چکیده
   دراین تحقیق جوهرزدائی و بازیافت کاغذهای چاپ شیمیایی به روش فلوتاسیون مورد بررسی قرار گرفت. با بررسی پارامترهای مختلف مشخص گردید که علاوه بر تاثیر مواد شیمیایی، درجه حرارت و زمان خمیر سازی اثر مستقیمی بر شفافیت خمیر جوهرزدائی شده دارد، بنحوی که با افزایش درجه حرارت یا زمان خمیرسازی و یا هر دو، میزان شفافیت خمیرکاغذ جوهرزدائی شده افزایش می یابد و این بدان معنی است که کارایی فلوتاسیون افزایش می یابد. غلظت پالپ بر خلاف غلظت های رایج مواد معدنی (35-30) درصد، در مرحله خمیر سازی (10-5) درصد ودر مرحله فلوتاسیون (3-1) درصد متغیربود. با توجه به نتایج حاصل، شرایط بهینه پارامترها مختلف بصورت زیر بدست آمدند:
   زمان خمیر سازی: 10 دقیقه pH خمیر سازی:11
   درجه حرارت خمیر سازی:c650 pH شناور سازی:5/10

کلمات کلیدی: بازیافت کاغذ، جوهرزدائی، فلوتاسیون، فیبر، کاغذ باطله.

پیش گفتار:      1- مقدمه    صنعت بازیافت کاغذ در طی چند دهه اخیربدلایل اقتصادی و زیست محیطی، حرکت رو به رشدی را داشت و بعنوان یک ضرورت در جهان مطرح شده است.کمبود مواد اولیه فیبری و نیاز روزافزون جوامع بشری به فرآورده های سلولزی از جمله کاغذ و از طرف دیگر وضع قوانین زیست محیطی در جهت محدود کردن آلودگی های ناشی از تولیدات صنعتی از جمله خمیر کاغذ و کاغذ، سبب گردیده است که موضوع بازیافت فرآورده های مصرفی بعنوان یک استراتژی مورد قبول جامعه جهانی مطرح گردد و لذا از طریق تحقیقات علمی و کاربردی، توسعه آن بطور جدی پیگیری می شود. در این میان صنایع بازیافت کاغذ نیز از این امر مستثنی نمی باشد و حاصل تحقیقات گسترده در زمینه بازیافت کاغذ، پیشرفتهای شگرفی است که در چند دهه گذشته پایه و اساس صنایع مدرن بازیابی کاغذهای باطله را تشکیل داده است]1[. به موازات پیشرفتهای تکنولوژیکی در زمینه صنلیع بازیافت کاغذ، اسباب مورد نیاز و خاص این صنعت نیز بسرعت گسترش یافته است. هم اکنون یکی از زمینه های بازرگانی فرآورده های سلولزی، تجارت کاغذهای باطله است، که همه ساله حجم نسبتا زیادی را به خود اختصاص می دهد]1[.    آنچه در این پروژه مورد نظر قرار گرفت، ارائه اهمیت بازیافت کاغذ و روشهای جوهرزدائی کاغد بود. در این ارتباط روش فلوتاسیون در مقیاس آزمایشگاهی در جهت بررسی نتایج حاصل از جوهرزدائی و بازیافت کاغذ مورد ارزیابی قرار گرفت که نتایج حاصل در این مقاله ارائه شده است.

 2- اهمیت بازیافت کاغذهای باطله
همانطوریکه گندم امنیت غذایی مردم را تامین می کند،کاغذ نیز امنیت فرهنگی جامعه را فراهم می سازد]2[. بطور متوسط در تولید یک تن کاغذ، 5 متر مکعب چوب مورد نیاز است (حدود50 عدد درخت). باتوجه به اینکه حداقل 30% از کاغذهای بازیافتی بعنوان کاغذ جدید استفاده می شوند، لذا بازیافت یک تن کاغذ موجب صرفه جویی درمصرف 17 عدد درخت می شود. اگرچه جمعیت آسیا 40 % جهان را تشکیل می دهد، ولی صرفا 10 % جنگلهای جهان را دارد]2[. بنابراین درسالهای آینده نیاز به کاغذ باطله بیشتر خواهد بود. درسال 2001 میلادی مصرف سرانه کاغذ کانادا حدود 280 کیلوگرم، فنلاند حدود 228 کیلوگرم، آمریکا و ژاپن 202 کیلوگرم، برزیل 26 کیلوگرم گزارش شده است]2[. این امر در حالی است که مصرف سرانه کاغذ(و البته مقوا)، مجموعا (16ـ14) کیلوگرم برای کشورایران است. براساس این فرض که متوسط رشد جمعیت در ایران به میزان 5/1% و رشد مصرف درحداقل درصد در طول10 سال آینده باشد، میزان سرانه کاغذ و مقوای مصرفی برای هرنفردرسال 2011 میلادی، حدود 20 کیلوگرم و همچنین میزان کل کاغذ و مقوای مصرفی کشور حداقل 5/1میلیون تن پیش بینی می گردد]2[. درحال حاضردرحدود250ـ230 هزار تن کاغذ باطله (حدود 25% از کل کاغذ ومقوای مصرفی کشور)، درشرکتهای تولیدی کاغذ و مقوا مصرف دارند. البته با بکارگیری سیستم های مدرن وبرنامه ریزی مدون، این مقدار می تواند تا سال 1390 شمسی به بیش از450 هزارتن ارتفاء یابد]2[. درسطح جهان بیش از 31 میلیون تن الیاف، از حدود 400 کارخانه، بازیافت و جوهرزدائی می شوند، علت این امراهمیت موضوع بازیافت و حداکثر استفاده از منابع سلولزی است]2[.

3- روشهای جوهر زدائی
ذرات جوهرعموما شامل مواد زیر می باشد]3[:
1- پیگمنت
2- عوامل چسبنده (دارای پایه آلی یا پایه آبی (
3- افزودنی ها (اسیدهای آلی ـ پلیمرها)
4- عوامل پرکننده (پوشش دهندها و شفاف کننده ها)
5- خشک کننده ها.
جوهرهای با اساس آبی و آلی دونوع عمده جوهرهای مصرفی را تشکیل می دهند]3[. تکنولوژی جوهرزدائی در طی 20 سال اخیر توسعه شگرفی یافته است و تاکنون مقادیر زیادی از کاغذهای ضایعاتی بازیافت شده اند. اهمیت جوهرزدائی بعنوان یک فرآیند صنعتی روبه افزایش است. فاکتورهای موثربربازیافت کاغذهای باطله عبارتنداز]4[:
مواد شیمیایی مورد استفاده درساخت کاغذ و پرکننده ها
روش جمع آوری و طبقه بندی کاغذهای باطله
نوع جوهرمورد استفاده در نوشتن
سن کاغذهای باطله.
تکنیک های جوهر زدائی که در حال حاضر بیشتر کاربرد دارند، شامل فلوتاسیون، شستشو و استفاده از سلولز و آنزیمها می باشد. طراحی فرآیند جوهرزدئی به کیفیت محصول کاغذ تولیدی و نوع کاغذ باطله مصرفی بستگی دارد. بدیهی است که هرچه کیفیت کاغذ باطله پائین تر باشد و هدف تولید محصولی با کیفیت بالاتری باشد، به انجام مراحل خالص سازی باطله بیشتری نیاز است. هدف اصلی ازجوهرزدائی، تهیه خمیری است که کاغذ حاصل ازآن به میزان کافی سفید باشد و درآن لکه های جوهرقابل رویت با چشم موجود نباشد. بنابراین خارج نمودن کامل ذرات درشت جوهر (بزرگتراز40 میکرون) یک هدف مهم و اساسی است. همچنین زدودن ذرات مرکب ریزتر از40 میکرون بارعایت جنبه های اقتصادی نیزمورد توجه کاغذ سازها می باشد.

4- کاربرد فلوتاسیون در جوهرزدائی کاغذهای باطله
درجذب ذرات جوهر از سطح کاغذهای باطله به روش فلوتاسیون چهار مرحله اساسی وجود دارد ]4[:
1ـ جداسازی ذرات جوهر ازفیبرهای کاغذ در پالپ و با حضورمواد شیمیایی،
2ـ تولید انتشار پایداری از ذرات در محلول آماده شده،
3ـ فلوتاسیون ذرات جوهر،
4ـ جلوگیری ازرسوب مجدد ذرات جوهر برروی فیبرها.
لازم به توضیح است که در روش فلوتاسیون، مواد شیمیایی جهت اجرای سه وظیفه زیر بکار می روند]3[.
ـ بعنوان جدا کننده برای جدا کردن جوهر ازسطح فیبر و جلوگیری از شناوری ذرات جدا شده فیبر،
ـ بعنوان کلکتور برای تجمع ذرات ریز به واحدهای بزرگتر وتغییر سطح ذرات ازآب دوست بودن به آبران بودن،
ـ بعنوان یک کف ساز برای تولید لایه ای از کف دربالای سلول فلوتاسیون درون کف.
البته باید درنظرداشت که همواره تمامی مواد مذکورمورد نیاز نمی باشد. بعنوان نمونه برخی از ذرات جوهربه طورطبیعی آبران هستند. بنابراین هنگام جوهرزدائی ازکاغذهایی که با این نوع جوهرها چاپ می شوند، نیاز به افزودن کلکتور(به پالپ) نمی باشد. همچنین درصورتیکه ذرات جوهر بتواند به روشهای زیراز فیبرجدا شوند، کاهش و یا عدم مصرف مواد شیمیایی صورت می پذیرد]1و5[.
ـ آنزیمها ومواد شیمیایی دردسترس وارزان مانند هیدروکسیدسدیم،
ـ فعالیت های مکانیکی مانند استفاده ازروشهای الکتریکی و مغتاطیسی ،
ـ پرتو مافوق صوت.
درمورد جوهرزدائی کاغذهای باطله نیز عملیات فلوتاسیون توسط pH کنترل می شود. فورستر، اثر pH برپتانسیل زتا را برای ذرات جوهر بررسی نمود]4[. مقدار پتانسیل زتا در6= pH درحدودmv25 است ودر10= pH ازmv50 تجاوز می نماید]4[. جذب یونهای -OH موجب افزایش نیروی دفع الکترواستاتیکی بین فیبرها وذرات جوهر می شود و به جدایش جوهر از سطح فیبرها کمک می نماید. فرآیند انتقال جوهر ازسطح فیبــر بطــور شماتیک در شکل1 ارائه شده است ]1[.

شکل 1- طرح شماتیک فرآیند انتقال جوهر از سطح فیبر]1[.

دراولین مرحله یونهای هیدروکسیل، فیبرها وذرات جوهر را دارای بارمنفی می نماید.
درمرحله ثانویه قسمت آبران از داروی افزوده شده به ذرات جوهر می چسبد وتوسط نیروی دافعه بین جوهر و فیبر نیز پشتیانی می شود، تا نهایتا ذره جوهر از سطح کاغذآزاد شود. انتقال لایه های جوهرازمواد فیبری (شکل1)، دراثر افزودن یون OH- و مواد شیمیایی و نیروهای برشی، فشاری ومالشی درحین عملیات همزنی جدا می شود]1[. لازمه جدایش مکانیکی ذرات جوهر، کاهش نیروی چسبندگی بین این ذرات و سطح فیبر می باشد. بنابراین ترکیب های زیر به عنوان داروهای کمکی به سلول افزوده می شوند:
هیدروکسیدسدیم
دارو های پاک کننده
عوامل کمپکس
پراکسیدهیدروژن
هریک ازمواد مذکور نقش ویژه ای را درفرایندهای شیمیایی فلوتاسیون ایفا می نمایند. بعنوان مثال هیدروکسیدسدیم با اسیدچرب واکنش می دهد و نمک سدیم فعالی را تشکیل می دهد و پراکسیدهیدروژن بعنوان سفید کننده بکار می رود. عوامل کمپلکس در جلوگیری ازکاهش اثر H2O2 دراثرعمل یونهای فلزی سنگین بکار می رود. اسیدهای چرب همراه هیدروکسیدسدیم باعث کاهش کشش سطحی آب می شوند]1,5[.

5- روش تحقیق
5-1- نمونه
در این تحقیق جوهرزدائی و بازیافت کاغذهای چاپ باطله شیمیایی به روش فلوتاسیون مورد مطالعه قرار گرفت.کاغدهای باطله دارای چاپ تک رو بوده، که بدلایل مختلف، عموما ویرایشی و یا مشکلات فنی مربوط به چاپ و غیره پس از چاپ بصورت باطله در نظر گرفته شده اند.

5-2- مراحل آزمایش
در این تحقیق برای حذف جوهرهای چاپ از سیستم جوهرزدائی به روش شناورسازی استفاده شد. بطور کلی عملیات خمیرزدایی به سه بخش عمده زیرتقسیم می گرددکه ذیلا شرح هر بخش ارائه شده است:
عملیات خمیرسازی
عملیات جداسازی جوهر(جوهرزدائی)
عملیات شستشو.
5-2-1- عملیات خمیرسازی
اولین مرحله از جوهرزدایی، تبدیل کاغذهای باطله به خمیر کاغذ که به آن خمیر سازی (Repulping) نیزمی گویند، عملیات خمیرسازی یک فرآیند مکانیکی- شیمیایی است و تنظیم متغیرهای فیزیکی، شیمیایی و مکانیکی نقش تعیین کننده ای در راندمان و کیفیت خمیر کاغذ حاصل از فرآیند جوهرزدائی خواهند داشت. مواد شیمیایی مورد استفاده در مرحله خمیر سازی کاغذهای باطله شیمیایی بشرح زیر در نظر گرفته شدند:

- هیدروکسید سدیم(NaOH) به نسبتهای cc 2، cc 5/2، cc 3 ( عامل متغیر)،
- اسید چرب(Fatty Acid) به نسبت cc 5/0 بصورت ثابت.
شرایط فیزیکی مورد استفاده در مرحله خمیر سازی کاغذهای باطله شیمیایی بصورت زیر در نظر گرفته شد:

در جه حرارت به میزان 50 و 65 درجه سانتیگراد (عامل متغیر)،
زمان خمیر سازی به میزان 5 و 10 دقیقه (عامل متغیر)،
غلظت خمیر کاغذ به میزان 3% و بصورت ثابت.

5-2-1-1- خمیر سازی
ابتدا 30 گرم کاغذ باطله شیمیایی بر مبنای وزن خشک توزین شد و سپس بسته به هر مرحله از آزمایش مواد شیمیایی به مقدار مورد نظر تهیه و به همراه یک لیتر آب ( با درجه حرات مورد نظر) به کاغذ باطله اضافه گردید. مجموعه کاغذ های باطله(که قبلا به تکه های کوچکی بصورت دستی تبدیل شده بودند) و مواد شیمیایی و آب با درجه حرارت مورد نظربه یک مخلوط کن آزمایشگاهی تخلیه شده وعملیات خمیرسازی با دور آهسته مخلوط کن انجام گرفت. پس از پایان عملیات خمیر سازی، خمیر کاغذ حاصل به مدت نیم ساعت در شرایط آزمایشگاه نگهداشته شد و pH آن اندازه گیری ثبت شد.

5-2-2- جداسازی جوهر(جوهرزدائی)
عملیات حذف جوهر به روش شناورسازی یک فرآیند فیزیکی- شیمیایی است، که تنظیم عوامل شیمیایی و فیزیکی در کارآیی و راندمان عملیات جوهرزدائی نقش بسیار مهم و تعیین کننده ای دارد.
شرایط فیزیکی و شیمیایی عملیات شناورسازی جوهر ذیلا آورده شده است:
هیدروکسید کسیم (Ca(OH)2) به نسبت cc 2 بصورت ثابت
روغن کاج نسبت cc 5/0 بصورت ثابت

عوامل فیزیکی مرحله جوهرزدائی شامل موارد زیر بودند:
غلظت کاغذ به میزان 1% و بصورت ثابت
درجه حرارت مرحله شناورسازی جوهربه میزان 40 درجه سانتیگراد و بصورت ثابت
زمان شناورسازی جوهربه میزان 10 دقیقه و بصورت ثابت.

5-2-2-1- شناورسازی جوهر
پس از مرحله خمیرسازی، غلظت خمیر کاغذ حاصل با افزودن آب گرم(درجه حرارت آب بنحوی تنظیم شد که دمای خمیر کاغذ در مرحله شناورسازی 40 درجه سانتیگراد باشد) به اندازه سه لیتر به 1% رسانده شده و pH مرحله شناورسازی اندازه گیری شد. سپس خمیر کاغذ به یک سلول شناورسازی جوهر منتقل شده و هیدروکسید کلسیم و روغن کاج به مقدار مورد نظر به آن اضافه گردید. پس از آن عملیات هوادهی به مدت 10 دقیقه به منظور شناور سازی ذرات جوهر انجام شد و کف حاصل ازعملیات جوهرزدائی(که در واقع مجموعه ای از الیاف و ذرات جوهر می باشد) بصورت سر ریز از مخزن شناور سازی جدا گردید.

5-2-3- شستشو
در فرآیند جوهرزدائی به روش شناورسازی لازم است که خمیر جوهرزدائی شده مورد شستشو قرار گیرد. اینکار به منظور تمیز سازی بیشتر خمیر جوهرزدائی شده و کاهش میزان خاکستر در خمیر کاغذ انجام می گیرد. در این تحقیق پس از جوهرزدائی، خمیر کاغذ حاصل مورد یک مرحله شستشو بر روی الک 200 مش(75 میکرون) قرار گرفت. در نمودار 1 تاثیر مقدار مصرف NaOH، در حرارت و زمان خمیر سازی بر روی شفافیت خمیرهای جوهرزدایی شده از کاغذهای باطله شیمیایی ارائه شده است. همانطوریکه در نمودار مشاهده می شود روند میزان شفافیت در مرحله خمیرسازی با دمای 50 درجه سانتیگراد نزولی است، بعبارت دیگر با افزایش مصرف هیدوکسید سدیم در دمای 50 درجه سانتیگراد برای مرحله خمیرسازی میزان شفافیت خمیر کاغذ جوهر زدائی شده کاهش می یابد. چنانچه در دمای خمیرسازی50 درجه سانتیگراد زمانهای خمیر سازی 5 و10 دقیقه مورد مقایسه قرار گیرند، مشخص می گردد که میزان شفافیت خمیر کاغذ برای زمان خمیرسازی 10دقیقه بیشتر از زمان خمیرسازی 5 دقیقه است. اگرچه روند کاهش شفافیت برای هر دو زمان خمیرسازی تقریبا مشابه می باشد. از طرف دیگر روند تغییرات میزان شفافیت خمیر جوهرزدائی شده برای خمیر سازی با دمای 65 درجه سانتیگراد کاملا بر عکس دمای 50 درجه سانتیگراد است. به این معنی که در دمای خمیرسازی درجه سانتیگراد با افزایش مصرف NaOH، میزان شفافیت خمیر کاغذافزایش می یابد و بیشترین میزان شفافیت مربوط است به دمای خمیرسازی65 درجه سانتیگراد و زمان خمیرسازی 10 دقیقه است. در مقایسه بین دو زمان خمیرسازی 5 و10 دقیقه همانطوریکه در نمودار نشان داده شده است، میزان شفافیت خمیر کاغذ در زمان خمیرسازی 10 دقیقه بیشتر از زمان خمیرسازی 5 دقیقه می باشد. نتایج حاصل ازآزمایش ها حاکی از آن است که دو عامل درجه حرارت و زمان خمیرسازی، تاثیر مستقیمی بر روی میزان شفافیت خمیر کاغذ جوهرزدائی شده از کاغذهای باطله شیمیایی دارند. بعبارت دیگر با افزایش درجه حرارت یا زمان خمیرسازی و یا هر دو، میزان شفافیت خمیر کاغذ جوهرزدائی شده افزایش می یابد. در این میان تاثیر درجه حرارت خمیرسازی به مراتب بیشتر از زمان خمیرسازی است و چنانچه درجه حرارت و زمان خمیرسازی هر دو افزایش یابند، بیشترین افزایش در شفافیت خمیر کاغذ جوهرزدائی شده حاصل می گردد.

نمودار1- تاثیر متغیرهای خمیرسازی بر شفافیت خمیر جوهرزذایی شده

 نتیجه گیری:
     5-3- نتیجه گیری
   ـ هدف عمده درمطالعه انجام شده مبتنی بر بررسی صنعت بازیافت مواد و ارتباط آن با صنعت فرآوری مواد معدنی بوده است.
   - جوهرزدائی از کاغذ از لحاظ اقتصادی و زیست محیطی طبق آمار ارائه شده ، برای کشور اهمیت زیادی دارد و لذا توجه به این صنعت توسط متخصصین رشته های فرآوری، متالورژی و مهندسی محیط زیست ضروری است
   - امروزه با توسعه صنعت فرآوری مواد معدنی در داخل کشور، برخی از ماشین آلات این صنعت( که مربوط به صنعت بازیافت مواد هم می باشند)، قابل ساخت و عرضه است.
   - به منظورجوهرزدائی از کاغذ از روشهای فلوتاسیون و شستشو، روشهای سلولزی و آنزیمها استفاده می شود و البته روش فلوتاسیون بیشترین کاربرد را دارد.
   - در بررسی ها مشخص شد که عوامل و پارامترهای موثر در کاربرد فلوتاسیون برای جوهرزدائی عبارتند از: pH، درجه حرارت، زمان خمیر سازی، نوع و میزان مواد شیمیایی مصرفی.
   - با توجه به نتایج حاصل از آزمایش ها ل مختلف، شرایط بهینه پارامترها بصورت زیر بدست آمد:
   زمان خمیر سازی: 10 دقیقه
   pH خمیر سازی:11
   درجه حرارت خمیر سازی:c650
   pH شناور سازی:5/10.
  

6- منابع :
  
   1- kaya, Muammer, Alp, Halil, 1994,"Waste paper Dinking by froth flotation", Osmangazi University, Mining Engineering Department, Eskishir, Turkey, www.ipst.gatech.edu/tech_transfer/ pdfs/030129_Fact_Flot_Deink.pdf
   2- Iran, “Wood and Paper Industry”, 2003, autumn, No. 8.
   3- Kemper, Martin, 1998,"New technologies in flotation deinking", International Journal of Mineral Processing, Volume 56, Issues 1-4, April 1999, Pages 317-333 Germany.
   4- Dobias, klar, B.W., Schwinger, k, 1991,"Flotation of pigments inks from wastes paper", Nato Asi, Innovation in Advanced Flotation Technology, www.fpl.fs.fed.us/documnts/pdf1998/mccut98a.pdf.
   5-Berndt, W.1982," Die chemikalien der deinking-processes wochenbatt far peppier fabrication", Vol. 15, pp. 539-541. www.springerlink.com/index/UEFC8PN724FP20TH.pdf