Vai trò của hóa chất hoạt động bề mặt trong công nghệ khử mực tuyển nổi

Vai trò của hóa chất hoạt động bề mặt trong công nghệ khử mực tuyển nổi ĐẶT VẤN ĐỀ Khử mực tuyển nổi là phương pháp thông dụng để tách loại mực từ giấy lọai. Hiện nay, phương pháp chủ yếu được áp dụng tại nhiều nhà máy sản xuất bột giấy và giấy từ nguyên liệu giấy phế liệu bởi tính hiệu quả kỹ thuật và kinh tế mà nó mang lại. Phương pháp tuyển nổi đã đưa vào áp dụng rất thành công trong công nghiệp tái sử dụng giấy loại từ những năm 1980 của thế kỷ 20. Các vấn đề trong tuyển nổi, công việc xung quanh tách loại sáp nến, tách lọai các mẩu mảnh phi xơ sợi và phân loại xơ sợi đã thu hút được nhiều sự quan tâm, nghiên cứu của các nhà khoa học chuyên ngành. Có thể nói, một quá trình tuyển nổi hoàn hảo được cẩu thành từ ba hợp phần công nghệ – thiết bị cốt yếu, đó là: Tách mực ra khỏi giấy và bề mặt xơ sợi Giai đoạn này được thực hiện tại các công đoạn nghiền thủy lực, đánh tơi. Nhờ tác động của lực cơ học kết hợp với các hóa chất làm trương nở xơ sợi và các hóa chất khác, các mảnh keo- mực được tách ra khỏi bề mặt in và bề mặt các xơ sợi và tồn tại ở dạng hỗn hợp với bột giấy. Tách mực ra khỏi hỗn hợp bột Các hạt mực có các kích thước khác được tách ra dần dần khỏi hỗn hợp bột tại các công đoạn sàng chọn, làm sạch, rửa – cô đặc, tuyển nổi. Để tăng khả năng và hiệu quả tách loại mực, các quá trình này thường được hỗ trợ thêm bởi hệ thống thiết bị phân tán. Tẩy trắng các thiết bị / tháp tẩy Hỗn hợp bột đã sạch mực từ giai đoạn 1,2 đã đạt được độ trắng nhất định, gần với độ trắng của giấy chưa in, sau đó được đưa đi tẩy nhẹ tại các máy tẩy. Qua giai đoạn tẩy trắng, bột khử mực đạt được các chỉ tiêu cho nguyên liệu và được chứa trong tháp bột để cung cấp cho sản xuất giấy. Hóa chất sử dụng trong công nghệ khử mực tuyển nổi bao gồm các chất hoạt động bề mặt, các muối silicát, các chất tẩy trắng, các chất đệm Một trong các hóa chất quan trọng được sử dụng trong quá trình tuyển nổi mà bên cạnh các mặt ảnh hưởng tích cực, hóa chất này gây cả ảnh hưởng tiêu cực tới các hợp phần công nghệ kể trên, đó là hóa chất hoạt động bề mặt. Để hiểu rõ một chất hoạt động bề mặt có thể gây ảnh hưởng tích cực hay tiêu cực như thế nào tới toàn bộ quá trình tuyển nổi, chúng ta cùng xem xét và thảo luận về cơ sở hóa học của chất hoạt động bề mặt trong dung dịch. Tính chất của chất hoạt động bề mặt Chất hoạt động bề mặt là tên gọi tắt của các hóa chất hoạt động bề mặt. Để hoạt động bề mặt trong dung dịch nước, các hóa chất phải có một nhóm ưa nước và một nhóm kị nước. Như vậy, theo định nghĩa này mọi hóa chất có cả hai nhóm ưa nước và kị nước đều có thể được gọi chung là chất hoạt động bề mặt. Suy rộng ra, các chất phá bọt, các chất phân tán, các chất tạo bọt và cả các chất hỗ trợ được sử dụng trong quá trình tuyển nổi đều là các chất hoạt động bề mặt. Các chất hoạt động bề mặt của các nhà cung cấp hóa chất thương mại được pha chế theo đơn từ nhiều loại hóa chất khác nhau. Và điều đáng quan tâm là chúng thường bao gồm cả các chất hoạt động bề mặt và cả các loại hóa chất không hoạt động bề mặt, ví dụ như hyđrôxit natri, silicat Cấu trúc hóa học của các chất hoạt động bề mặt sử dụng trong quá trình tuyển nổi có thể có những khác biệt đáng kể. Chúng có thể mang điện tích dương, âm hay lưỡng cực. Tuy nhiên, các axit béo âm tính và các chất hoạt động bề mặt không mang điện tích được sử dụng nhiều hơn trong công nghiệp giấy do chỉ số cân bằng nước – dầu phù hợp sử dụng. Điểm mây là nhiệt độ riêng – một trạng thái tương hợp của các chất hoạt động bề mặt. Dưới điểm mây, các phân tử hoạt động bề mặt có thể hòa tan trong nước. Khi nhiệt độ bắt đầu tăng, các phân tử bắt đầu liên kết và xích lại gần nhau và lúc này dung dịch chất hoạt động bề mặt trở thành mây và mất hoạt động bề mặt. Vì vậy, nhiệt độ điểm mây của các chất hoạt động bề mặt sử dụng trong quá trình tách loại mực cần phải cao hơn ít nhất 50C so với nhiệt độ của quá trình khử mực tuyển nổi. Vai trò của chất hoạt động bề mặt trong khử mực tuyển nổi Có thể nói, chất hoạt động bề mặt có ba vai trò quan trọng trong quá trình khử mực tuyển nổi: 1. Là chất phân tán để phân tách các hạt mực với bề mặt xơ sợi và để hạn chế sự kết bám trở lại của các hạt mực lên bề mặt xơ sợi trong quá trình tuyển nổi tách mực. 2. Là chất trợ để trợ đông tụ các hạt mực nhỏ thành đám lớn và thay đổi bề mặt của đám mực này từ ưa nước thành kị nước. 3. Là chất tạo bọt để tạo thành lớp bọt trên đỉnh buồng tuyển nổi để tách loại mực. Một chất tạo bọt được sử dụng phải có được lớp bọt ổn định để tách loại các hạt mực trong quá trình khử mực tuyển nổi. Mặc dù các chất hoạt động bề mặt đóng các vai trò quan trọng trong quá trình khử mực, nhưng chúng cũng có một số ảnh hưởng tới việc tách loại mực, tới chất lượng xơ sợi và tới việc tái sử dụng nước. Ví dụ như việc hút bám chất hoạt động bề mặt và các chất tạo bọt lên bề mặt xơ sợi có thể làm giảm liên kết giữa các xơ sợi và phát sinh bọt ở các máy xeo. Sản phẩm giấy sau đó bị giảm độ bền cơ học và nước trắng quay vòng có chứa các chất hoạt động bề mặt sẽ ảnh hưởng trực tiếp tới quá trình công nghệ tại các công đoạn trước đó. Mặt khác, không phải bất cứ chất hoạt động bề mặt nào cũng cần sử dụng trong quá trình khử mực tuyển nổi. Ví dụ, không cần thiết dùng chất trợ trong quá trình khử các loại mực kị nước như mực dùng cho photocopy. Hay các chất phân tán có thể không cần thiết nếu các hạt mực có thể được phân tách ra khỏi xơ sợi bằng các hoá chất khác như là silicát natri, hyđroxit natri và các enzim, hay bằng các tác động cơ học, từ trường, điện trường hay các tia sóng siêu âm Sử dụng các chất hoạt động bề mặt trong khử mực tuyển nổi Mặc dù các giá trị về cân bằng dấu – nước , điểm mây, nồng độ micell giới hạn và cấu trúc chi tiết là những thông số kĩ thuật cơ bản để đặc trưng hóa các chất hoạt động bề mặt, nhưng chúng cũng không thể được sử dụng một mình để lựa chọn chất hoạt động bề mặt cho khử mực tuyển nổi. Chúng ta cũng cần phải chú ý đến các điều kiện khử mực như bột, độ cứng của nước, pH và nhiệt độ. Các điều kiện này luôn khác nhau giữa các nhà máy và vì vậy công thức sử dụng hóa chất hoạt động bề mặt là tốt cho nhà máy này nhưng chưa chắc đã sử dụng được ở nhà máy kia. 1. Làm chất phân tán hoặc chất chống bám bẩn trở lại. Các chất phân tán hỗ trợ quá trình phân tách các hạt mực khỏi bề mặt xơ sợi và hạn chế sự bám bẩn trở lại xơ sợi trong quá trình khử mực tuyển nổi. Các chất hoạt động bề mặt không mang điện như các rượu mạch thẳng đã ethoxylat hóa, oligoethylen – oxide alkyl ether, và polyethyleneoxide alkyl ether, được sử dụng rộng rãi trong các nhà máy khử mực để làm chất phân tán vì chúng có thể hoạt động một cách độc lập, chúng không bị ảnh hưởng bởi nước cứng và các tính chất kị nước – ưa nước của chúng có thể được điều khiển dễ dàng bằng các yếu tố hóa học như nhiệt độ và pH. Chất phân tán có thể làm giảm sức căng bề mặt của môi trường chế biến bột. Nhờ đó, chúng làm tăng khả năng dính ướt của xơ sợi vốn bị mực bao phủ và làm tăng sự tách rời giữa mực và xơ sợi. Một số nhà nghiên cứu cho rằng, các chất hoạt động bề mặt không mang điện tích như polyethyleneoxide alkyl ether và các biến thể của chúng có khả năng phân tách các hạt mực in offset lạnh từ giấy báo. Các chất phân tán có thể hòa tan các hạt mực rời và thiết lập một trạng thái nhũ tương ổn định, không sẵn sàng bám bẩn trở lại vào xơ sợi, bởi vì các chất phân tán cung cấp các hạt mực in với một bề mặt hóa học đang hòa tan như chất hoạt tính bề mặt hấp thụ. Loại hóa chất này có thể làm ảnh hưởng một cách bất lợi các phản ứng có lợi với các phức xà phòng canxi kị nước và kết quả làm giảm hiệu quả tuyển nổi. Do đó, các chất phân tán phải được sử dụng cẩn thận trong hệ thống tuyển nổi có dùng chất trợ đông tụ là các xà phòng axit béo. Một trong những chất hoạt động bề mặt được sử dụng nhiều nhất là các xà phòng axit béo. Về tổng thể, các axit béo phản ứng với các ion canxi trong hệ thống để tạo thành xà phòng canxi rồi sản phẩm này bám dính lên trên bề mặt mực và tiến hành quá trình trợ đông tụ. Nhìn chung, hệ thống xà phòng axit béo không phải là một chất phân tán tốt. Chúng chỉ thực sự phát huy tác dụng làm chất phân tán khi tồn tại các axit béo tự do trong dung dịch bột mà thôi. 2. Làm chất trợ đông tụ Như cái tên của nó, nhiệm vụ của chất trợ đông tụ là thu gom các hạt mực rất nhỏ mà chúng đã được tách ra khỏi xơ sợi từ công đoạn nghiền thủy lực. Các mảnh này sau đó được mang đi nhờ các bọt khí nổi lên liên tục trong buồng tuyển. Khoảng kích thước tối ưu để khử mực tuyển nổi là 10 đến 100µ. Tuy nhiên, trước khi các chất trợ đông tụ được cho vào, các hạt mực phần lớn nhỏ hơn 10µ. Các chất trợ đông tụ có thể được sản xuất từ các nguyên liệu trong tự nhiên như các axit béo, các chất tổng hợp như oxit polyethylen, các oxit polypropylen copolyme và các hỗn hợp như các axit béo đã ethoxylat hóa. Điều đó luôn luôn quan trọng để cân bằng các hiệu ứng của chất trợ đông tụ với hiệu ứng của chất phân tán trong quá trình khử mực bằng tuyển nổi có sử dụng chất phân tán. Các axit béo thường được sử dụng làm chất trợ đông tụ do chúng có khả năng tạo ra các xà phòng ưa mực với các ion canxi. Mạch các phân tử cacbon 16 đến 18 lưỡng tính này được hình thành trong quá trình NaOH gián tiếp thủy phân este các chất phụ gia gốc triglyxerit. Các nhóm đuôi axit luôn sẵn sàng tạo phức với các ion canxi có mặt trong máy nghiền thủy lực để tạo ra các kết tủa của xà phong canxi. Cuối cùng, những xà phòng này sẽ kết hợp với các hạt mực rời và chuyển chúng sang dạng kị nước. Thêm vào đó, các ion canxi trong môi trường chế biến bột góp phần làm trung hòa điện tích các hạt mực. Các phức xà phòng – mực sẽ khuyếch đại đông tụ với các phức tương đương và cuối cùng chúng có thể tạo ra các đám hạt mực có kích cỡ khoảng 10 đến 100µ thuận lợi cho tuyển nổi. Tất nhiên, những mảng mực có kích thước lớn hơn luôn bị khuấy trộn trong nghiền thủy lực tác động rồi trở thành các mảnh có kích thước phù hợp. Người ta đã chỉ ra rằng, sự vắng mặt của các nối đôi trong mạch cacbon của axit béo, ví dụ như axit stearic , hỗ trợ việc tách mực ra khỏi xơ sợi (chức năng phân tán) trong khi có mặt của các nối đôi, như axit linoleic, hỗ trợ việc tuyển nổi (chức năng đông tụ). Điều này cho thấy rằng, một công thức chứa thành phần axit stearic cao hơn sẽ cho hiệu suất khử mực tuyển nổi tốt nhất. Hiện nay, các xà phòng axit béo được sử dụng rộng rãi trong khử mực giấy báo cũ và giấy tạp chí cũ (ONP – OMG). Công thức xà phòng canxi axit béo được quan tâm để làm hệ thống chất trợ đông tụ thông dụng nhất trong công nghiệp ngày nay, và hầu hết các hóa chất khử mực thương phẩm hiện có đều được xây dựng trên cơ sở của hóa chất này. Mặc dù, công thức xà phòng axit béo được sử dụng rộng rãi trong khử mực tuyển nổi, nhưng chúng cũng gây ra một số ảnh hưởng bất lợi cho quá trình này. Nhìn chung, các ion canxi cần được thêm vào để chuyển xà phòng axit béo thành các xà phòng canxi. Tuy nhiên, các ion canxi được coi là tác nhân gây ra sự bám bẩn và tạo cáu cặn trên máy xeo và các thiết bị khác trong nhà máy khử mực. 3.Làm chất tạo bọt Chức năng của chất tạo bọt là để tạo ra lớp bọt trên đỉnh của buồng tuyển nổi để loại mực. Một chất tạo bọt tốt phải đảm bảo việc tách loại các hạt mực một cách ổn định và phải đạt được các yếu tố như: - Kích thước bọt ổn định - Mật độ bọt ổn định - Thời gian sống của bọt ổn định Các chất hoạt tính bề mặt không mang điện được sử dụng rộng rãi làm chất tạo bọt trong khử mực tuyển nổi vì chúng có khả năng tạo bọt rất tốt và không bị ảnh hưởng bởi nước cứng. Một hệ thống axit béo có thể có tác dụng không chỉ làm chất trợ đông tụ mà còn làm chất tạo bọt và chất phân tán trong công đoạn khử mực tuyển nổi chỉ khi chúng có chứa các axit béo tự do trong hỗn hợp bột. Hiệu quả loại mực cũng phụ thuộc vào một số yếu tố quan trong như: - Khả năng tách mực ra khỏi xơ sợi - Khả năng va chạm giữa các hạt mực và các bọt khí - Năng lượng bề mặt chung giữa các hạt mực và bề mặt bọt khí - Diện tích bề mặt góc công tác riêng giữa các hạt mực và các bọt khí - Độ ổn định của bọt để loại mực vào giai đoạn cuối cùng. Các nhà khoa học cho biết rằng bề mặt hóa học đóng vai trò then chốt trong khử mực tuyển nổi. Hiệu quả loại mực tăng khi độ ổn định của bọt tăng. Nhưng trở ngại là khi tăng nồng độ chất tạo bọt trong dung dịch bột sẽ làm tăng sự hấp thụ chất hoạt tính bề mặt bởi các hạt mực, kết quả là sẽ làm giảm khả năng ưa nước bề mặt của hạt mực này và do vậy lượng mực bị loại sẽ giảm đi. Điều đó cho thấy rằng cần có một nồng độ chất tạo bọt tối ưu để loại mực một cách hiệu quả nhất. 4. Làm chất phá bọt và chất chống tạo bọt Trong quá trình tách loại mực đòi hỏi phải duy trì được lớp bọt ổn định về cấu trúc và động học để giảm tổn thất xơ sợi và nước trong quá trình công nghệ. Đôi khi chất phá bọt được đưa vào tháp tuyển nổi để giữ ổn định bọt. Đồng thời chất phá bọt cũng được sử dụng trong công đoạn đầu của quá trình xeo giấy. Kết luận Tác dụng của chất hoạt động bề mặt hệ thống các chất hoạt động bề mặt là để tách loại các hạt mực ra khỏi xơ sợi, ổn định và trợ đông tụ các hạt mực lơ lửng, làm thay đổi một phần tính chất bề mặt của các hạt mực và gia tăng lượng mực tách loại khỏi hệ thống khử mực. Trong thực tế, đối với một vài sản phẩm bột, một số chất hoạt động bề mặt , ví dụ như một số chất phân tán và chất trợ đông tụ không cần thiết sử dụng trong quá trình khử mực. Nhưng thật cần thiết có một chất tạo bọt tốt để tạo ra lớp bọt ổn định về kích thước, mật độ cũng như thời gian sống để có thể tách loại các hạt mực ra khỏi hệ thống tuyển nổi khử mực một cách hiệu quả nhất. Các chất hoạt động bề mặt được sử dụng trong tuyển nổi khử mực gồm nhiều loại như các chất tạo bọt, các chất phân tán, các chất trợ đông tụ, các chât phá bọtvà hầu hết các chất này đều có một vài tác dụng phụ khác. Vì vậy, chúng sẽ ảnh hưởng trực tiếp tới quá trình công nghệ và vận hành tuyển nổi khử mực, và việc chọn lựa công thức phù hợp cho riêng mình là việc mà các nhà máy tuyển nổi khử mực cần thiết phải thực hiện.