Badanie mechanizmu i kinetyki fibrylacji wewnętrznej włókien celulozowych

Przybysz, P.

Artykuł - szczegóły

Tytuł artykułu

Badanie mechanizmu i kinetyki fibrylacji wewnętrznej włókien celulozowych

Autorzy

Przybysz P.

Identyfikatory

Warianty tytułu

Języki publikacji

Abstrakty

Papier stanowi obecnie jeden z najpowszechniej stosowanych wytworów na świecie. Znajduje on zastosowanie, jako materiał do pisania, do wytwarzania opakowań oraz do celów sanitarno-higienicznych. Odnawialność bazy surowcowej, możliwość odzyskiwania i wielokrotnego wykorzystania włókien do produkcji papieru, a także ich biorozkładalność powodują, że papier znalazł trwałe miejsce wśród wyrobów przemysłowych stosowanych w rozwiniętych społeczeństwach i będzie również masowym i ekologicznym tworzywem w XXI wieku. W ciągu XX wieku i w pierwszej dekadzie XXI wieku zużycie wytworów papierowych ciągle zwiększało się, osiągając poziom 394 min ton w roku 2010, w Polsce 4,072 min ton. W przeliczeniu na jednego mieszkańca stanowi to ok. 107 kg na rok. Jednym z podstawowych procesów wpływających zarówno na jakość wytworów papierowych, jak i koszty ich wytwarzania jest proces mielenia papierniczych mas włóknistych. Jednostkowe zużycie energii w procesie mielenia mas włóknistych wynosi 200÷500 kWh/t, co stanowi 30÷50% ogólnego zużycia energii elektrycznej papierni. Przyczyną tego stanu jest niezmiernie niska sprawność energetyczna procesu mielenia oceniana przez różnych badaczy na poziomie od ułamka do kilku procent. Istniejący stan wynika m.in. z faktu, że pomimo ogromnych nakładów na badania naukowe zasada tego procesu nie uległa zmianie od XVII wieku. O impasie w zakresie badań dotyczących mielenia papierniczych mas włóknistych świadczy fakt, że od lat 70. XX wieku brak jest doniesień literaturowych o kluczowym znaczeniu dla rozwoju wiedzy o mechanizmie procesu mielenia. Opracowane dotychczas teorie procesu mielenia pochodzące z połowy XX wieku, opisują ten proces w sposób fragmentaryczny i jakościowy. Przedmiotem niniejszej pracy są badania dotyczące mechanizmu i przebiegu fibrylacji włókien - jednego z podstawowych efektów mielenia. Bezpośrednim zaś celem tych badań jest matematyczne opisanie kinetyki fibrylacji włókien oraz sprecyzowanie wpływu podstawowych czynników technologicznych na jej przebieg. Przedstawiony w niniejszej pracy przegląd literatury dotyczącej mechanizmu i przebiegu procesu mielenia papierniczych mas włóknistych wskazuje na ogromną złożoność tego procesu, a w szczególności na trudności z matematycznym opisem przebiegu tego procesu. Opierając się na zebranej wiedzy, a szczególnie na wynikach badań i koncepcjach wypracowanych w Politechnice Łódzkiej, podjęto w niniejszej pracy działania zmierzające do opracowania matematycznego modelu przebiegu fibrylacji wewnętrznej włókien - najważniejszego podstawowego efektu mielenia. Według opracowanej hipotezy w trakcie każdego przepływu masy włóknistej przez strefę mielenia określona ilość włókien niemielonych o wskaźniku WRV0 zostaje zmielona do wartości WRV granicznego (WRV_lim). W każdym kolejnym przepływie, pomimo, że ilość obrabianej masy w strefie mielenia jest stała, lecz włókna, które osiągnęły w poprzednich cyklach przepływu WRV_lim nie ulegają już obróbce. Według tej hipotezy równanie określające zmianę WRV włókien w funkcji czasu ma postać: WRV_t=WRV_lim-(WRV_lim-WRV₀)•(1-α) ^t W równaniu tym wskaźnik α określa stosunek masowy włókien poddanych obróbce do ogólnego strumienia masowego włókien. Wskaźnik WRV_lim charakteryzuje zaś intensywność procesu mielenia w danym urządzeniu mielącym. Powyższe równanie zweryfikowano w warunkach laboratoryjnych. Wykonano mielenia masy siarczanowej niebielonej sosnowej w różnych urządzeniach mielących (w młynkach PFI, Jokro oraz holenderze Valleya). Ponadto mielono różne masy włókniste (siarczanowa bielona sosnowa, siarczanowa bielona brzozowa, siarczanowa bielona eukaliptusowa, makulaturowa) w holendrze Valleya. Uzyskane wyniki w pełni potwierdziły słuszność przyjętej hipotezy badań. W celu dodatkowego uogólnienia uzyskanych wyników badań, opracowane równanie zweryfikowano, wykorzystując wyniki innych badaczy analizujących mechanizm i kinetykę procesu mielenia uzyskane w skali półtechnicznej. Badania te potwierdziły poprawność przyjętej hipotezy badań. Pozytywne zweryfikowanie przedstawionego hipotetycznego modelu przebiegu procesu mielenia stanowi istotny wkład w rozwój wiedzy o mechanizmie procesu mielenia i impuls do usprawnienia i optymalizacji tego procesu. Można więc wnioskować, że ogólna postać opracowanego równania może być wykorzystana do kompleksowego opisu przebiegu podstawowych efektów procesu mielenia mas włóknistych. Badania te stanowią podstawę do usprawnienia lub optymalizacji procesu mielenia, a w szczególności zmniejszenie energochłonności tego procesu.

Currently, paper is one of the most commonly used products in the world. It is used as writing, packaging material and for hygienic purposes. Paper has already established a significant position among other industrial materials due to renewability of raw material, possibility of recovery, multiple usages of fibers for production process and biodegradability. It is presently used in developed societies and will be also a mass and ecological material of the XXI century. Paper consumption during the XX century and in the first decade of the XXI century was constantly increasing; reaching level of 394 million metric tons in 2010, in Poland it is 4,072 million metric tons. Consumption of paper per head is 107 kg. Refining is one of the basic specific operations that hasboth great influence on quality of paper products and costs of production process. Specific energy consumption for refining of pulp is approximately 200÷500 kWh/t, that is 30÷50% of general consumption of electrical energy in a paper mill. The reason for such state of affairs is extremely low energy efficiency of refining process. It is estimated by various researchers to be in the range from fraction to few pro cents. Despite vast investments in scientific research, the principle of this process has not changed significantly since XVII century. There is impasse in the field of pulp refining and there is no new fundamental information in scientific literature concerning progress in refining since 70’s of the XX century. All refining theories were elaborated in the 50’s of XX century and described this process only in partial and qualitative way. The topic of the paper is research of mechanism and kinetics of fiber fibrillation - one of the basic refining effects. The direct goal of the work is a mathematical description of fibers fibrillation kinetics and precise estimation of influence of operational conditions. The work contains review of scientific literature concerning mechanism and kinetics of pulp refining process and shows how complex and difficult for mathematical description this process is. Based on the gathered information and especially results and conceptions prepared at the Technical University of Lodz, the work presents actions leading to elaboration of mathematical model of internal fibrillation - the most important refining basic effect. According to the scientific hypothesis presented in the work, during every flow of pulp through refining zone, a specific number of unrefined fibers, that has WRV parameter equal to WRV₀, are refined to the maximal value of WRV parameter (WRV_lim). In every following cycle the number of fibers going through refining zone is the same, however the fibers that had already reached value WRV_lim, cannot be further refined. Based on the hypothesis, equation describing change of fibers WRV as a function of time can be presented by equation: WRV_t=WRV_lim-(WRV_lim-WRV₀)•(1-α) ^t In this equation parameter α describes mass ratio of refined fiber to total mass stream of fibers. Parameter WRV_lim characterizes intensity of process in given refiner. The above equation was initially verified for laboratory conditions. Unbleached pine sulfate pulp was refined in different laboratory-scale refiners (Jokro mill, PFI mill, and Valley beater). Furthermore, a series of various pulps (bleached birch sulphate pulp, bleached eucalyptus sulphate pulp, bleached pine sulphate pulp, recovered OCC pulp) were refined in Valley beater. Obtained results fully confirmed Tightness of the assumed scientific hypothesis. In order to further generalize obtained results, the elaborated equation was verified also for results presented by other researchers. They performed experiments in semi-technical scale. In this case, Tightness of the assumed scientific hypothesis was also confirmed. Successful verification of presented hypothetical model of refining process is a significant contribution to development of knowledge in the field of refining mechanism and is an impulse to improve and further optimize refining process. It may be assumed, that general formula of the obtained equation may be used for complex description of kinetics of basic refining effects for pulp. The research performed in the work may be a base for optimization of refining process, with the particular consideration of reduction of energy consumption for refining.

Słowa kluczowe

mielenie masy papierowej fibrylacja wewnętrzna włókno celulozowe

beating internal fibrillation cellulose fibres

Wydawca

Wydawnictwo Politechniki Łódzkiej

Czasopismo

Zeszyty Naukowe. Rozprawy Naukowe / Politechnika Łódzka

Rocznik

2012

Tom

Z. 430

Strony

1--164

Opis fizyczny

Bibliogr. 95 poz.., il. kolor., wykr.

Twórcy

autor

Przybysz P.

Politechnika Łódzka. Instytut Papiernictwa i Poligrafii

Bibliografia

[1] Fornalski Z.: Zużycie i produkcja papieru i tektury w Polsce w 2010 roku na tle krajów europejskich, Przegląd Papierniczy, 67, 9, 525 (2011).
[2] Przybysz K., Przybysz Z., Drzewińska E.: Wykorzystanie surowców roślinnych we współczesnym przemyśle papierniczym - stan i perspektywy rozwoju, Przemysł chemiczny, 85, 8-9, 1303 (2006).
[3] The need project „Energy consumption - Industrial sector”, Secondary energy infobook, 74 (2004).
[4] Scheihing P.: Resources to Make Paper Mills More Energy Efficient, Paper Industry Energy Symposium, Appelton (2005).
[5] Nilsson L., Larson E., Gilbreath K., Gupta A.: Energy Efficiency and the Pulp and Paper Industry American Council for Energy-Efficient Economy, Research Report IE962 (1996).
[6] Przybysz K., Szwarcsztajn E.: Wpływ kryllu na smarność masy papierniczej Przegląd Papierniczy, 29, 4, 105 (1973).
[7] Westman L.: Idling losses in the low-consistency refining of chemical pulp, SvenskPapperstidning87, 3, R8-R13 (1985).
[8] przelicznik węgiel-energia elektryczna - http://www.ellaz.pl/edukacja/najczesciej-zadawane-pytania-faq
[9] Przybysz K., Przybysz P.: Rodzaje pisma i materiały do pisania stosowane przed upowszechnieniem papieru WIST, Łódź (2004).
[10] Przybysz K.: Zdolność papierotwórcza półproduktów włóknistych, Przegląd Papierniczy, 31, 5, 226 (1975).
[11] Przybysz K.: Rzeczywista zdolność papierotwórcza mas włóknistych, Przegląd Papierniczy, 33,4,138(1977).
[12] Jagenberg F.: Das Holländergeschirr in Brifenaneiner Papiermacher patrz. Lumiainen J.J.: A new approach to the critical effecting on refining intensity and refining result in low consistency refining, TAPPI Papermakers Conference Proceedings (1990).
[13] Kirschner E.: Das Papier 4, Teil 2, Ganzstoffe (1906).
[14] Pfarr A.: Hollander und derenKraftverbrauch, Wochenblatt fur Papierfabrikation 35 (1907).
[15] Smith S.: The action of the beater in papermaking, Paper Trade Journal 106 (1922).
[16] Wultsch F., Fluchter W.: Der Escher-Wyss Kleinrefinerals Standard Prufgerat fur moderne Stoffbeurteilungsanlagen, Das Papier 13, 12 (1958).
[17] Brecht W., Siewert W.: Zurtheoretischtechnischen Beurteilung des Mahlprocessesmoderner Mahlmaschinen, Das Papier 20, 1 (1966).
[18] Kline R.: A practical approach to refining, Paper Trade Journal 162, 23 (1978).
[19] Stevens W.: Refiner analysis offers improved system efficiency, horsepower usage, Pulp and Paper 55, 3 (1981).
[20] Lumiainen J.: New theory can improve practice, Pulp and Paper International 32, 8 (1990).
[21] Lumiainen J.: Specific surface load theory, PIRA 3rd International Refining Conference Proceedings (1995).
[22] Meltzer F.: Dissertation, RTHW Aachen (1994).
[23] Fox T.: Inside a disk refiner, Int. Symposium Fundamental Concepts of Refining, 16-18 Sept. Appelton USA (1981).
[24] Fox T., Bordkey R., Nissan A.: High-speed photography of stock transport in a disk refiner, TAPPI Journal 62, 3, 55 (1979).
[25] Steenberg B.: The unknown liquid drag in pulp refining, TAPPI journal 61, 12, 89 (1978).
[26] Arjas A., Klemola A.: Flexibility and energy saving in continuous pulp refining, 17th EUCEPA Conf. Vienna Oct (1977).
[27] Arjas A. i in.: The Influence of residence time distribution on pulp properties, Int. Symposium „Fundamental Concepts of Refining” 16-18 Sept. Appleton USA (1981).
[28] Arjas A., Ario M., Ryti N.: The influence of residence time distribution on the besting results of a mill-scale conical refiner, PaperijaPuu10, 639 (1970).
[29] Arjas A.: Einfluss der Glechmassigkeit der Zellstoffmahlung auf Faserbindung, Paperija Puu 52, 12, 825 (1970).
[30] Ryti N.: Prinzipen zur Charakterrisierung von Papierzellstoffen.: Paperi ja Puu 53, 12,729 (1971).
[31] Zeeman E.: Catastrophe Theory, Addison-Wesley Reading Mass. (1977).
[32] Steenberg B.: Mahlungsvorgange - NeueBetrachtungen, Das Papier 33, 10A, 141 (1979).
[33] Batchelor W., Ouellet, D.: Estimating forces on fibers in refining, Fourth. International Refining Confernce, 47 (2001).
[34] Winczakiewicz A.: Teoretyczne podstawy procesu mielenia surowców włóknistych, Przegląd Papierniczy, 7, 7, 86 (1951).
[35] Szwarcsztajn E.: Technologia papieru cz. I, wyd.II, WPLiS, Warszawa (1968) s. 123.
[36] Strachan J.: Further notes on the hydration of cellulose in papermaking, Proceedings of the Technical Section, London, U.K., 61 (1932).
[37] Strachan J.: Some physical aspects of beating, Proceedings of the Technical Section, Manchester, U.K., 171 (1938).
[38] Cottrall L.: The influence of hemicelluloses in wood-pulp fibres on their. papermaking properties, Pulp and Paper Magazine Canada 51, 9, 135 (1950).
[39] Emerton H.: Fundamentals of the Beating Process, s. 82, Kenley (1957).
[40] Mason S.: The specific surface of fibers - its measurement and application, Tappi Journal, 33, 8, 403 (1950).
[41] Higgins H., De Yong J.: The beating process – Primary effects and their influence on paper properties, Trans. of the 2nd, Fundamental Research Symposium Oxford, UK, 651 (1961).
[42] Nederveen G.: Das Mahlen von Papierfasern in Laboratoriumsgerate Paperi ja Puu 44, 4,159 (1962).
[43] Nisser H., Brecht W.: Zwei neue Messkriterien von aufgeschliwemmten Fasernzur Beurteilung der Blattfestigkeit, SvenskPapperstding 66, 2, 37 (1963).
[44] Wurtz O.: Mahlungstudien an Zellstoffen mit Simonsfarbungen, Wochenblatt für Papierfabrication 97, 4, 120 (1969).
[45] Ebeling K.: A critical review of current theories for the refining of chemical pulps, Finnish Paper Engineers Association B2, s. 1 (1981).
[46] Fahey M.: TAPPI Mechanical Treatment of Chemical Pulps, 53, 11, 2050 (1970).
[47] Higgins H., de Young J.: Materiały Sympozjum Oxford September 1961, t. II, s. 51 Tech. Sect. British Paper a Board Makers Assoc. London 1962.
[48] Giertz, H.W.: The effect of beating on individual fibres. Fundamentals of Papermaking fibres, Transactions of the 1st Fundamental Research Symposium, Cambridge, U.K., 389 (1957).
[49] Giertz H.: EinWegzurUntersuchung des Mahlvorganges, Norsk. Skogindustri 18, 7, 239 (1964).
[50] Clark d’A.: Pulp technology and treatment for paper s. 752, Miller Freeman Publ. Inc. San Francisco 1978.
[51] Szwarcsztajn E.: Przygotowanie masy papierniczej, WNT, Warszawa (1991).
[52] Przybysz K.: Podstawowe efekty mielenia papierniczych mas włóknistych. Cz. I. Rozwój poglądów na temat teorii i podstawowych efektów procesu mielenia, Przegląd Papierniczy 53, 6 354 (1997).
[53] Przybysz K.: Podstawowe efekty mielenia papierniczych mas włóknistych. Cz. II, Przegląd Papierniczy 53, 7, 409 (1997).
[54] Przybysz K.: Wiązania między włóknami w papierze Cz. I. Istota, mechanizmu powstawania oraz czynniki kształtujące wytrzymałość wiązań między włóknami w papierze, Przegląd Papierniczy 33, 9, 342 (1977).
[55] Przybysz K., Napiórkowska-Zubrzak M.: Wiązania między włóknami w papierze Cz. II. Metody oznaczania mocy wiązań między włóknami w papierze, Przegląd Papierniczy, 33, 12, 460 (1977).
[56] Przybysz K.: Fibrylacja wewnętrzna włókien. Cz. I. Istota i mechanizm przebiegu fibrylacji wewnętrznej włókien.” Przegląd Papierniczy 56, 2, 63 (2000).
[57] Przybysz K.: Fibrylacja wewnętrzna włókien. Cz. II. Analiza przebiegu fibrylacji wewnętrznej. Przegląd Papierniczy, 56, 5, 285 (2000).
[58] Przybysz K., Szwarcsztajn E.: O frakcji drobnej masy celulozowej, Przegląd Papierniczy 28, 8, 275 (1972).
[59] Przybysz K., Szwarcsztajn E.: External fibrillation of beaten cellulose fibres, Cellulose Chemistry and Technology, 6, 2, 233 (1972).
[60] Kang T.: Role of external fibrillation in pulp and paper properties, Praca doktorska, Helsinki University of Technology, Reports, Series A 28, Espoo, Finland (2007).
[61] Steenberg B., Sandgren B., Wahren D.: Svensk Papperstidning 63, 24, 879 (1960).
[62] Kurhila A.: Developing a method for characterization of fiber external fibrillation. Measurement of external fibrillation, Praca dyplomowa, Helsinki University of Technology, Espoo, Finland, 96 (2005).
[63] Alince B.: Porosity of swollen pulp fibers revisited, Nordic Pulp and Paper Research Journal 17, 1, 71 (2002).
[64] Jeffrey G.: An Introduction to Hydrogen Bonding. Oxford University Press, New York (1997).
[65] Barbiellini B. and Shukla A.: Ab initio calculations of the hydrogen bond, Physical Review B, 66, 235101 (2002).
[66] Page D., de Grace J.: The Delamination of Fiber Walls by Beating and Refining, TAPPI 50, 10, 489 (1967).
[67] Page D., Seth R., Jordan B., Barbe M.: Curl, crimps, kinks andmicrocompressions in pulp fibers – Their origin, measurements and ignificance, Papermaking Raw Materials, Trans. of the 1985 Fundamental Research Symposium, Oxford, 183 (1985).
[68] Page D.: The beating of chemicals pulps - The action and the effects, Papermaking Raw Materials, Trans. of the 9th, Fundamental Research Symposium, Cambridge, UK, 1 (1989).
[69] McIntosh D.: The Effect of Refining on the Structure of Fiber Wall TAPPI 50, 10, 482 (1967).
[70] Iwasaki T., Lindberg B., Meier H.: The effect of ultrasonic treatment on individual wood fibres, Svensk Papperstdn. 66, 20, 795 (1962).
[71] Page D.: The axial compression of fibres - A newly discovered beating action, Pulp Paper Mag, Can. 67, 1, T-2 (1966).
[72] Hartler N., Nyren J.: GestorteZonen in Cellulose fasern, Svensk Papperstdn. 71, 21, 788 (1968).
[73] Iwasaki M., Naito T.: Microscopical evaluation of external fibrillation of mechanical pulps”, Proceedings of the 63rd, Japan TAPPI Pulp and Paper Research Conference, Tokyo, Japan, 62 (1996).
[74] Stone J., Scallan A., Abrahamson B.: Influence of beating on cell wall swelling and internal fibrillation” SvenskPapperstidning19, 10, 687 (1968).
[75] Stone J., Scallan A.: A structural model for the cell wall of water swollen wood pulp fibres based on their accessibility to macromolecules”, Cellulose Chemistry and Technology 2, 3, 343 (1968).
[76] Przybysz K.: Klasyfikacja wody zawartej w papierniczych masach włóknistych i wytworach papierniczych, Przegląd Papierniczy 61, 1, 41 (2005).
[77] Przybysz K.: Klasyfikacja wody zawartej w papierniczych masach włóknistych. Cz. II. Woda sklarowana i sedymentacyjna”, Przegląd Papierniczy 63, 2, 113 (2007).
[78] Przybysz K.: Charakterystyka wody zawartej w papierniczych masach włóknistych i wytworach papierniczych. Cz. III. Woda wolna zawarta w papierniczych masach włóknistych, Przegląd Papierniczy 63, 4, 221 (2007).
[79] Przybysz K.: Charakterystyka wody zawartej w papierniczych masach włóknistych i wytworach papierniczych Cz. IV. Woda zatrzymana i semi-związana zawarta w papierniczych masach włóknistych, Przegląd Papierniczy, 63, 7, 395 (2007).
[80] Allen G., Ko Y.: The microporosity of pulp. The forces influencing the intra and inter-fiber pore structure and size distribution in pulp and paper, Cellulose Chemistry and Technology 29, 479 (1995).
[81] Maloney T., Paulapuro H.: The formation of Pores in the Cell Wall, Journal of Pulp and Paper Science, 25, 12, 430 (1999).
[82] Malonet T., Todorovic A., Paulapuro H.: The effect of fiber swelling on process dewatering, Nordic Pulp and Paper, 13, 4, 285 (1998).
[83] Paltakari J.: Internal and external faktors affecting the paper drying process, Doctoral Thesis, Helsinki University of Technology, Series A12 (Espoo 2000).
[84] Webber, J.: Studies of nano-structured liquids in confined geometries and at surfaces, Progress In Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy 56 (1): 78-93 (2010).
[85] Weise U., Maloney T., Paulapuro H.: Quantification of water in different states of interaction with wood pulp fibres, Cellulose 3, 1, 189 (1996).
[86] Park S., Venditti R., Jameel H., Pawlak J.: Hard to remove water in cellulose fibers characterized by high resolution thermogravimetric analysis - methods development, Cellulose 13, 1, 23 (2006).
[87] Jayme G., Buttel H.: Uber die Bestimung und Bedeutung des Wasserruck-haltvermogens (des WRV-Wertes) verschidenerZellstoffe, Papier20, 2, 357 (1966).
[88] Jayme G., Ghoneim G., Kruger H.: VerbesserteMessung des WRV hochge-mahleneZellstoffe, Papier12, 5/6, 90, (1958).
[89] Norma ISO Determination of water retention value (WRV) 23714:2007.
[90] TAPPI Useful Method UM256 - Water retention value (WRV).
[91] Przybysz K.: Badanie przebiegu fibrylacji włókien w procesie mielenia, PP 31, 6, 244 (1975).
[92] Przybysz K., Szwarcsztajn E.: Innere fibrillation of cellulose fibres, Cellulose Chemistry and Technology 9, 6, 597 (1975).
[93] Przybysz K.: Badania nad mechanizmem procesu mielenia mas celulozowych, Praca doktorska, Politechnika Łódzka (1971).
[94] Czechowski J.: Kinetyczne aspekty procesu mielenia mas celulozowych, Praca doktorska, IPiMP Politechnika Łódzka (1989).
[95] Olejnik K.: Badanie efektywności procesu mielenia papierniczych mas włóknistych, Praca doktorska, IPiP Politechnika Łódzka (2002).

Typ dokumentu

Bibliografia

Identyfikator YADDA

bwmeta1.element.baztech-7db6347f-b8e4-41bf-8775-fb310ecc284d