JE MĚŘENÍ NÁBOJE PŘI VÝROBĚ PAPÍRU STÁLE MAGIÍ A ZÁHADOU? Wolfgang Falkenberg Od samého počátku byla výroba papíru zaměřena na produkci homogenní struktury archu z velkých objemů vody, obsahujících malá množství vody a plnidla. Koncentrace vláken pod 1 % je v této souvislosti zcela běžná. Pro úspěšnou kontrolu požadovaných vlastností látky a výrobního procesu přidávají výrobci papíru do vláknité suspenze funkční přísady a procesní chemikálie. Má-li být dosaženo pozitivních výsledků, musejí však tyto chemikálie na vlákna působit. Vzájemnému působení přísad a vláken však zabraňují extrémně nepříznivé podmínky panující ve vláknitých suspenzích, jako jsou velmi vysoké zředění, silné víření a velké smykové síly, krátká doba kontaktu s vlákny a v neposlední řadě anionické znečištění. Všechny tyto okolnosti narušují optimální mechanismus adsorpce. Mají současní výrobci papíru možnost dosáhnout vysoce produktivní adsorpce přísad na povrchu vláken v minimálním čase? Odpověď je, že je to možné pomocí řízení náboje. Stejně jako většina plnidel i papírenská vlákna s sebou přirozeně nesou malý záporný náboj. Tato skutečnost se využívá v praxi a moderní chemie výroby papíru způsobí, že jsou pozitivně nabité částice absorbovány na vláknech prostřednictvím polárních vazeb. Z tohoto důvodu obsahují prakticky všechny papírenské přísady kationaktivní částice. Polární vazby poskytují dvojí příznivý účinek tím, že jsou velmi silné a velmi rychle narůstají. Měření nábojů jak chemických přísad, tak vláken má zásadní důležitost pro vyhodnocení, řízení a využití polární vazby pro účely výroby papíru. Měření náboje s použitím přístrojů Mütek TM PCD-03 Particle Charge Detector a Mütek TM SPZ-06 System Zeta Potential o něm podává jasný obraz (viz obr. 1).
Obr. 1: Společné působení PCD a SZP: Zeta potenciál: Jaká je adsorpční kapacita vláken? Adsorbovaly se přísady? Potřeba náboje: Jak velké je anionické znečištění? Jaký náboj mají přísady? Kolik fixačního prostředku je zapotřebí? Stručné vysvětlení teorie náboje Před pouhými 20 lety bylo měření náboje v papírenském průmyslu jen zřídka prováděno. O Zeta potenciálu bylo dlouho známo, že je měřitelný, ale jeho charakteristika a výhody nebyly mezi uživateli ještě v širokém měřítku rozšířeny. Protože měření náboje je pro výnosnou výrobu papíru velmi důležité, obsahuje následující text stručné seznámení s dvěma metodami, používanými firmou BTG Mütek. Zeta Potenciál Částice, jako jsou třeba vlákna papíru, mohou na povrchu vodního systému působit vnášením kladného nebo záporného náboje. Tyto náboje však není možno jako celek změřit, protože částice je obklopena difúzní vrstvou opačných iontů, které náboj částice zeslabují.
Tato difúzní vrstva, tzv. dvojvrstva, sestává z množství iontů daného znaku a z množství iontů opačného náboje, které jsou zčásti pevně přichyceny na částici a zčásti volněji vázány mimo částici (viz obr. 2 Model dvojvrstvy). Pokud je uvolněná nebo difúzní dvojí vrstva odstraněna, například střihem, je měření náboje umožněno. Ovšem náboj je mírně redukován hutnou vrstvou, která obklopuje částici. Tento zeslabený a měřitelný náboj částice se nazývá potenciál Zeta. V zásadě je možné určit Zeta potenciál jak rozpuštěných, tak nerozpuštěných částic. V podmínkách závodů je však měření Zeta potenciálu nerozpuštěných částic, jako jsou vlákna a plnidla v současné době nejrozšířenější. K měření Zeta potenciálu papírenských vláken a plnidel nabízí firma BTG zařízení Mütek TM System Zeta Potential (viz obr. 3).
Potřeba kationaktivních částic Podobně jako pevné částice vytvářejí také substance v koloidních roztocích iontové znečištění, odpovídající modelu dvojí vrstvy. Protože je v případě substancí v koloidních roztocích velmi obtížné změnit toto znečištění reprodukovatelným způsobem pro následné určení náboje, ovládla průmysl jiná metoda, která se nazývá titrace náboje. Zatímco probíhá měření náboje částic v koloidních roztocích, přidá se k roztoku polyelektrolyt opačného náboje a vytvoří pevnou (simplexní) vazbu s částicí. Tímto způsobem je náboj částice plynule snižován do bodu nulového náboje. Náboj částice v roztoku se pak odvozuje z množství spotřebovaného polyelektrolytu. Protože tato metoda je nejčastěji používána ke stanovení hladiny rozpuštěného anionického znečištění, je často nazývána jako měření potřeby kationaktivních částic. K měření náboje v roztocích nabízí BTG zařízení Mütek TM Charge Detector s titrátorem (viz obr. 4). PCD-03 Particle Obr. 4: Stanovení nábojů v roztocích potřeba iontů (potřeba kationtů): přístroj pro zjišťování náboje částic Mütek TM Particle Charge Detector a titrátor PCD-T3 PCD-03 Použití Bezprostředně v kontextu se zvyšujícím se zaokruhováním vod papírny zjistili technici závodu ztrátu účinku papírenských přísad a procesních chemikálií. Tento negativní účinek byl způsoben hlavně rozmanitostí vzájemných působení rozpuštěných chemikálií s anionickým znečištěním v roztocích, které pocházelo hlavně z výmětu, nashromážděného v podsítové vodě. Tenkrát bylo měření náboje slibným nástrojem ke zjištění a vyhodnocení těchto fenoménů. Během minulého desetiletí se toto měření stalo v průmyslu zavedenou a používanou metodou. Kromě toho byly úspěšně zavedeny i mnohé jiné, z nichž některé jsou níže přehledně uvedeny. Anionické znečištění (PCD) Jednoduchým a rychlým stanovením náboje ve filtrátu podsítové vody jsou zjišťovány hladiny anionického znečištění u rozpuštěných anionických substancí v jakémkoli místě výrobního procesu. Vázání anionického znečištění kolektory (PCD) Optimální dávkování kolektorů znečištění nazývané rovněž jako kationické čističe se určí stanovením náboje v roztoku před a po jejich zadávkování. Náboje přísad (PCD)
K charakterizování chemických přísad stanovením hladin náboje při různých hodnotách ph se používá titrace náboje. Úspora chemikálií (PCD + SZP) Měření Zeta potenciálu a nábojů v roztocích před přidáním chemikálií a po něm (kationaktivní škrob pro mokrou část stroje, činidlo pro pevnost za mokra atd.) umožňuje stanovit, zda některá přísada začala působit s vlákny nebo s anionickým znečištěním. Tímto způsobem lze optimalizovat dávkování chemikálií. Snížení usazenin (PCD + SZP) Neabsorbované přísady nahromaděné v procesu a možná vysrážení společně s anionickým znečištěním vedou k tvorbě usazenin. Měřením náboje vláken a nábojů v roztocích lze vyhodnotit adsorpční chování přísad a snížit množství usazenin. Zlepšení tvorby listu (SZP) Zeta potenciál může silně ovlivnit flokulaci. Obr. 5 znázorňuje flokulaci při různých potenciálech Zeta se stoupajícím dávkováním činidla pro pevnost za mokra. Tvorba listu se zřetelně zlepšuje, když vlákna podstupují druh disperze (viz obr. 5). Nárůst opacity (SZP) I přes nezměněné přísady plnidel pomáhá optimalizovaná tvorba listu zvýšit opacitu. Sledování náboje vláken nebo Zeta potenciálu přispívá k optimalizaci procesu. Regulace pěny (PCD + SZP) Neabsorbované přísady mají tendenci hromadit se v procesu a způsobovat pěnění. Díky měření náboje vláken a nábojů v roztocích lze odhadnout a optimalizovat adsorpční chování přísad. Pouze PCD, SZP, náboj v roztocích a náboj vláken poskytují detailní nahlédnutí do mokré části papírenské výrobní technologie. Umožňují tak výrobcům papíru optimalizovat přísady chemikálií, zlepšovat kvalitu papíru a v konečném důsledku zlepšovat produktivitu. O autorovi: Wolfgang Falkenberg výrobní ředitel v BTG Mütek od roku 2001. Hlavní sférou jeho zájmů je retence a odvodňování.