Chất hoạt động bề mặt được sử dụng chủ yếu trong quá trình gia keo bề mặt, là quá trình chuẩn bị để đưa vào máy xeo giấy

Gia keo bề mặt:

Gia keo được sử dụng nhằm mục đích tăng khả năng chống thấm cho giấy đối với một số loại chất lỏng như nước, sữa, dầu mỡ…Phổ biến nhất là đối với loại giấy viết và in, hạn chế quá trình thấm nước

sẽ hạn chế được sự lem của mực trên giấy Có nhiều phương pháp gia keo:

Gia keo bằng nhựa thông- phèn nhôm

Gia keo với Alkenyl Succinic Anhydric (SAS)

Gia keo với Alkyl Kenten Dimer (AKD)

Trong bài báo cáo này, sẽ trình bày về keo AKD được dùng là chất chống thấm trong môi trường xeo trung tính hay kiềm nhẹ

1 Sự hình thành AKD và sự nhũ hóa AKD:

Về cấu trúc, AKD là một keton không no (ester dạng vòng)

AKD được tổng hợp qua các giai đoạn: điều chế acid béo ( từ mỡ

cá basa), tiếp theo cho acid thu được tác dụng với PCl3 tạo thành acid clorua, sau đó tiếp tục khử HCl, dimmer đóng vòng của 2 phân tử clorua acid với sự có mặt của trietylamin (TEA)

Cơ Chế hình thành AKD

Thường do chất béo có chứa từ 5 đến 10 loại acid khác nhau, phổ biến là palmitic, lauric, myristic, steraric Nguyên liệu dể tổng hợp sáp AKD sử dụng trong công nghiệp giấy là hỗn hợp của các acid đồng đẳng từ C14 – C22 (mạch phân tử chứa từ 14 đến 28 nguyên tử cacbon) trong đó ưu tiên nhất là acid stearic Sáp stearic là chất rắn không tan trong nước và nóng chảy khoảng 51-520C, loại kỹ thuật luôn có chứa

ít acid oleic, myristic, palmitic Những loại này sẽ làm giảm nhiệt độ nóng chảy của AKD còn 44-480C

Muốn sử dụng keo AKD làm keo chống thấm cho giấy thì AKD cần chuyển sang dạng nhũ tương trong nước, phân tán chúng vào trong nước thành các hạt keo có kích thước thật nhỏ ( khoảng 0,5 – 2 µm) và phải tích điện cho các hạt này bằng cách dùng các hạt polyme cation bám lên các hạt keo để chúng tích điện dương thì chúng mới có khả năng bảo lưu được trên xơ sợi trong quá trình xeo

Nhũ hóa keo như sau:

Phân tán sáp AKD dạng vảy nến trong dung dịch nước đun nóng tới nhiệt độ khoảng 75-900C đã có chứa các chất phụ trợ 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 thật mịn (khoảng 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

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 khoảng 2,5 – 3,5 bằng axit H2SO4 hoặc axit 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 axit nên thiết bị chứa hay xử lý AKD trước khi gia vào bột giấy phải làm bằng vật liệu chống ăn mòn

2 Hoạt tính của keo AKD:

AKD có khả năng tham gia hai loại phản ứng:

AKD phản ứng với nhóm OH của xenlulo tạo thành cấu trúc ester

β keton

Các AKD cũng phản ứng với nước để tạo thành axit β keton không bền và nó sẽ decarboxyl để tạo ra các keton tương ứng

3.Cơ chế phản ứng của keo AKD và xơ sợi:

Tương tác giữa keo AKD và cenlulose gồm 4 giai đọan:

 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.Việc thêm tinh bột cation chính là để hỗ trợ cho sự bảo lưu AKD

 Khi băng giấy được sấy khô, sáp AKD được hấp thu sẽ nóng chảy nhờ nhiệt độ ở bộ phận sấy và sau đó dàn đều che phủ mặt giấy tốt hơn

 Phản ứng hóa học giữa AKD với nhóm OH của xenlulo Phản ứng này chỉ diễn ra ở tốc độ cao khi phần lớn nước trong tấm giấy đã được bay hơi nghĩa là ở cuối giai đọan sấy

 Diễn ra quá trình định hướng của các phân tử AKD sao cho phần hydrocacbon là phần kỵ nước thì hướng 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 khỏang thời gian ngắn sau khi giấy được xeo xong, nghĩa là độ chống thấm vẫn tiếp tục tăng

Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả dùng keo AKD:

Tỷ lệ chất độn cao thì tăng lượng dùng keo AKD vì chất độn hấp thu nhiều keo Nên gia keo trước khi gia chất độn

Tăng lượng dùng tinh bột cation thì tăng hiệu quả gia keo vì tinh bột cation làm tăng khả năng bám dính của keo AKD lên bề mặt

xơ sợi

Chọn chất trợ bảo lưu thích hợp khi gia keo AKD Nên dùng hệ bảo lưu vi hạt

Độ pH: keo AKD dùng hiệu quả trong khoảng pH = 8-9 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 vừa để thúc đẩy phản ứng giữa keo AKD với xơ sợi, vừa để điều chỉnh pH trong khỏang 8-9 Khi dùng CaCO3 làm chất độn thì nồng độ ion (HCO3)- là thích hợp nên không cần bổ sung thêm NaHCO3 hoặc Na2CO3 nữa

Độ kiềm tính và hiện tượng hồi keo

Độ kiềm tính là nồng độ in OH- có trong dòng bột Các ion OH

-có trong dòng bột do hai lý do Thứ nhất là do bổ sung Na2CO3 hoặc NaHCO3 quá nhiều Thứ hai là khi dùng PCC làm chất độn, trong PCC có chứa tạp chất Ca(OH)2 do quá trình điều chế PCC, Ca(OH)2

chưa phản ứng hết với khí CO2 để tạo thành CaCO3 Nếu độ kiềm tính của dòng bột cao nghĩa là nồng độ OH- cao sẽ làm tăng phản ứng thủy phân keo AKD để tạo thành keton, không có tính chống thấm, phản ứng này diễn ra chậm, dẫn đến tính chống thấm của giấy bị giảm dần sau khi tấm giấy được sản xuất – gọi là hiện tượng hồi keo Nên dùng keo AKD với chất độn GCC

Ngoài ra chất hoạt động bề mặt không ion như nynol phenol còn được ứng dụng giúp lấy nhựa ra khỏi lõi cây, là tác nhân thấm ướt lại giấy, là chất tẩy rửa làm sạch tấm bằng len của máy làm giấy

II Giấy thu hồi:

Giấy thu hồi được định nghĩa gồm các loại giấy đã qua ít nhất một lần sử dụng, hoặc là các loại giấy đứt, giấy xén loại ra từ các phân xưởng sản xuất giấy hay từ các xưởng in

Giấy thu hồi là nguồn nguyên liệu không thể thiếu của nền công nghiệp giấy ở nhiều nước Bằng sự hổ trợ của các quá trình hóa học và

cơ học giấy thu hồi có thể tái sản xuất các loại giấy hay bao bì

Việc sử dụng giấy thu hồi còn là một giải pháp làm sạch môi trường, giúp cho việc bảo vệ rừng tốt hơn

Công nghệ sản xuất giấy từ nguồn thu hồi còn giúp giảm năng lượng và nước tiêu tốn so với sản xuất giấy từ gỗ

Khái quát, một quy trình xử lý giấy thu hồi bao gồm những công đoạn theo thứ tự sau:

Nghiền thủy lực, tạo huyền phù bột giấy trong nước từ các loại giấy hay cactong thu hồi

Đánh tơi sợi

Sàng sợi

Tinh chế bột bằng cyclon thủy lực

Khử mực bằng tuyển nổi

Làm đặc bột

Rửa – loại mực và một số tạp chất

Phân tán và xé tơi bột

Tẩy trắng bột khử mực

Nghiền bột

Phối trộn, tồn trữ

Trong đó chất hoạt động bề mặt được sử dụng chủ yếu trong quá trình nghiền thủy lực và quá trình tuyển nổi

1 Nghiền thuỷ lực:

Khi nghiền thủy lực dưới tác dụng của nước và chất hoạt động bề mặt các hạt mực sẽ được tách ra khỏi bề mặt giấy Sự hiện diện của chất hoạt động bề mặt trong một môi trường nước sẽ làm giảm sức căng bề mặt của nước (chất lỏng) làm cho nó có khả năng tách mực khỏi giấy theo cơ chế sau:

Cấu trúc của 1 vài acid béo trong chất trợ khử mực

Các chất hoạt động bề mặt sử dụng là các axít béo bao gồm một hydrocarbon mạch dài (-CH2-CH2-) với một nhóm carboxyl, thông thường được gắn ở cuối mạch Các mạch hydrocarbon có thể no hoặc không no (có chứa nối đôi ) phụ thuộc vào nguồn gốc của các axit béo Các axít béo bão hòa, chẳng hạn như axit Stearic (18 cacbon) hoặc axit palmitic (16 cacbon) tồn tại dạng rắn ở nhiệt độ phòng Trong khi axít béo chưa no, như acid linoleic (18 cacbon với hai nối đôi ở vị trí 9 và 12) ở thể lỏng Các sản phẩm axít béo thường là hỗn hợp của nhiều loại axít béo với cấu trúc khác nhau Các axit béo có nguồn gốc từ thực vật thường gồm phần lớn các hỗn hợp axít béo không no (oleic, linoleic và linolenic acid) Trong khi axit béo có nguồn gốc từ động vật thường gồm phần lớn các hỗn hợp của nhiều acid béo bão hòa (Stearic palmitic,) và axit béo không no (acid oleic) Thông thường, các chất hoạt động bề mặt tổng hợp không ion được

sử dụng trực tiếp hoặc có thể là thành phần của các chất trợ dùng trong khử mực Chất hoạt động bề mặt được sử dụng phổ biến nhất trong quá trình khử mực là axit béo ethoxylated (EO) hoặc rượu béo propoxylated (PO) Đây là những chất hoạt động bề mặt không ion Hình bên dưới cho thấy cấu trúc của một số chất hoạt động bề mặt

alkoxylated Số lượng và cách sắp xếp (khối hoặc ngẫu nhiên) của EO

và PO sẽ quyết định tính chất của chất hoạt động bề mặt

axit béo ethoxylated(EO) Rượu béo propoxylated(PO)

Khối polymer EO – PO

2 Quá trình tuyển nổi:

Quá trình tuyển nổi là quá trình tinh chế huyền phù bột bằng việc

sử dụng những bọt khí để nối kết các hạt tạp chất lại với nhau và chuyển chúng lên mặt thoáng của huyền phù bột Cơ chế loại bỏ những hạt mực khỏi huyền phù bột thu hồi có thể khái quát như sau:

Sự bơm không khí sẽ tạo nên các bọt khí và các hạt có tính kị nước

sẽ bám vào đó Các bọt khí di chuyển lên mặt trên của huyền phù tạo thành lớp bọt dễ dàng được loại bỏ Các hạt tạp chất có thể có bản chất kỵ nước, hoặc nếu không thì có thì sẽ được làm cho trở nên kỵ nước bằng một số hóa chất (chất hoạt động bề mặt) Chất hoạt động bề mặt sử dụng chủ yếu là axit béo (anionic)

Chất hoạt động bề mặt dùng trong quá trình tuyển nổi nhằm làm tăng độ bền của bọt, tăng khả năng kết tụ các hạt mực và đặc biệt là sự kết tụ giữa hạt mực và bọt khí

Chất hoạt động bề mặt được sử dụng chủ yếu trong quá trình tuyển nổi giấy là hexadecyltrimethylammonium chloride (HTMAC) and dodecyl-pyridinium chloride (DPC)