تاثیر سامانه های دلمه سازی دو جزئی و سه جزئی مبتنی بر نانوزئولیت بر ویژگی های کاغذ و خمیرکاغذ بازیافتی از OCC

نوع مقاله : مقاله کامل علمی پژوهشی

نویسندگان

1 کارشناسی‌ارشد مهندسی پالایش زیستی، دانشگاه شهید بهشتی، تهران، ایران.

2 دانشیار، گروه مهندسی پالایش زیستی، دانشگاه شهید بهشتی، تهران، ایران

3 دانشیار ، گروه مهندسی پالایش زیستی، دانشگاه شهید بهشتی، تهران، ایران.

چکیده

سابقه و هدف: بکارگیری موثر سامانه‌های شیمیایی کمکی ماندگاری-آبگیری در فرایندهای کاغذسازی حاوی نرمه فراوان؛ از جنبه‌های مختلف فراورده‌ای، اقتصادی، فرایندی و زیست محیطی، اجتناب‌ناپذیر است و سامانه‌های مرکب متعددی مطرح شده‌اند. استفاده از ذرات نانو در پایانه ترِ کاغذسازی و برهمکنش این ذرات با پلی‌الکترولیت‌های کاتیونی در قالب سامانه‌های چندجزئی دلمه‌سازی به‌منظور بهبود کیفیت کاغذ و ویژگی‌های فرایندی تولید آن، بطور گسترده‌ای در سال‌های اخیر مورد توجه بوده‌است. نشاسته کاتیونی و پلی اکریلامید کاتیونی از پرکاربردترین پلی الکترولیت‌های مصرفی صنایع کاغذسازی است. زئولیت‌ها که مواد معدنی بومی، فراوان، ارزان و پایداری در pHهای مختلف آب هستند، کاربردهای گسترده و روزافزونی در مصارف مختلف یافته‌اند. به‌عنوان پرکننده در کاغذسازی نیز نقش‌های مفیدی برای آن گزارش شده‌است. این ماده به‌دلیل سطح ویژه و بار آنیونی زیاد از استعداد کاربرد به‌عنوان نانوذره آنیونی در سامانه‌های مرکب پایانه ترِ کاغذسازی نیز برخوردارست.
مواد و روش‌ها: خمیرکاغذ بازیافتی از کارتن‌های کهنه قهوه‌ای (OCC) از کارخانجات داخلی و بدون هرگونه افزودنی و با درجه روانی 315 میلی‌لیتر تهیه‌شد. نانوزئولیت با میانگین اندازه ذرات 38 نانومتر از شرکت پیشگامان محیط زیست پاک، نشاسته کاتیونی با درجه استخلاف 03/0 از شرکت بوباخ‌ساز و پلی اکریلآمید کاتیونی با گرانروی 5500 سانتی پوآز از انبار مصرفی شرکت چوب و کاغذ مازندران تهیه‌شد. سامانه‌های افزودنی دو جرئی شامل به‌ترتیب افزودن نشاسته کاتیونی/نانوزئولیت و سه جزئی شامل به‌ترتیب افزودن نشاسته کاتیونی/پلی اکریلامید کاتیونی/نانوزئولیت با مقادیر کاربرد نشاسته کاتیونی در سطح %1، پلی اکریلامید کاتیونی در سطوح %2/0 و صفر و نیز نانوذرات زئولیت در سطوح صفر، 3/0، 2/0، 1/0 درصد؛ همگی برمبنای جرم خشک خمیرکاغذ، در مقایسه با یکدیگر و تیمار شاهد بررسی شد. ویژگی‌های خمیرکاغذ شامل‌ ماندگاری کل، زمان آبگیری حین ساخت کاغذ آزمایشگاهی، حجم آبگیری در آنالیزگر DDJ و نیز ویژگی‌های کاغذ بازیافتی دست‌ساز آزمایشگاهی مشتمل بر ضخامت و شاخص‌های مقاومت کششی، ترکیدن و پارگی برابر استاندادهای TAPPI مورد پژوهش قرارگرفت.
یافته‌ها: نانوزئولیت به‌عنوان بخشی از سامانه سه جزئی منجر به تغییر معنی‌دار زمان آبگیری (تا %16-)، حجم آبگیری (تا %5/8+) و ماندگاری کل (تا %15+) در خمیرکاغذ بازیافتی OCC در مقایسه با تیمار شاهد گردید. در سامانه دو جزئی نیز نسبت به تیمار شاهد، تغییرات معنی‌دار زمان آبگیری (تا %11-)، حجم آبگیری (تا %7+) و ماندگاری کل (تا %12+) مشاهده‌شد. همچنین ضخامت (تا %18+)، شاخص کشش (تا %55+)، شاخص ترکیدن (تا %101+) و شاخص پارگی (تا %20+) کاغذ تولیدشده از سامانه سه جزئی نسبت به تیمار شاهد تغییرات معنی‌داری داشت. سامانه دو جزئی نیز نسبت به تیمار شاهد واجد تغییرات معنی‌داری در ضخامت کاغذ (تا %8+)، شاخص کشش (تا %17+)، شاخص ترکیدن (تا %37+) و شاخص پارگی (تا %6+) بوده‌است. تغییرات معنی‌داری با افزایش سطح کاربرد نانوزئولیت در هر یک از سامانه‌های دو و سه جزئی مشاهده‌شد. با این حال سطح متوسط مطالعه‌شده آن (%2/0) در مجموع از برتری برخوردار بوده-است.
نتیجه‌گیری: نانوزئولیت بواسطه سطح ویژه بسیارزیاد، متخلخل و آنیونی، عمدتا بهبود معنی‌داری را در عملکرد هر یک از پلیمرهای کاتیونی نشاسته و پلی اکریلامید در خمیرکاغذ و کاغذ تولیدی از بازیافت کارتن‌های کنگره‌ای کهنه نشان‌داد. بهبود دلمه‌سازی ظریف اجزای دوغاب منجر به ارتقای ماندگاری و آبگیری از خمیرکاغذ و نیز ویژگی‌های ساختاری و مقاومتی کاغذ گردید. شدت تاثیرگذاری آن در حضور دو پلیمر CPAM و نشاسته کاتیونی بیش از تلفیق دو تایی آن با نشاسته کاتیونی بوده تا جائیکه سامانه سه جزئی در مقایسه با سامانه دو جزئی از برتری معنی‌داری در تمامی ویژگی‌های خمیرکاغذ و کاغذ برخوردار بوده‌است. علاوه بر نتایج مثبت مشاهده‌شده در این پژوهش، دسترسی بومی و ارزان، گستره وسیع pH عملکردی نانوزئولیت و نقش آن در جذب آلاینده‌ها، کاربرد آن در واحدهای بازیافت OCC را می‌تواند پیشنهادنماید.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Effect of Binary and Ternary Nano‑Zeolite‑Based Flocculation Systems on the Properties of OCC Recycled Pulp and Paper

نویسندگان [English]

  • Saeide Zare Bidoki 1
  • Hossein Jalali Torshizi 2
  • Hamidreza Rudi 3
1 M.Sc. in Biorefinery Engineering, Shahid Beheshti University, Tehran, Iran
2 Associate Prof., Dept. of Biorefinery Engineering, Shahid Beheshti University, Tehran, Iran.
3 Associate Prof., Dept. of Biorefinery Engineering, Shahid Beheshti University, Tehran, Iran.
چکیده [English]

Background and Objective: The effective use of chemical as retention-drainage aiding systems in papermaking processes containing large amounts of fiber fines is inevitable from various product, economic, process and environmental aspects, and numerous complex systems have been proposed in these purposes. The use of nanoparticles in papermaking wet end and the interaction of these particles with cationic polyelectrolytes in the form of multi-component flocculation systems has received widespread attention in recent years in order to improve paper quality and its process characteristics. Cationic starch (CS) and cationic polyacrylamide (CPAM) are among the most widely used polyelectrolytes consumed in the papermaking industry. Zeolites, which are native, abundant, inexpensive and stable minerals at different pH of water, have found widespread and increasing applications in various applications. Benefits have also been reported for them as fillers in papermaking. Zeolites have the potential to be used as an anionic nanoparticle in complex flocculation systems of papermaking wet-end due to its specific surface area and high anionic charge.
Materials and Methods: OCC recycled pulp (CSF~315 ml) was prepared from a local mill without any additives. Nano Zeolite (NZ) with an average particle size of 38 nm (Pishgaman Mohit Zist Pak Co.), cationic starch with a degree of substitution (D.S) of 0.03 (Boyakhsaz Co.), and cationic polyacrylamide with a viscosity of 5500 cP (inventory of MWPI) were also prepared. Two-components flocculation addition sequence including CS and NZ, respectively; and three-components flocculation addition sequence including CS, CPAM and NZ, respectively were compared with each other and with the control sample. Addition strategies used at different levels were: CS at 1%, CPAM at 0.2% and 0%, and zeolite nanoparticles at 0, 0.1, 0.2, and 0.3%; all based on the pulp O.D. Pulp properties including total retention, drainage time during laboratory hand-sheet making, and drained volume of water in DDJ analyzer, as well as the laboratory recycled paper properties including thickness and tensile, burst, and tear strength indices were investigated according to TAPPI standards.
Results: Nano zeolite as part of the ternary system resulted in significant changes in the drainage time (up to -16%), drained volume of water (up to +8.5%), and total retention (up to +15%) of OCC recycled pulp compared to the control treatment. In the binary system, significant changes were also observed in the drainage time (up to -11%), drained volume of water (up to +7%), and total retention (up to +12%). Also, the thickness (up to +18%), tensile index (up to +55%), burst index (up to +101%), and tear index (up to +20%) of the paper produced from the ternary system were revealed compared to the control treatment. The binary system also had significant changes in the paper thickness (up to +8%), tensile index (up to +17%), burst index (up to +37%), and tear index (up to +6%) compared to the control treatment. Significant changes were observed with increasing addition levels of NZ in each of the binary and ternary complex systems. However, the addition level of NZ 0.2% was superior overall.
Conclusion: Due to its porosity, anionic and very high specific surface area, Nano Zeolite mainly showed statistically significant improvement in the performance of cationic starch and polyacrylamide polymers in OCC recycled pulp and paper. The improvement of micro flocculation of the pulp ingredients led to improved pulp retention and drainage and also the structural and strength properties of the paper. Its effectiveness in the presence of two polymers, CPAM and CS, was greater than its binary combination with cationic starch, where the three-component system had significant superiority in all pulp and paper properties compared to the two-component system.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Nano Zeolite
  • Cationic Starch
  • CPAM
  • Flocculation Systems
  • Recycled Pulp and Paper
1.Askarabadi, S. A., Talaeipour, M., Jalali Torshizi, H., & Hemmasi, A. (2025). Enhanced retention, drainage, and strength of old corrugated container pulp using poly (aluminum chloride), nanofibrillated cellulose, and hydrophobic colloidal silica particles. BioResources. 20(4), 8993-9007.
2.Pourkarim Dodangeh, H., Jalali Torshizi, H., & Rudi, H. (2025). Effect of p-DADMAC-nano cellulose complex on properties of pulp and paper recycled from Old corrugated containers (OCC). Iranian Journal of Wood and Paper Science Research. 40(4), 379-394.
3.Jalali Torshizi, H., Zare Bidok, S., Ramezani, O., & Rudi, H. (2014). Effect of cationic poly acrylamide - nano bentonite system on retention, drainage and properties of recycled paper from OCC. Iranian Journal of Wood and Paper Science Research. 29(3), 474-483.
4.Jalali Torshizi, H., Zare Bidok, S., Ramezani, O., & Rudi, H. (2015). Effect of nano silica and cationic polyacrylamide on retention, drainage and strength properties of recycled paper
from OCC
. Forest and Wood Products. 68(4), 771-784.
5.Gullichsen, J., & Paulapuro, H. (1999). Papermaking Chemistry, Papermaking science and technology 19 series. 229p.
6.Jalali Torshizi, H., Jahan-Latibari, A., Mirshokraei, S. A., & Faezipour M. (2009). Investigation on the performance of cationic starch and CMC addition on strength properties of fluting paper produced from OCC. Pajouhesh & Sazandegi. 81, 69-76.
7.Pourkarim Dodangeh, H., Jalali Torshizi, H., Rudi, H., & Ramezani, O. (2016). Performance of nano fibrillated cellulose (NFC) and chitosan bio-polymeric system on recycled pulp and paper properties of old corrugated containers (OCC). Iranian Journal of Wood and Paper Industries. 7(2), 297-309.
8.González-Pérez, M. M., Manríquez-González, R., Robledo-Ortíz, J. R., Silva-Guzmán, J. A., de Muniz, G. I. B., & Lomelí-Ramírez, M. G. (2021). Old corrugated container (OCC) cardboard material: an alternative source for obtaining microfibrillated cellulose. Journal of Natural Fibers. 19(14), 9296-9308.
9.Yang, J., Huang, L., Ni, Y., Chen, L., & Miao, Q. (2021). Nano-SiO2 used with cationic polymer to improve the strength of sack paper. BioResources. 16(2), 3348-3359.
10.Baradaran Khaksar, A., Jalali Torshizi, H., Rasooly Garmaroody, E., & Hamzeh, Y. (2017). Effect of raw and cationic starch Iranian oak (Quercus Persica) fruit (Acorn) as a novel biopolymer on properties improvement of dry network and cellulosic fiber suspension. Forest and Wood Products. 70(3), 519-528.
11.Baradaran Khaksaar, A., Jalali Torshizi, H., & Hamzeh, Y. (2023). Valorization and development of acorn starch as sustainable and high-performance papermaking additive for improving bagasse pulp and paper properties. Waste and Biomass Valorization. 14(3), 937-947.
12.Khosravani, A., & Rahmaninia, M. (2013). The potential of nanosilica–cationic starch wet end system for applying higher filler content in fine paper. BioResources. 8(2), 2234-2245.
13.Chiani, E., Jalali Torshizi, H., Ashori, A., Rudi, H., & Nabid, M. (2025). Valorizing recycled paper through chitosan and glyoxal-chitosan treatments: synergistic effects on mechanical and physical properties. Journal of Thermoplastic Composite Materials. 38(3), 1122-1141.
14.Song, Z., Li, G., Guan, F., & Liu, W. (2018). Application of chitin/chitosan and their derivatives in the papermaking industry. Polymers. 10(4), 389.
15.Pourkarim Dodangeh, H., Jalali Torshizi, H., & Rudi, H. (2021). Cationic polyAcrylamide/cellulose nanofibril polyelectrolytes effects on suspension and network properties of packaging recycled fibers. Applied Research in Chemical - Polymer Engineering. 5(1), 3-15.
16.Chiaani, E., Jalali Torshizi, H., Rudi, H., & Nabid, M. (2018). Performance of chitosan and polyamide epichlorohydrin (PAE) on wet strength and water absorption of deinked pulp. Forest and Wood Products. 70(4), 709-717.
17.Mousavi, S. F., Rezayati Charani, P., Moradian, M. H., & asadpour, G. (2021). Improvement of wet and dry layer strengths of paper from chemi-mechanical pulp using polyamide epichlorohydrin and cellulose nanofibers vs imported long fiber Kraft pulp. Iranian Journal of Wood and Paper Industries. 11(4), 627-643.
18.Liang, S. B., Ning, X., Fu, Q. J., Liu, Q., & Yao, C. L. (2020). "The use of a PAE/bentonite binary system to improve the wet strength of paper," BioResourses. 15(4), 8449-8458.
19.Elyasi Bakhtyari, S., & Jalali Torshizi, H. (2017). The effect of concentration of anionic starch solution in paper surface sizing on physical and strength properties of recycled paper. Iranian Journal of Wood and Paper Industries. 7(4), 487-497.
20.Pourkarim Dodangeh, H., & Jalali Torshizi, H. (2018). The effect of cellulose nanofibres on cationic starch efficiency in pulp and paper recycled from packaging waste paper. Iranian Journal of Wood and Paper Industries. 9(2), 187-197.
21.Lindstrom, T., Wagberg, L., & Larsson, T. (2005). On the nature of joint strength in paper: a review of dry and wet strength resins used in paper manufacturing. 13th Fundamental research symposium, Cambridge. 2005, 457-562.
22.Ersoy, B., & Celik, M. S. (2002). Electrokinetic properties of clinoptilolite with mono- and multivalent electrolytes. Microporous and Mesoporous Materials. 55, 305-312.
23.Engin, M., & Atik, C. (2018). The impact of zeolite filler on ageing and mechanical failure of paper. Nordic
Pulp & Paper Research Journal.
33(3), 512-521.
24.Diana, G. S., Mirela, R., Tadeja, M., & Branka, L. (2012). Natural zeolite as filler in base ink jet paper sheet. Nordic Pulp & Paper Research Journal. 27(4), 721-728.
25.Jha, B., & Singh, D. N. (2016). Basics of zeolites. In Fly Ash Zeolites (Pp: 5-31). Springer, Singapore.
26.Safizadeh, A., Jalali Torshizi, H., Rudi H., & Partovinia, A. (2019). Premixing of isolated soy protein retention-aid polymer with precipitated calcium carbonate filler on properties of recycled writing and printing paper. Journal
of Wood & Forest Science and Technology.
26(1), 117-128.
27.Elyasi Bakhtyari, Sh., Jalali Torshizi, H., & Resalati, H. (2016). Alkyl ketene dimer (AKD) sizing of recycled-virgin cardboard with engineered heterogeneous layers under neutral and alkaline condition. Journal of Wood & Forest Science and Technology. 23(1), 1-19.
28.Dehghani Firouzabadi, M. R., & Vaziri, V. (2014). Effect of using of zeolite and calcium carbonate fillers on newsprint paper properties. Journal of Wood & Forest Science and Technology. 21(4), 86-175.
29.Tajik, M., Kiaei, M., & Jalali Torshizi, H. (2015). Apricot wood–a potential source of fibrous raw material for paper industry. Comptes rendus de l’Académie bulgare des Sciences. 68(3), 329-336.