Производство бумаги относится к отраслям промышленности, расходующим
большое количество воды. В некоторых развитых странах на долю
целлюлозно-бумажной промышленности приходится до 70 % промышленного
использования воды. Во всех процессах бумажного производства, за
исключением сухого способа изготовления бумаги, вода играет важную роль.
Именно в воде происходит набухание растительных волокон, их размол,
процессы наполнения, проклейки и окраски. На бумагоделательной машине
бумага изготовляется из разбавленной водной суспензии. Перед
каландрированием бумагу смачивают водой.
Вода — один из компонентов любого вида бумаги. Ее количество в бумаге и
свойства оказывают влияние на свойства изготовляемой бумаги. Вследствие
гигроскопичности и в зависимости от своего химического состава
растительные волокна, из которых изготовлена бумага, впитывают из
окружающего воздуха то или иное количество влаги до установления
равновесия между параметрами окружающего воздуха и влажностью бумаги.
С уменьшением относительной влажности окружающего воздуха уменьшается и
влажность бумаги, находящейся в этой атмосфере. Однако в обычных
условиях окружающего воздуха бумага абс. сухой не бывает.
Влияние влаги в бумаге на показатели ее механической прочности
общеизвестно. Бумага, лишенная влаги (абс. сухая), состоит из жестких
непластифицированных водой волокон и поэтому ее сопротивление излому
оказывается пониженным. Вместе с тем в чрезмерно увлажненной бумаге силы
связи между волокнами настолько ослаблены, что при этом снижается не
только сопротивление излому, но и величина многих других показателей
бумаги (например, сопротивлений разрыву или продавливанию). Таким
образом, для каждого вида бумаги существует оптимальная величина
влажности, при которой положительное влияние гибкости и пластичности
волокон преобладает над отрицательным влиянием снижения величины
межволоконных сил связи. Поэтому у бумаги со слабо развитыми
межволоконными связями даже небольшое увлажнение бумаги способствует
уменьшению ее сопротивления излому, в то время как у бумаги с повышенной
величиной межволоконных сил связи умеренное увлажнение влечет за собой
повышение ее сопротивления излому.
В зависимости от вида выпускаемой бумаги расход свежей воды на 1 т
готовой продукции практически колеблется в очень широких пределах и
составляет от нескольких кубических метров до 1000 и более. Даже при
выработке одного и того же вида бумаги на разных предприятиях расход
свежей воды весьма различен и зависит от принятых схем технологического
процесса и использования оборотной воды, общей культуры производства и
работы установленного оборудования.
Все возрастающая необходимость охраны природы требует максимально
возможного сокращения расхода свежей воды, разумного ее использования и
уменьшения загрязнений водоемов стоками различных предприятий, в том
числе предприятий целлюлозно-бумажной промышленности.
В мире из общих запасов воды 97,4 % представляет собой соленая вода
морей и океанов и 2,6 % пресная вода. В свою очередь из мировых запасов
пресной воды наибольшее ее количество сосредоточено в недоступных для
практического использования полярных и морских льдах, а также в льдах
глетчеров (77,23 %) и под землей на глубине от 800 до 4000 м (12,35 %).
Теоретически возможная к использованию пресная вода — грунтовая на
глубине до 800 м (9,86 %), вода пресных озер (0,35 %) и рек (0,003 %)
—составляет всего лишь 10,2 % от всех запасов
пресной воды, или 0,27 % от общих мировых запасов
соленой и пресной воды.
Приведенные цифры дают наглядное представление о том, как важно
экономить и рационально использовать воду в бумажном производстве, и
именно наиболее дефицитную, пресную воду, так как соленая (неопресненная)
вода может практически применяться в производстве бумаги в весьма
ограниченных количествах из-за большого содержания растворенных в ней
солей.
В среднем в 1 кг морской воды содержится 35 г солей. Из этого количества
27,2 г составляет хлористый натрий. Все хлориды (соединения хлора с
натрием и магнием) в морской воде составляют 85,7 % от общего содержания
солей, в состав которых входит 44 химических элемента.
Эти соли морской воды образуют слой накипи в коммуникациях и в системах
производственного оборудования, вызывают его коррозию, усиливают
пенообразование, препятствуют проведению процессов проклейки и крашения
бумаги, осаждаются на волокнах при изготовлении бумаги и создают много
других производственных затруднений.
Разумеется, в производстве таких специальных видов бумаги, как
электроизоляционная, хроматографическая и т. п., использование соленой
воды совершенно исключается. Поэтому необходимо опреснять наиболее
дешевым методом соленую воду, особенно в географических пунктах,
расположенных на берегах морей и океанов, и в условиях отсутствия
естественных ресурсов пресной воды.
На предприятиях бумажной промышленности морская вода без ее опреснения
может быть использована в виде добавки к пресной воде в разумном
количестве, определяемом в каждом случае особо в зависимости от местных
условий (назначения воды, ассортимента выпускаемой продукции, учета
возможной коррозии оборудования и др.).
В некоторых случаях морская вода может быть использована для снижения
цветности стоков целлюлозно-бумажного производства. Она вводится в стоки
в качестве источника ионов магния. Добавляемая при этом известь
взаимодействует с ионами магния, образуя гидроокись магния. После
осаждения хлопьев, захватывающих значительное количество органических
веществ, отстой выглядит более прозрачным, чем первоначальный поток
сточной воды.
Морскую воду можно использовать для варки целлюлозы, так как при этом
наличие химикатов в варочном растворе практически исключает какое-либо
влияние солей жесткости морской воды. Это подтверждается практикой
расположенных на морском побережье сульфитцеллюлозных заводов,
применяющих для варки целлюлозы морскую воду.
Пресная вода осадков (дождевая, от таяния снега и льда), как правило,
отличается чистотой, но из-за неравномерного
поступления не может служить в качестве постоянного
источника для производства бумаги. Вместе с тем известно, что
использование в производстве воды, полученной в результате таяния льда и
снега, приводит к ухудшению степени проклейки бумаги и уменьшению
удержания в бумаге наполнителя (каолина). При прочих равных условиях
частицы каолина осаждаются в такой воде медленнее, чем в обычной
производственной воде.
Грунтовая вода (вода подземных источников и колодцев) из-за фильтрующих
свойств слоев земли практически не содержит механических примесей и
отличается чистотой. Ее температура даже летом не превышает 10—12 °С.
Относительно малая производительность грунтовых скважин не может
обеспечить современную бумажную фабрику производственной водой. Поэтому
грунтовую воду обычно используют в качестве лишь добавляемой и лишь в
производстве специальных видов бумаги.
По данным института экономики Академии наук СССР, целлюлозно-бумажная
промышленность является одним из основных загрязнителей окружающей
среды, выбрасывая до 75 % всех отходов в виде взвешенных частиц. Нужны
перспективные решения, при реализации которых резко сократятся выбросы в
атмосферу и водоемы. Поэтому в бумажном производстве необходимо
сократить расход свежей воды на 1 т готовой продукции с применением при
этом максимально замкнутых циклов использования оборотной воды, что
одновременно должно привести к уменьшению себестоимости изготовляемой
бумаги. Кроме экономии воды, волокон и наполнителей при замкнутом цикле
использования оборотной воды достигается также и более рациональное
использование тепла, что в ряде случаев, например в производстве
газетной бумаги, очень важно. Действительно, максимальное использование
тепла, заключенного в потоке древесной массы (основного компонента
газетной бумаги), способствует повышению температуры массы, поступающей
на сетку бумагоделательной машины. Это облегчает процесс обезвоживания
массы и повышает температуру оборотной воды, что приводит к повышению
температуры массы, поступающей на сетку бумагоделательной машины.
Однако высокая температура производственной воды не всегда желательна.
Отрицательное влияние повышенной температуры производственной воды в
летнее время на проклейку бумаги канифольным клеем общеизвестно. В этих
случаях происходит нежелательный процесс гомокоагуляции клеевых частиц.
Процесс канифольной проклейки бумаги в значительной степени определяется
жесткостью производственной воды. Нейтральный (бурый) клей практически
может быть использован только в мягкой воде. Соли временной и постоянной
жесткости производственной воды вызывают выпадение осадка этого клея,
если жесткость воды превышает 2,5—3,2 мг-экв/л. Белый клей более
устойчив к солям жесткости воды и не коагулирует в воде,
жесткость которой менее 4 мг-экв/л. Из всех видов
канифольного клея наиболее устойчивым является канифольный клей с
высоким содержанием свободной смолы. Однако чрезмерно жесткая, например,
морская вода также не может обеспечить надлежащую проклейку бумаги этим
видом клея.
Наличие в производственной воде гумусовых веществ, попадающих в воду из
почвы, отрицательным образом сказывается на проклейке бумаги из-за
снижения гидрофобизирующей способности клеевых осадков. При этом также
снижается белизна бумаги.
Соли жесткости воды могут вызвать появление слоя накипи на поверхности
сушильных цилиндров, а также образование на поверхности бумаги белых
включений, появляющихся из-за перехода бикарбонатов кальция и магния в
нерастворимое состояние под влиянием повышенной температуры
производственной воды.
Повышение замкнутости системы водоиспользования часто связано с рядом
серьезных производственных затруднений. В потоке могут развиваться
микроорганизмы, вызывающие слизе-образование, и накапливается большое
количество растворенных веществ. Возникают затруднения в процессах
канифольной проклейки бумаги и регулирования pH среды. Усиливается
пе-нообразование. Более заметными становятся явления коррозии и
отложения солей в трубопроводах и на стенках оборудования. В большей
степени засоряются сукна и сокращается срок их службы.
Однако хорошо известны и меры борьбы с указанными затруднениями. Для
предотвращения или, по крайней мере, существенного снижения пено- и
слизеобразования необходима тщательная промывка полуфабрикатов,
поступающих на бумажную фабрику. Для повышенного удержания в массе
взвешенных веществ и сокращения их содержания в оборотной воде могут
быть использованы химические добавки — флокулянты (полиакриламид,
полиэтиленимин и др.). Сочетание биологической очистки оборотной воды с
пропуском ее через ионообменные фильтры и электродиализные устройства в
принципе обеспечивает возможность удаления из оборотной воды
органических и неорганических веществ. Для этой цели могут быть
использованы процессы дистилляции и фильтрации через осмотические
перегородки. Все эти методы (за исключением введения в поток массы
флокулянтов) в настоящее время еще очень, дороги, но в области их
усовершенствования и удешевления ведется интенсивная работа, которая
стимулируется все повышающейся стоимостью свежей воды.
Существенно удорожается процесс подготовки свежей производственной воды
для изготовления электроизоляционной конденсаторной бумаги, при котором
используется специально получаемая деионизированная вода.
Помимо применения замкнутого цикла использования обо-ротной воды
экономия ее в производстве бумаги так же, как и экономия волокнистых
полуфабрикатов и наполнителей, может быть достигнута за счет
осуществления отлива бумаги из массы высокой концентрации, применения
гидропланок вместо регистровых валиков и высокоэффективной улавливающей
аппаратуры, уменьшения непроизводительных расходов воды на пено-гашение
и пр.
Дополнительные сведения по материалу раздела приведены в работах [16, с.
419—474; 20, с. 229—248].