Выбор и использование бумаги

9.2.2. Волокнистая масса

Получение волокнистой массы является первым основным этапом в процессе производства бумаги. Целью при этом является выделение волокон из сырьевого материала, удаление примесей.

При использовании в качестве сырья древесины, происходит извлечение и отделение волокон целлюлозы от окружающего их лигнина, и получение равномерной водяной суспензии волокон.

Для получения волокнистой массы из древесного сырья используются три основных метода: механический, механико-химический и химический. Использование механического метода пригодно для производства газетной и некоторых сортов книжной бумаги (для книг в обложке); механико-химический метод дает возможность получать бумагу среднего качества; при химическом методе получается чистая целлюлоза, позволяющая изготовить высококачественную долговечную бумагу.

Операции выполняются на предприятиях, обычно располагаемых неподалеку от мест с богатыми лесными ресурсами. Эти предприятия могут являться частью бумагоделательного производства с получением готовой бумаги, либо быть отдельными фабриками.

Если эти два производства объединены, то предприятие называется объединенным бумажным производством (комбинатом).

Утилизация бумажных отходов требует отдельного производства волокнистой массы. Обычно это производство располагается на той фабрике, где производят готовую бумагу.

Механическое получение волокнистой массы

Этот метод является основным при обработке мягкой древесины хвойных пород деревьев (в основном - ели). После рубки деревья отбираются, распиливаются до стандартной длины, и бревна загружаются в открытый вращающийся барабан, где очищаются от коры.

Далее древесина измельчается вращающимися жерновами и перемешивается с горячей водой. Полученная в результате смесь пропускается через ряд сеток со все более мелкими отверстиями, где происходит удаление оставшихся крупных кусков или щепок, пока не будет получена однородная жидкая древесная масса.

Эта масса размалывается в барабанной мельнице. Более сложные механические и химические процессы мы рассмотрим далее.

При механическом методе волокна древесины отделяются от окружающего их лигнина полностью механическими средствами. Вследствие этого в готовой смеси всегда остается значительное количество примесей лигнина. Сами волокна также оказываются поврежденными и разорванными, а сама смесь получается темной, мягкой и дряблой.

Такая волокнистая масса в ее "сыром" состоянии без дальнейшей обработки может быть использована только для получения низкокачественной газетной бумаги. Но даже и в этом случае она не может быть использована сама по себе для производства бумаги, а должна быть смешана с более качественной массой в отношении 5:1 или около этого, чтобы бумага была достаточно прочной. Присутствующие примеси - лигнин, частицы коры - приводят к тому, что бумага достаточно быстро желтеет.

Волокнистая масса, предназначенная для получения бумаги для книг, обычно нуждается в дополнительной обработке, включающей в себя очистку и отбеливание; в качестве отбеливающих веществ чаще всего используются сода или перекись водорода. Хотя отбеливание улучшает исходный цвет волокнистой массы (а следовательно, и бумаги) весьма существенно, оно не предотвращает изменение цвета бумаги в дальнейшем. Это очень важный фактор при выборе бумаги. О нем мы еще будем говорить далее.

По завершении просеивания и отбеливания жидкая взвесь концентрируется путем удаления излишков воды. Если бумага производится на месте (на объединенном бумагоделательном производстве), для этого используются отсасывающие ящики, после чего перемешанная масса подается в бумагоделательную машину. Если же волокнистую массу впоследствии предполагается транспортировать в другое место, она высушивается, проходя через водосборные каналы, прессуется, а затем нарезается и формуется в кипы с последующей воздушной сушкой (содержание воды составляет около 10%).

Выход готового продукта при превращении древесины в волокнистую массу механическим способом весьма значительный: из 100 тонн дерева получается около 90-95 тонн сухого вещества.

Механико-химические способы

Для получения более чистой и однородной волокнистой массы используются различные технологии. В основном они подразумевают применение в качестве исходного материала древесной стружки, а не целых бревен. Первым шагом здесь является измельчение исходных бревен с помощью строгального станка и получение стружки, длиной в несколько миллиметров.

Рафинированная механическая масса получается после прохождения стружки через ряд дисковых рафинирующих машин (рафинеров). Эти машины превращают стружку в мельчайшие частицы, которые затем должны быть просеяны и отбелены.

Термомеханическая масса получается при предварительной обработке стружки паром перед рафинированием. Обработка паром размягчает лигнин, содержащийся в стружке, а волокна повреждаются в меньшей степени. Термомеханическая масса обладает большей прочностью, чем предыдущие виды, и чаще всего используется при изготовлении книг в обложке.

Химико-термомеханическая масса получается способом, аналогичным тому, который применяется для получения термомеханической массы, но перед рафинированием для дополнительного удаления лигнина здесь используется химическая обработка. Бумага, полученная из такой массы, обладает достаточно высоким качеством, близким к бумаге без примесей древесины, и имеет почти ту же длину волокон. Производство химико-термомеханической массы обходится дороже, чем получение описанных ранее видов, и хотя бумага из химико-термомеханической массы желтеет не так быстро, как бумага, полученная из других видов волокнистой массы, все же она изменяет цвет сильнее, чем бумага без примесей древесины. Готовая масса может находиться в жидком виде для объединенных производств, либо в виде брикетов, если предназначена для отправки в другое место или продажи. При использовании древесных стружек выход продукции достаточно велик.

Химические способы

Целью химической обработки является уменьшение содержания лигнина в древесине. При этом способе волокна более тщательно отделяются друг от друга, а в готовом продукте присутствует минимум примесей.

Химическая обработка позволяет получить прочную и чистую целлюлозную массу, не содержащую измельченных частиц древесины. Поскольку при химической обработке не используются механические операции, приводящие к повреждению и перепутыванию волокон, волокна сохраняют свою первоначальную длину, а готовая бумага получается более прочной и упругой, более плотной.

Процесс обработки начинается с выбора подходящих деревьев, рубки, распиливания и транспортировки. Далее бревна нарезаются на мелкие части длиной около 2 см вдоль волокон древесины, а затем измельчаются роторными молотилками.

Далее может быть использован один из способов химической обработки стружки: сульфитный (или кислотный) способ, или сульфатный (щелочной) способ. Сульфитный метод является более традиционным, но в настоящее время считается нежелательным, поскольку он сопровождается высоким уровнем вредных выбросов в окружающую среду. В большинстве бумагоделательных производств сейчас, как правило, применяется сульфатный метод.

Сульфитная обработка. Это кислотный процесс, применяемый для мягких пород древесины, особенно для ели.

Бисульфит кальция и диоксид серы, растворенные в воде, подаются в автоклавную башню, наполненную древесными опилками. Опилки и жидкость запариваются вместе на срок от 6 до 24 часов, после чего полученный продукт просеивается и промывается.

В процессе термообработки основные примеси, присутствующие в древесных опилках - лигнин, смола, элементы гемицеллюлозы - постепенно исчезают, и остаются лишь чистые волокна целлюлозы, необходимые для получения качественной бумаги.

По сравнению с механическим способом, выход готового продукта здесь довольно небольшой: только около 50% веса целлюлозы от веса сухих древесных опилок.

Сульфатная обработка. Это щелочной процесс, иногда называемый крафт-процесс, применяется как для мягких пород древесины (в основном, сосна), так и для твердых пород (в основном, береза).

Каустическая сода, сульфид натрия и сульфат натрия применяются для термообработки при непрерывной подаче древесных опилок в автоклав. После 2-3 часов волокна легко отделяются, сохраняя полную свою длину - в этом основное преимущество процесса, используемого для получения прочной целлюлозной массы.

Выход готового продукта также достаточно велик: около 65-70% от веса древесных опилок.

В любом случае - при сульфитном или сульфатном методе - полученный продукт затем промывается, просеивается и подается в секцию отбеливания в форме кашицы.

Обычно отбеливание выполняется в несколько этапов: масса проходит через ряд емкостей, в каждой из которых взаимодействует с отбеливающим агентом, пока не будет достигнута требуемая степень белизны. В качестве химических реактивов используют хлор (хотя по экологическим соображениям от него постепенно отказываются), кислород, перекись водорода, бисульфит магния.

Окончательный продукт носит название беленной сульфитной или сульфатной целлюлозы соответственно.

Использование вторичного сырья

Чистые (белые) отходы поступают либо от дилера, занимающегося сбором вторичного сырья, либо от самой фабрики в виде обрезков - нестандартной или непригодной для продажи бумаги, получающейся в ходе производственного процесса.

Чистые отходы превращаются в волокнистую массу путем растворения, отделения примесей, отбеливания и очистки при необходимости, а затем выдерживаются в кашицеобразном виде. Как правило, волокнистая масса, получаемая из вторичного сырья, используется на том же предприятии, а не отправляется в другое место для переработки.

Печатные отходы требуют более сложного цикла удаления краски, отбеливания и химической обработки. Они используются в виде добавочных компонентов для получения ряда сортов газетной бумаги, и подобно массе, полученной механическим способом, содержатся в жидком виде для передачи в зону подготовки сырья бумажной фабрики.

Транспортировка на бумагоделательные предприятия

На предприятиях с объединенным производством готовая волокнистая масса содержится в жидком виде и перекачивается в зону подготовки сырья для дальнейшего рафинирования и окончательной очистки. Большинство фабрик по производству газетной бумаги и бумаги невысокого качества используют этот процесс.

На фабриках с раздельным производством готовая кашицеобразная масса высушивается в сушильных цилиндрах или проходит через ряд сушащих сеток, отжимается и формируется в кипы для транспортировки. Большая часть волокнистой массы, полученной таким способом, транспортируется на отдельные бумагоделательные фабрики наземным транспортом.