JP4841625B2 - 製紙における有機堆積物の監視方法 - Google Patents
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Description
本発明の分野
本発明は、製紙分野に関する。特に、本発明は、製紙プロセスにおいて有機堆積物の形成を監視する分野に関する。
本発明は、製紙分野に関する。特に、本発明は、製紙プロセスにおいて有機堆積物の形成を監視する分野に関する。
本発明の背景
有機樹脂物質（木材抽出物及び関連する一次原料中の天然材料、粘着剤、及び再生材料中の同様の人工成分）の堆積物の形成は、製紙における一般的な問題である。紙の等級に関して言えば、これらの抽出物は、木材又は再生紙製品の加工中に遊離すると、製紙完成紙料の望ましくない成分となり、全てのミル装置の面倒な堆積物になり得る。
有機樹脂物質（木材抽出物及び関連する一次原料中の天然材料、粘着剤、及び再生材料中の同様の人工成分）の堆積物の形成は、製紙における一般的な問題である。紙の等級に関して言えば、これらの抽出物は、木材又は再生紙製品の加工中に遊離すると、製紙完成紙料の望ましくない成分となり、全てのミル装置の面倒な堆積物になり得る。
有機堆積物の性質は、プロセスからプロセスへ、また、ミリングからミリングで異なる。ほとんどの場合、有機堆積物は、有機不溶塩、不ケン化有機物、木質線維及び／又は難溶性ポリマ紙添加剤の混合物である。従って、これらの多くの生じ得る潜在的原因のために、製造プロセス中のこれらの堆積は、極めて複雑な問題である。
有機堆積物を監視し、及び堆積物制御プログラムの作用を予測する方法はこの業界にとって大きな価値がある。現在、市場にはこのような方法は存在しない。
本発明の概要
本発明は、製紙プロセスにおける液体又はスラリからの有機堆積物の堆積を監視する方法を提供するものであり、この方法は、液体又はスラリと接触する上面と、液体又はスラリから離隔した第２の底面を有する水晶振動子マイクロバランス上への液体又はスラリからの有機堆積物の堆積速度を測定するステップを具える。
本発明は、製紙プロセスにおける液体又はスラリからの有機堆積物の堆積を監視する方法を提供するものであり、この方法は、液体又はスラリと接触する上面と、液体又はスラリから離隔した第２の底面を有する水晶振動子マイクロバランス上への液体又はスラリからの有機堆積物の堆積速度を測定するステップを具える。
また、本発明は、製紙プロセスにおける有機堆積物の堆積を減少させる阻害剤の効果を測定する方法を提供するものであり、この方法は、液体又はスラリと接触する上面と、液体又はスラリから離隔した第２の底面を有する水晶振動子マイクロバランス上への液体又はスラリからの有機堆積物の堆積速度を測定するステップを具える製紙プロセスにおいて液体又はスラリからの有機堆積物の堆積を監視するステップと；液体又はスラリへの有機堆積物の堆積を減少させる阻害剤を添加するステップと；水晶振動子マイクロバランス上への液体又はスラリからの有機堆積物の堆積速度を再測定するステップと；を具える。
また、本発明は製紙プロセスにおける有機堆積物の堆積を減少させる阻害剤の効果の測定方法を提供するものであり、この方法は：液体又はスラリと接触する上面と、液体又はスラリから離隔した第２の底面を有する水晶振動子マイクロバランス上への液体又はスラリからの有機堆積物の堆積速度を測定するステップを具える製紙プロセス中に見られる液体又はスラリをシミュレートした液体又はスラリからの有機堆積物の堆積を測定するステップと；液体又はスラリへの有機堆積物の堆積を減少させる阻害剤を添加するステップと；水晶振動子マイクロバランス上への液体又はスラリからの有機堆積物の堆積速度を再測定するステップと；を具える。
本発明の詳細な説明
「ＱＣＭ」は、水晶振動子マイクロバランスを意味する。
「ＩＤＭ」は、独立した堆積モニタを意味する。この機器は、イリノイ州ナパービル所在のＮａｌｃｏ Ｃｏｍｐａｎｙ社から入手可能である。この機器は、実際の堆積を記録する携帯型機器であり、アプリケーションの見地からは、感度の高さと堆積を継続的に追跡し、堆積物の性質を評価する高い能力によって、従来のクーポンとは異なる携帯型機器である。分から時間までのインターバルでデータが連続的に集められて、ＩＤＭからパーソナルコンピュータにダウンロードされる。一般的に、全ての配管は、圧縮金具付のステンレススチール管を用いて行われる。これには、このシステムのサンプル入口と出口が含まれる。一般的に、連続操作中（後流配置を通ってプロセスラインに接続したプローブ）の流量は１分当たり２乃至４ガロンである。また、この機器は、バッチシステムからのデータ収集が可能であり、この機器プローブを、機械的撹拌子又は磁気撹拌子を用いて撹拌されている試験液体内に浸漬すれる。
監視システムは、機器のプローブの主要部分であるＱＣＭに基づいている。ＱＣＭの基本的な物理的原理及び用語は、Ｍａｒｔｉｎ ｅｔ ａｌ．，Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｌｉｑｕｉｄ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｗｉｔｈ ｓｍｏｏｔｈ−ａｎｄ ｔｅｘｔｕｒｅｄ−ｓｕｒｆａｃｅ ｒｅｓｏｎａｔｏｒｓ，Ｐｒｏｃ．ＩＥＥＥ Ｉｎｔ．Ｆｒｅｑ．Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｍｐ．，ｖ．４７，ｐ．６０３−６０８（１９９３）；Ｍａｒｔｉｎ ｅｔ ａｌ．，Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ／Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｔｏ ｌｉｑｕｉｄ ｌｏａｄｉｎｇ，Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．，ｖ．６９（１１），２０５０−２０５４（１９９７）；Ｓｃｈｎｅｉｄｅｒ ｅｔ．ａｌ．，Ｑｕａｒｔｚ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｍｉｃｒｏｂａｌａｎｃｅ（ＱＣＭ）ａｒｒａｙｓ ｆｏｒ ｓｏｌｕｔｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ，Ｓａｎｄｉａ Ｒｅｐｏｒｔ ＳＡＮＤ９７−００２９，ｐ．１−２１（１９９７）に見られる。ＱＣＭでは、２つの導電性面間に平坦な水晶振動子が狭装されている。一方の面（上面）は、試験媒体と連続的に接触しており、一方、他方の面（底面）は、試験液体又はスラリから分離されている。電位を与えると、ＱＣＭが振動する（圧電効果）。機器プローブ、発振周波数、及び減衰電圧によって測定されたパラメータは、ＱＣＭの上面（媒体に向かって開いている）上の堆積物の量及び物理的特性と関連がある。振動周波数は、一般的に、ＱＣＭの金属面上の堆積物の質量に直線的に比例する。従って、この周波数の測定は、リアルタイムでの堆積物を測定する手段を提供する。また、この機器は減衰電圧を測定する。このパラメータは堆積物の粘弾性特性に依存しており、従って、その性質を示す。減衰電圧は、固体堆積物（無機スケール）の場合は変化しない。減衰電圧は、有機堆積物の場合、堆積の初期段階において増加する。また、発振周波数及び減衰電圧は双方共、温度や粘性等の水相の特性の影響を受ける。従って、各実験を通して、均一な条件が維持されるべきである。
一の実施例では、製紙プロセスは：パルプミル；抄紙機；ティッシュ製造機；リパルパ；ウォータループ；ウェットエンドストック調成；及び脱インキ；のステージからなる群より選択されたロケーションで行われる。
別の実施例では、有機堆積物は：木材；抽出物；再堆積リグニン；消泡剤；界面活性剤；及び粘着剤；から成る群より選択される。
別の実施例では、粘着物質は：サイジング剤；及び接着剤；からなる群より選択される。
別の実施例では、連続的に流れるスラリはパルプスラリである。
別の実施例では、前記有機堆積物がシリコーン界面活性剤であり、前記製紙プロセスは、ティッシュ再パルプ化プロセスである。
別の実施例では、水晶振動子マイクロバランスの上面は：白金；チタン；銀；金；鉛；カドミウム；イオン注入した又はイオン注入していないダイヤモンドライク薄膜フィルム電極；チタン、ニオブ、及びタンタルのケイ酸塩；鉛−セレン合金；水銀アマルガム；及びシリコン；から成る群より選択された一又はそれ以上の導電性材料でできている。
別の実施例では、水晶振動子マイクロバランスの表面が：ポリマフィルム；単分子層；多分子層；界面活性剤；高分子電解質；チオール；シリカ；芳香族吸着質；自己集合単分子層；及び分子固体；から成る群より選択された一又はそれ以上の導電性又は非導電性材料で被覆されている。
次の例は、本明細書に添付した特許請求の範囲で特に明記しない限り、本発明を限定することを意味しない。
実験
例１：
ＩＤＭ機器を濾過ラインに直接接続して（後流接続）、溶液が確実に連続して流れるようにした。堆積を直接記録した。このデータを図１及び図２に示す。後酸素褐色材料洗浄器ラインにおける「軽い」有機堆積物の形成をＩＤＭを用いてオン−ラインで監視した。減衰電圧の特徴的な変化を伴う一様な塊の蓄積を観察した（初期に増加した後、平坦化した）。いくつかの実験では、Ｎａｌｃｏ社製化学物質ＰＰ１０−３０９５を添加して、堆積を取り除き、次いで、堆積を完全に抑制する（１００乃至５０ｐｐｍ）か、堆積が遅くなるようにした（２５ｐｐｍ）。
例１：
ＩＤＭ機器を濾過ラインに直接接続して（後流接続）、溶液が確実に連続して流れるようにした。堆積を直接記録した。このデータを図１及び図２に示す。後酸素褐色材料洗浄器ラインにおける「軽い」有機堆積物の形成をＩＤＭを用いてオン−ラインで監視した。減衰電圧の特徴的な変化を伴う一様な塊の蓄積を観察した（初期に増加した後、平坦化した）。いくつかの実験では、Ｎａｌｃｏ社製化学物質ＰＰ１０−３０９５を添加して、堆積を取り除き、次いで、堆積を完全に抑制する（１００乃至５０ｐｐｍ）か、堆積が遅くなるようにした（２５ｐｐｍ）。
例２：
ＩＤＭ機器を抄紙機の白水ライン（０．３乃至０．５％パルプ微粒子）に直接接続した（後流配置）。木製樹脂及び接着微粒子の堆積を直接記録した。このデータを図３に示す。Ｎａｌｃｏ社製化学物質ＰＰ１０−３０９５を１００ｐｐｍを用いると堆積が停止した（この化学物質は、ＱＣＭの表面から物質を除去しなかった点に注意）。
ＩＤＭ機器を抄紙機の白水ライン（０．３乃至０．５％パルプ微粒子）に直接接続した（後流配置）。木製樹脂及び接着微粒子の堆積を直接記録した。このデータを図３に示す。Ｎａｌｃｏ社製化学物質ＰＰ１０−３０９５を１００ｐｐｍを用いると堆積が停止した（この化学物質は、ＱＣＭの表面から物質を除去しなかった点に注意）。
例３：
ＩＤＭ機器を抄紙機の白水ライン（０．３乃至０．５％パルプ微粒子）に直接接続した（後流配置）。樹脂及び接着微粒子の堆積を記録した。このデータを図４及び図５に示す。Ｎａｌｃｏ社製化学物質ＰＰ１０−３０９５を５０ｐｐｍ乃至１００ｐｐｍを用いると堆積が停止した（この化学物質は、ＱＣＭの表面からピッチを除去しなかった点に注意）。
ＩＤＭ機器を抄紙機の白水ライン（０．３乃至０．５％パルプ微粒子）に直接接続した（後流配置）。樹脂及び接着微粒子の堆積を記録した。このデータを図４及び図５に示す。Ｎａｌｃｏ社製化学物質ＰＰ１０−３０９５を５０ｐｐｍ乃至１００ｐｐｍを用いると堆積が停止した（この化学物質は、ＱＣＭの表面からピッチを除去しなかった点に注意）。
例４：
化粧紙再パルプ化プロセスからのシリコーンオイル界面活性剤（３％パルプ、ビーカ、４００ｒｐｍ、室温）。この卓上アプリケーションでは、この系中の堆積制御剤の存在に応じた割合で、有機堆積物のリニアな蓄積が観察された。
化粧紙再パルプ化プロセスからのシリコーンオイル界面活性剤（３％パルプ、ビーカ、４００ｒｐｍ、室温）。この卓上アプリケーションでは、この系中の堆積制御剤の存在に応じた割合で、有機堆積物のリニアな蓄積が観察された。
例５：
粘着性の監視
ヘッドボックス完成紙料の試料（１００％リサイクルされたＯＣＣボックス）を６０℃で再パルプ化した。このスラリを磁気撹拌子付の１Ｌビーカ内に移した。ＩＤＭプローブをスタンドに垂直に取り付けた。このデータを図６乃至８に示す。このスラリを、室温で定速４００ｒｐｍで撹拌して冷却した。別の実験で、ＩＤＭ機器について得た温度−周波数線形相関式を用いて、このデータを２０℃に修正する。塊の蓄積と減衰電圧の曲線は、この溶液が温かい間に顕著な割合で堆積し、後に堆積速度が遅くなる有機物質に明らかに関連している。
粘着性の監視
ヘッドボックス完成紙料の試料（１００％リサイクルされたＯＣＣボックス）を６０℃で再パルプ化した。このスラリを磁気撹拌子付の１Ｌビーカ内に移した。ＩＤＭプローブをスタンドに垂直に取り付けた。このデータを図６乃至８に示す。このスラリを、室温で定速４００ｒｐｍで撹拌して冷却した。別の実験で、ＩＤＭ機器について得た温度−周波数線形相関式を用いて、このデータを２０℃に修正する。塊の蓄積と減衰電圧の曲線は、この溶液が温かい間に顕著な割合で堆積し、後に堆積速度が遅くなる有機物質に明らかに関連している。
例６：
有機／無機混合堆積物
これは、監視と診断の双方のツールとしての技術を用いた例である。製紙ミルにおいては、硫酸バリウム／シュウ酸カルシウム混合スケールが堆積すると考えられるろ液吐き出し管（ｐＨ３．５乃至３．８、６０乃至６６℃）内に連続してＩＤＭを設置した。両方の場合において、この機器は、減衰電圧が顕著に変化しているため、完全に無機スケールの原因になり得ない堆積を記録した（図９乃至１０参照）。また、実際に、堆積物の顕微鏡写真は、主として有機成分（恐らく、堆積した線維と、粘性有機物）を含有するスケールが混合されていることを示した。
有機／無機混合堆積物
これは、監視と診断の双方のツールとしての技術を用いた例である。製紙ミルにおいては、硫酸バリウム／シュウ酸カルシウム混合スケールが堆積すると考えられるろ液吐き出し管（ｐＨ３．５乃至３．８、６０乃至６６℃）内に連続してＩＤＭを設置した。両方の場合において、この機器は、減衰電圧が顕著に変化しているため、完全に無機スケールの原因になり得ない堆積を記録した（図９乃至１０参照）。また、実際に、堆積物の顕微鏡写真は、主として有機成分（恐らく、堆積した線維と、粘性有機物）を含有するスケールが混合されていることを示した。
例７：
高分子有機酸の混合アルミニウム−カルシウム塩（スケール阻害剤過剰投与、堆積制御プログラムアプリケーションでの診断）
ＩＤＭ機器を損紙リパルパの白水ライン（０．３乃至０．５％パルプ微粒子）に直接接続した（後流配置）。初期においては、堆積物は無機物であった。この溶液は、非常に高濃度の金属イオン、特にアルミニウムとカルシウムイオンを含有していた。その性質が高分子有機酸である過剰のスケール制御剤を蠕動ポンプを介してＩＤＭライン内に投与することによって、堆積物が急激に増加した（図１１乃至１２参照）。この機器によると、スケール阻害剤過剰投与によって形成された高分子有機酸である混合アルミニウム−カルシウム塩有機物質でしかあり得ない有機物質によって、この現象が直ちに生じた。
高分子有機酸の混合アルミニウム−カルシウム塩（スケール阻害剤過剰投与、堆積制御プログラムアプリケーションでの診断）
ＩＤＭ機器を損紙リパルパの白水ライン（０．３乃至０．５％パルプ微粒子）に直接接続した（後流配置）。初期においては、堆積物は無機物であった。この溶液は、非常に高濃度の金属イオン、特にアルミニウムとカルシウムイオンを含有していた。その性質が高分子有機酸である過剰のスケール制御剤を蠕動ポンプを介してＩＤＭライン内に投与することによって、堆積物が急激に増加した（図１１乃至１２参照）。この機器によると、スケール阻害剤過剰投与によって形成された高分子有機酸である混合アルミニウム−カルシウム塩有機物質でしかあり得ない有機物質によって、この現象が直ちに生じた。
Claims (12)
- 製紙プロセスにおける液体又はスラリからの有機堆積物の堆積を監視する方法において、当該方法が、前記液体又はスラリと接触する上面と、前記液体又はスラリから離隔した第２の底面とを有する水晶振動子マイクロバランス上への前記液体又はスラリからの有機堆積物の堆積速度を測定するステップを具えることを特徴とする方法。
- 請求項１に記載の方法において、前記水晶振動子マイクロバランスの上面が：白金；チタン；銀；金；鉛；カドミウム；イオン注入した又はイオン注入していないダイヤモンドライク薄膜フィルム電極；チタン、ニオブ、及びタンタルのケイ酸塩；鉛−セレン合金；水銀アマルガム；及びシリコン；から成る群より選択された一又はそれ以上の導電性材料でできていることを特徴とする方法。
- 請求項１に記載の方法において、前記製紙プロセスが：パルプミル；抄紙機；ティッシュ製造機；リパルパ；ウォータループ；ウェットエンドストック調成；及び脱インキ；のステージからなる群より選択されたロケーションで行われることを特徴とする方法。
- 請求項１に記載の方法において、前記有機堆積物が：木材；抽出物；再堆積リグニン；消泡剤；界面活性剤；及び粘着剤；から成る群より選択されることを特徴とする方法。
- 請求項４に記載の方法において、前記粘着剤が：サイジング剤；及び接着剤；からなる群より選択されることを特徴とする方法。
- 請求項１に記載の方法において、前記スラリがパルプスラリであることを特徴とする方法。
- 製紙プロセスにおける有機堆積物の堆積を減少させる阻害剤の効果を測定する方法において：
ａ．液体又はスラリと接触する上面と、前記液体又はスラリから離隔した第２の底面とを有する水晶振動子マイクロバランス上への前記液体又はスラリからの有機堆積物の堆積速度を測定するステップを具える製紙プロセスにおける前記液体又はスラリからの有機堆積物の堆積を監視するステップと；
ｂ．前記液体又はスラリに対する有機堆積物の堆積を減少させる阻害剤を添加するステップと；
ｃ．前記水晶振動子マイクロバランス上への前記液体又はスラリからの有機堆積物の前記堆積速度を再測定するステップと；
を具えることを特徴とする方法。 - 請求項７に記載の方法において、前記製紙プロセスが：パルプミル；抄紙機；ティッシュ製造機；リパルパ；ウォータループ；ウェットエンドストック調成；及び脱インキ；のステージからなる群より選択されたロケーションで行われることを特徴とする方法。
- 製紙プロセスにおける有機堆積物の堆積を減少させる阻害剤の効果を測定する方法において：
ａ．液体又はスラリと接触する上面と、第２の底面とを有する水晶振動子マイクロバランス上への前記液体又はスラリからの有機堆積物の堆積速度を測定するステップを具える製紙プロセスの前記液体又はスラリからの有機堆積物の堆積を監視するステップと；
ｂ．前記液体又はスラリに対する有機堆積物の堆積を減少させる阻害剤を添加するステップと；
ｃ．水晶振動子マイクロバランス上への前記液体又はスラリからの有機堆積物の前記堆積速度を再測定するステップと；
を具えることを特徴とする方法。 - 請求項４に記載の方法において、前記界面活性剤がシリコーン界面活性剤であることを特徴とする方法。
- 請求項１に記載の方法において、前記有機堆積物がシリコーン界面活性剤であり、前記製紙プロセスがティッシュ再パルプ化プロセスであることを特徴とする方法。
- 請求項１に記載の方法において、前記水晶振動子マイクロバランスの表面が：ポリマフィルム；単分子層；多分子層；界面活性剤；高分子電解質；チオール；シリカ；芳香族吸着質；自己集合単分子層；及び分子固体；から成る群より選択された一又はそれ以上の導電性又は非導電性材料で被覆されることを特徴とする方法。
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