KR101776572B1 - Method for producing anionic nanocellulose flocculant - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a method for producing an anionic nanocellulose coagulant used for wastewater treatment by recycling waste paper such as woodfree paper like copying paper printed by a toner ink. The method for producing an anionic nanocellulose coagulant comprises a dissociation step, a deinking step, an oxidizing step and a homogenization step.

Description

음이온성 나노셀룰로오스 응집제의 제조방법{Method for producing anionic nanocellulose flocculant} TECHNICAL FIELD The present invention relates to an anionic nanocellulose flocculant,

본 발명은 토너잉크로 인쇄된 복사용지와 같은 백상지 등의 폐지를 재활용하여, 폐수처리에 사용되는 음이온성 나노셀룰로오스 응집제의 제조방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a method for producing an anionic nano-cellulose coagulant used for wastewater treatment by recycling waste paper such as a copy paper printed with a toner ink.

산업폐기물과 도시하수의 처리과정에서 배출되는 슬러지(sludge)는 함수율이 높고 유기물이 다량 함유되어 있어, 폐수 처리과정에서 악취 및 해충 발생으로 환경적인 피해가 크다. 최근에는 유기물의 함량이 높은 슬러지를 폐기 처리하기보다는 슬러지에 포함된 유기물을 재이용하려는 시도가 있다.Sludge discharged from industrial wastes and municipal wastewater treatment process is high in water content and contains a large amount of organic matter, which causes great environmental damage due to the generation of odor and pest in wastewater treatment process. In recent years, there has been an attempt to reuse organic substances contained in sludge rather than disposal of sludge having a high content of organic matter.

슬러지를 재이용하기 위해서는 슬러지의 함수율을 일정 수준이하로 낮추는 것이 중요하다. 슬러지의 효율적인 농축 및 탈수방법으로서 응집제(flocculant) 전처리법, 슬러지 세척법, 열처리법 등이 사용되고 있다, 경제성 측면을 고려한다면, 응집제(flocculant) 전처리법이 가장 효율적이라 할 수 있다.In order to reuse the sludge, it is important to lower the water content of the sludge to a certain level. Flocculant pretreatment method, sludge washing method and heat treatment method are used as effective concentration and dewatering methods of sludge. In consideration of economical aspect, flocculant pretreatment method is most effective.

응집제 전처리법은 응집제를 처리함으로써 슬러지 입자 표면을 전기적으로 중화하거나 또는 플럭(floc) 내 존재하는 이온과의 이온교환을 통해 탈수성을 높이는 원리를 이용하는 방법이다. 예컨대, 황화물이나 점토 등이 포함된 폐수처리에서는 양이온계 응집제를 사용하고 있고, 금속수산화물이 포함된 폐수처리에서는 주로 음이온계 응집제를 사용하고 있다.The flocculant pretreatment method utilizes the principle of electrically neutralizing the surface of the sludge particles by treating the flocculant or enhancing the dehydration property through ion exchange with the ions present in the floc. For example, a cationic flocculant is used in wastewater treatment including sulfide or clay, and an anionic coagulant is mainly used in treating wastewater containing metal hydroxide.

응집제는 크게 황산알루미늄(Alum), 황산제2철(Fe2(SO4)3), 염화철(FeCl3), 폴리염화알루미늄(PAC) 등이 포함되는 무기계 응집제와, 고분자 응집제가 포함되는 유기계 응집제로 구분될 수 있다. 고분자 응집제는 무기계 응집제에 대비하여 발생오니량이 상대적으로 적고 탈수성이 개선된다는 장점을 가지고 있다. The flocculant is largely composed of an inorganic coagulant including aluminum sulfate (Al 2 O 3 ), ferric sulfate (Fe 2 (SO 4 ) 3 ), ferric chloride (FeCl 3 ), aluminum polychloride (PAC) . The polymer flocculant has an advantage that the sludge generated in comparison with the inorganic coagulant is relatively small and the dehydration property is improved.

또한, 고분자 응집제는 양이온성, 음이온성, 비이온성으로 구분된다. 양이온성 고분자 응집제는 음전자(제타전위)를 갖는 현탁액의 침강 및 부상분리를 목적으로 사용되며, 구체적으로 수용성 아닐린수지 염산염, 폴리티오요소 염산염, 폴리에틸렌아미노트리아졸, 폴리비닐벤질트리메틸암모늄클로라이드, 키토산, 폴리에틸렌아민, 비닐피리딘공중합물 염 등이 포함될 수 있다. 음이온성 고분자 응집제는 양이온 전하를 갖는 무기현탁액의 침강 및 부상분리를 목적으로 사용되며, 구체적으로 알긴산나트륨, 폴리아크릴산나트륨, 말레인산공중합물염, 폴리아크릴아미드 부분가수분해염 등이 포함될 수 있다. 비이온성 고분자 응집제는 무기성 혼합 현탁액의 침강 및 부상분리를 목적으로 사용되며, 구체적으로 폴리아크릴아미드, 폴리에틸렌옥사이드 등이 포함될 수 있다.Polymer flocculants are classified into cationic, anionic, and nonionic. The cationic polymer flocculant is used for sedimentation and floatation separation of a suspension having a negative electron (zeta potential), and specifically, water-soluble aniline resin hydrochloride, polythiourea hydrochloride, polyethylene aminotriazole, polyvinylbenzyltrimethylammonium chloride, chitosan , Polyethyleneamine, vinylpyridine copolymer salt, and the like. The anionic polymer flocculant is used for sedimentation and floatation separation of an inorganic suspension having a cationic charge, and specifically may include sodium alginate, sodium polyacrylate, maleic acid copolymer salt, and polyacrylamide partially hydrolyzate. The nonionic polymer flocculant is used for sedimentation and floatation separation of an inorganic mixed suspension, and may specifically include polyacrylamide, polyethylene oxide, and the like.

또한, 최근에는 천연 식물기반 응집제가 개발된 바 있다. 예를 들면 너말리 씨앗(Nirmali seeds), 모링가 올레이페라(M. Oleifera), 탄닌(Tannin), 선인장(Cactus) 등의 식물에서 추출한 바이오폴리머를 응집제로 사용한 바가 있다. 또한, Chemical Engineering Journal 231 (2013) 59-67 (비특허문헌 1)에는 셀룰로오스의 C2 및 C3 위치의 수산기를 과요오드산 나트륨염(NaIO4)에 의해 산화하여 알데히드기로 전환한 후에, 알데히드기를 아염소산나트륨(NaClO2)에 의해 산화하여 카르복시산기로 전환하는 2단계 산화공정을 통해 제조된 디카르복시산 나노셀룰로오스를 폐수처리용 응집제로 사용한 바도 있다. Recently, natural plant-based coagulants have also been developed. For example, biopolymers extracted from plants such as Nirmali seeds, M. Oleifera, Tannin, and Cactus have been used as coagulants. In addition, Chemical Engineering Journal 231 (2013) 59-67 ( non-patent document 1) after the oxidation by the hydroxyl groups of the C2 and C3 positions of the cellulose with the periodic acid sodium salt (NaIO 4) converted to an aldehyde group, ah aldehyde group There is a method in which dicarboxylic acid nanocellulose prepared through a two-step oxidation process in which sodium carbonate (NaClO 2 ) is oxidized to a carboxylic acid group is used as a coagulant for wastewater treatment.

하지만, 본 발명에서 제안하는 바와 같이 폐지를 원료로 사용하여 음이온성 나노셀룰로오스 응집제를 제조하는 방법은 어떤 문헌에서도 발표된 바가 없다.
However, as disclosed in the present invention, a method for producing an anionic nano-cellulose flocculant using waste paper as a raw material has not been disclosed in any literature.

Chemical Engineering Journal 231 (2013) 59-67 "Coagulation-flocculation treatment of municipal wastewater based on anionized nanocelluloses"Chemical Engineering Journal 231 (2013) 59-67 "Coagulation-flocculation treatment of municipal wastewater based on anionized nanocelluloses &

본 발명은 폐지를 원료로 사용하여, 폐수처리에 이용되는 음이온성 나노셀룰로오스 응집제를 제조하는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
An object of the present invention is to provide a method for producing an anionic nano-cellulose coagulant used for wastewater treatment by using waste paper as a raw material.

상기한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 폐지를 재활용하여 음이온성 나노셀룰로오스 응집제를 제조하는 방법으로서,In order to solve the above problems, the present invention provides a method for producing an anionic nano-cellulose flocculant by recycling waste paper,

a)폐지를 분해하여 섬유상 슬러리를 얻는 해리단계; a) a dissociation step of decomposing the waste paper to obtain a fibrous slurry;

b)섬유상 슬러리로부터 잉크 또는 필러가 제거된 지료를 얻는 탈묵단계; b) deinking step of obtaining a stock from which the ink or filler has been removed from the fibrous slurry;

c)지료내에 포함된 셀룰로오스를 산화제로 처리하여 산화된 셀룰로오스를 제조하는 산화단계; 및c) an oxidation step of treating the cellulose contained in the stock with an oxidizing agent to produce oxidized cellulose; And

d)산화된 셀룰로오스를 균질화하여 음이온성 나노셀룰로오스 응집제를 제조하는 균질화단계; 를 포함하며,d) homogenizing the oxidized cellulose to produce an anionic nano-cellulose flocculant; / RTI >

상기 c)산화단계는 과요오드산 알칼리금속염(MIO4, 이때 M은 알칼리금속원소이다) 산화제 및 하기 화학식 1로 표시되는 폴리알킬렌옥사이드 공중합체의 산화보조제를 사용하여 수행하는 1차 산화공정과, 아염아염소산나트륨(NaClO2) 산화제를 사용하여 수행하는 2차 산화공정으로 진행되는 것을 그 특징으로 한다.(C) the oxidation step is carried out using a primary oxidation step carried out using an oxidizing agent of an alkali metal iodate (MIO 4 , where M is an alkali metal element) oxidizing agent and a polyalkylene oxide copolymer represented by the following formula , And sodium hypochlorite (NaClO 2 ) oxidizing agent.

[화학식 1][Chemical Formula 1]

[EO]x-[PO]y [EO] x - [PO] y

(상기 화학식 1에서, EO는 에틸렌옥사이드 반복단위이고, PO는 프로필렌옥사이드 반복단위이며, x 및 y는 각 반복단위의 몰수이고 x:y의 몰비는 10 ~ 40 : 60 ~ 90 범위를 이룬다)
(Wherein EO is ethylene oxide repeating unit, PO is propylene oxide repeating unit, x and y are the number of moles of each repeating unit, and the mole ratio of x: y is in the range of 10 to 40: 60 to 90)

본 발명은 폐지로부터 고부가가치의 수처리용 응집제를 제조하므로, 환경 친화성면이나 경제성면에서 바람직한 효과가 있다.The present invention produces a high value-added flocculant for water treatment from waste paper, and therefore has a favorable effect in terms of environmental friendliness and economy.

또한, 본 발명의 제조방법에서는 셀룰로오스 내의 수산기를 카르복시산기로 전환하는 산화단계에서 상기 화학식 1로 표시되는 폴리알킬렌옥사이드 공중합체를 산화보조제로 사용하여, 셀룰로오스 섬유내의 카르복시산기의 함량을 증대시키는 효과를 얻고 있다.Further, in the production method of the present invention, the effect of increasing the content of carboxylic acid groups in the cellulose fibers by using the polyalkylene oxide copolymer represented by the above formula (1) as an oxidizing auxiliary in the oxidation step of converting the hydroxyl groups in the cellulose into carboxylic acid groups .

또한, 본 발명에서 제조된 음이온성 나노셀룰로오스 응집제는 카르복시산기 사이의 정전기적인 반발력으로 인하여 뭉침 현상 없이 폐수 내에서 고른 분산이 가능하므로, 응집제로 적용하기에 유용한 특성을 보유하고 있다.In addition, the anionic nano-cellulose coagulant prepared in the present invention has properties that are useful for coagulant application because it can be uniformly dispersed in wastewater without agglomeration due to electrostatic repulsion between carboxylic acid groups.

도 1은 본 발명에서 제조한 음이온성 나노셀룰로오스 응집제의 전계방출형 주사전자현미경(FE-SEM) 사진이다.
도 2는 본 발명에서 제조한 음이온성 나노셀룰로오스 응집제의 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 3은 본 발명에서 제조한 음이온성 나노셀룰로오스 응집제의 표준전위를 측정하여 나타낸 그래프이다.
1 is a field emission scanning electron microscope (FE-SEM) photograph of the anionic nanocellulose coagulant prepared in the present invention.
2 is a scanning electron microscope (SEM) photograph of the anionic nanocellulose coagulant prepared in the present invention.
3 is a graph showing the standard potential of the anionic nanocellulose coagulant prepared in the present invention.

본 발명은 폐지를 원료로 사용하여 음이온성 나노셀룰로오스 응집제를 제조하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing anionic nanocellulose coagulant using waste paper as a raw material.

본 발명에 따른 음이온성 나노셀룰로오스 응집제의 제조방법은,A method for producing an anionic nano-cellulose flocculant according to the present invention comprises:

a)폐지를 분해하여 섬유상 슬러리를 얻는 해리단계; a) a dissociation step of decomposing the waste paper to obtain a fibrous slurry;

b)섬유상 슬러리로부터 잉크 또는 필러가 제거된 지료를 얻는 탈묵단계; b) deinking step of obtaining a stock from which the ink or filler has been removed from the fibrous slurry;

c)지료내에 포함된 셀룰로오스를 산화제로 처리하여 산화된 셀룰로오스를 제조하는 산화단계; 및c) an oxidation step of treating the cellulose contained in the stock with an oxidizing agent to produce oxidized cellulose; And

d)산화된 셀룰로오스를 균질화하여 음이온성 나노셀룰로오스 응집제를 제조하는 균질화단계; 를 포함하여 이루어진다.
d) homogenizing the oxidized cellulose to produce an anionic nano-cellulose flocculant; .

본 발명에 따른 음이온성 나노셀룰로오스 응집제의 제조방법은 각 단계별로 보다 구체적으로 설명하면 하기와 같다.The method for producing the anionic nanocellulose coagulant according to the present invention will be described in more detail as follows.

a)단계는, 폐지를 분해하여 섬유상 슬러리를 얻는 해리단계이다.Step a) is a dissociation step of decomposing the waste paper to obtain a fibrous slurry.

본 발명에서 원료로 사용되는 폐지는 폐골판상자, 폐신문, 폐사무용지 등을 사용할 수 있으며, 하기의 실시예에서는 주로 토너잉크로 인쇄된 복사용지와 같은 백상고지(white ledger)를 사용하였지만 이와 유사한 다른 폐지를 사용하더라도 본 발명의 목적은 충분히 달성될 수 있다.The waste paper used as a raw material in the present invention can be a corrugated cardboard box, a waste newspaper, a waste paper, and the like. In the following embodiments, a white ledger such as a copy paper printed with a toner ink is used. Even if similar other waste paper is used, the object of the present invention can be sufficiently achieved.

상기 해리단계는 폐지에 화학약품 또는 기계적 전단력을 가하여 섬유상으로 분리하는 과정으로 통상적으로 실시하는 방법에 의해 실행할 수 있다. 즉, 상기 해리단계는 폐지를 펄퍼(pulper)로 해리하여 섬유표면으로부터 잉크입자를 박리시키고, 박리된 잉크입자가 부유부상으로 제거될 수 있는 크기(10 ~ 150 mm)로 파괴하면서 섬유표면에 재흡착을 방지하도록 숙성하여 섬유슬러리를 얻는 공정을 포함할 수 있다.The dissociation step may be carried out by a conventional method of separating waste paper into a fibrous form by applying a chemical or mechanical shearing force thereto. That is, in the dissociating step, the waste paper is dissociated by a pulper to peel off the ink particles from the surface of the fiber, and the peeled ink particles are broken down to a size (10 to 150 mm) And then aging to prevent adsorption to obtain a fiber slurry.

구체적으로, 헬리코(helico) 형태의 펄퍼(pulper)에 폐지와 펄핑농도 10 ~ 15 중량%에 해당하는 양의 물을 넣고 pH 10 ~ 12 조건에서 200 ~ 400 rpm의 교반속도로 펄핑하였다. 상기 펄핑은 50 ~ 70 ℃의 가온 상태를 유지하게 되면 해리효율을 보다 높일 수 있다. 펄핑 후에는 시료를 3 ~ 10 중량%의 농도로 농축한 다음, 40 ~ 60 ℃ 온도에서 20분 ~ 60분 동안 숙성하여 섬유상 슬러리를 얻었다.Specifically, pulp was pulsed with helical pulp at an agitation speed of 200 to 400 rpm under the condition of pH 10 to 12 by adding pulp paper and water having a pulping concentration of 10 to 15% by weight. When pulping is maintained at a temperature of 50 to 70 캜, the dissociation efficiency can be further increased. After pulping, the sample was concentrated to a concentration of 3 to 10 wt%, and aged at a temperature of 40 to 60 ° C for 20 to 60 minutes to obtain a fibrous slurry.

또한, 필요하다면 상기 펄핑과정에서 탈묵제를 첨가 사용할 수 있다. 상기 펄핑과정에 탈묵제를 첨가하면 잉크를 기포와 함께 포집하여 보다 용이하게 제거할 수도 있고, 또는 섬유에 흡착되어 있는 잉크를 탈묵제에 의해 박리시키는 효과도 기대할 수도 있다. 일반적으로 탈묵제로는 지방산, 지방산 유도체, 지방산 알콜 유도체 등을 주로 사용하고 있는데, 각각의 발포성, 포집성, 파포성에 차이가 있으므로 적당한 것을 선택하여 사용할 수 있다. Also, if necessary, deinking agent may be added in the pulping process. When the deinking agent is added to the pulping process, the ink may be trapped together with the bubbles to be more easily removed, or the effect of removing the ink adsorbed on the fibers by the deinking agent may be expected. In general, deinking agents include fatty acids, fatty acid derivatives, fatty acid alcohol derivatives and the like, and since they have different foaming properties, entrapment properties and spreading properties, suitable ones can be selected and used.

본 발명에서는 탈묵제로서 하기 화학식 2로 표시되는 알콕시레이티드 지방산 알콜을 사용할 수 있다.In the present invention, an alkoxylated fatty acid alcohol represented by the following general formula (2) can be used as a deinking agent.

[화학식 2](2)

[FA][EO]a[PO]b [FA] [EO] a [PO] b

(상기 화학식 2에서, FA는 탄소수 10 ~ 20의 지방산알콜이고, EO는 에틸렌옥사이드 반복단위이고, PO는 프로필렌옥사이드 반복단위이고, a 및 b는 지방산알콜의 수산기(OH)에 부가중합된 EO 및 PO의 몰수로서 각각 10 ~ 30의 정수이고, 이때 a:b의 몰비는 1: 0.8 ~ 1.2 범위를 이룬다)(Wherein FA is a fatty acid alcohol having 10 to 20 carbon atoms, EO is an ethylene oxide repeating unit, PO is a propylene oxide repeating unit, a and b are EO obtained by addition-polymerizing a hydroxyl group (OH) The number of moles of PO is an integer of 10 to 30, respectively, wherein the molar ratio of a: b is in the range of 1: 0.8 to 1.2)

상기 화학식 2로 표시되는 탈묵제는 지방산알콜의 특성상 잉크에 대한 침투성이 강하여 강력한 잉크 박리작용을 나타내고, 잉크입자의 크기가 크게 박리되어 부상처리가 용이하도록 하는 장점이 있다. 상기 화학식 2로 표시되는 탈묵제의 경우, EO 및 PO의 몰비 조절을 통해 HLB(Hydrophile-Lipophile Balance) 값을 조절하여, 하기에서 실시하는 탈묵공정에서 섬유상 슬러리로부터 잉크입자를 포집하는데 보다 바람직한 효과를 기대할 수 있다. 바람직하기로 상기 화학식 2로 표시되는 탈묵제는 중량평균분자량(Mw)이 1,500 ~ 3,000 범위이고, 지방산알콜(FA)에 부가 중합되는 에틸렌 옥사이드(EO)와 프로필렌 옥사이드(PO)의 몰비가 1: 0.8 ~ 1.2 범위로 조절된 것을 사용하는 것이 좋다.The deinking agent represented by the above formula (2) has a strong permeability to ink due to the nature of the fatty acid alcohol, exhibits a strong ink peeling action, and has an advantage that the size of the ink particles is largely peeled off to facilitate the floating treatment. In the case of the deinking agent represented by the above formula (2), by adjusting the HLB (Hydrophile-Lipophile Balance) value by controlling the molar ratio of EO and PO, a more desirable effect is obtained in collecting the ink particles from the fibrous slurry in the deinking process You can expect. Preferably, the deinking agent of Formula 2 has a weight average molecular weight (Mw) in the range of 1,500 to 3,000 and a molar ratio of ethylene oxide (EO) to propylene oxide (PO) added to the fatty acid alcohol (FA) It is preferable to use the one adjusted in the range of 0.8 to 1.2.

상기 화학식 2로 표시되는 탈묵제의 사용량은 폐지 100 중량부를 기준으로 0.1 ~ 1 중량부 범위로 사용될 수 있다. 만약, 상기한 탈묵제의 사용량이 상기 범위 미만으로 너무 적으면 탈묵제의 첨가 효과를 기대할 수 없다. 반대로 탈묵제의 사용량이 상기 범위를 초과하여 과량 사용되면 탈묵공정 단계에서 섬유상 슬러리 상태에서 잉크입자들이 서로 달라붙어 뭉침으로써 잉크입자가 물표면 위로 부유되지 않고 슬러리 상으로 분산 또는 침전되어 탈묵효율이 저하될 수 있고, 그리고 탈묵장치 표면에 잉크입자가 점착하여 장치의 오염 문제를 초래할 수 있으므로, 상기한 중량 범위로 사용하는 것이 좋다.The amount of the deinking agent represented by Formula 2 may be 0.1 to 1 part by weight based on 100 parts by weight of waste paper. If the amount of the deinking agent used is too small, the effect of adding the deinking agent can not be expected. On the contrary, when the amount of the deinking agent used exceeds the above range and is used in an excess amount, the ink particles adhere to each other in the fiber slurry state in the deinking process step so that the ink particles do not float over the water surface and are dispersed or precipitated in the slurry form, And the ink particles may adhere to the surface of the deinking apparatus to cause a problem of contamination of the apparatus.

또한, 필요하다면 pH 8 ~ 12 범위에서 셀룰라아제(cellulase) 및 자일란아제(xylanase)와 같은 효소를 더 첨가하여 해리할 수도 있다.
If necessary, enzymes such as cellulase and xylanase may further be added and dissociated in the range of pH 8 to 12.

b)단계는, 상기 해리공정을 통해 얻어진 섬유상 슬러리로부터 잉크를 제거하는 탈묵단계이다.Step b) is a deinking step of removing ink from the fibrous slurry obtained through the dissociation process.

탈묵은 상기한 해리공정을 통해 섬유에서 박리 분산된 잉크를 부상처리 및 세정을 통해 계외로 제거하는 공정이다. 이러한 탈묵공정은 유입되는 기포의 양, 기포 크기, 기포에 부착되는 잉크의 크기 등에 의하여 탈묵 효율이 좌우될 수 있다. Deinking is a step of removing the ink separated and dispersed in the fibers through the above-mentioned dissociation process by the flotation process and the cleaning process. The deinking process can be influenced by the amount of introduced bubbles, the size of the bubbles, the size of the ink adhering to the bubbles, and the like.

구체적으로는 해리공정을 통해 얻은 섬유상 슬러리를 200 ~ 400 rpm의 속도로 교반하여 줌으로써 섬유로부터 박리된 잉크입자가 섬유에 다시 재흡착되지 않고 균일하게 분산되도록 교반한다. 그리고, 잉크를 비롯하여 이물질들을 제거시키기 위하여 부상(flotation) 방식의 탈묵장치를 사용하여 잉크제거작업을 실시한다. 상기 부상처리는 30 ~ 50℃ 온도 및 pH 9 ~ 10 범위에서 실시할 수 있다.
Specifically, the fibrous slurry obtained through the dissociation process is agitated at a speed of 200 to 400 rpm to agitate the ink particles, which have been peeled off from the fibers, to be uniformly dispersed without re-adsorption on the fibers. Then, an ink removing operation is performed using a flotation type deinking device to remove foreign substances including ink. The float treatment can be carried out at a temperature of 30 to 50 ° C and a pH of 9 to 10.

c)단계는, 탈묵공정을 거친 지료내에 포함된 셀룰로오스의 수산기를 카르복시산기로 전환하기 위한 산화단계이다.Step c) is an oxidation step for converting the hydroxyl groups of the cellulose contained in the ground treated by the deinking process into a carboxylic acid group.

상기 산화단계에서는 셀룰로오스 섬유 표면에 카르복시산기를 도입하여 음이온성 셀룰로오스를 제조한다.In the oxidation step, an anionic cellulose is produced by introducing a carboxylic acid group onto the surface of the cellulose fiber.

일반적으로 셀룰로오스의 산화반응은, 하기 반응식 1에 나타낸 것처럼 수산(OH)기가 우선적으로 알데하이드기(COH)로 전환되고, 이를 더욱 산화시키면 카르복시산기(COOH)로 전환된다.Generally, in the oxidation reaction of cellulose, the hydroxyl group (OH) group is preferentially converted to the aldehyde group (COH) as shown in Reaction Scheme 1 below, and when it is further oxidized, it is converted into the carboxylic acid group (COOH).

[반응식 1][Reaction Scheme 1]

알콜(-OH) → 알데하이드(-COH) → 카르복시산(-COOH)
Alcohol (-OH) → aldehyde (-COH) → carboxylic acid (-COOH)

상기 종래발명에서 예시한 Chemical Engineering Journal 231 (2013) 59-67 (비특허문헌 1)에는 셀룰로오스를 과요오드산 나트륨염(NaIO4)에 의해 산화하여 알데히드기로 전환한 후에, 알데히드기를 아염소산나트륨(NaClO2)에 의해 산화하여 카르복시산기로 전환하는 2단계 산화공정이 개시되어 있다. 그러나, 비특허문헌 1에서는 원료로 버진(virgin) 셀룰로오스를 사용하고 있으나, 본 발명은 폐지를 해리 및 탈묵공정을 통해 얻은 재생(recycle) 셀룰로오스를 원료로 사용한다는 점에서 차이가 있다. 따라서 비특허문헌 1에서 제안하고 있는 2단계 산화공정을 본 발명의 재생(recycle) 셀룰로오스의 산화공정으로 적용하게 되면, 셀룰로오스 무게 대비하여 카르복시산 치환율이 1.07 mmol/g 정도로 매우 낮다. [표 1의 비교예 1 참조]In Chemical Engineering Journal Journal 231 (2013) 59-67 (Non-Patent Document 1) exemplified in the above-mentioned conventional invention, the cellulose is oxidized to an aldehyde group by sodium diiodate (NaIO 4 ), and then the aldehyde group is converted into sodium hypochlorite NaClO 2 ) to convert it to a carboxylic acid group. However, in the non-patent document 1, virgin cellulose is used as the raw material, but the present invention differs from the above in that the recycle cellulose obtained through the dissociation and deinking process of the waste paper is used as a raw material. Therefore, when the two-step oxidation process proposed in the non-patent document 1 is applied to the oxidation process of the recycle cellulose of the present invention, the carboxylic acid substitution ratio is very low as about 1.07 mmol / g in relation to the cellulosic weight. [Refer to Comparative Example 1 of Table 1]

이에, 본 발명에서는 카르복시산 치환율을 향상시키는 방법으로서 과요오드산 알칼리금속염 산화제를 사용하는 1차 산화공정에 산화보조제로서 하기 화학식 1로 표시되는 폴리알킬렌옥사이드 공중합체를 추가로 첨가하는 방법을 새롭게 개발하였다.Accordingly, in the present invention, as a method for improving the substitution ratio of carboxylic acid, a method of further adding a polyalkylene oxide copolymer represented by the following formula (1) as an oxidation auxiliary agent in a primary oxidation step using an oxidizing agent of an alkali metal periodate is newly developed Respectively.

[화학식 1][Chemical Formula 1]

[EO]x-[PO]y [EO] x - [PO] y

(상기 화학식 1에서, EO는 에틸렌옥사이드 반복단위이고, PO는 프로필렌옥사이드 반복단위이며, x 및 y는 각 반복단위의 몰수이고 x:y의 몰비는 10 ~ 40 : 60 ~ 90 범위를 이룬다)(Wherein EO is ethylene oxide repeating unit, PO is propylene oxide repeating unit, x and y are the number of moles of each repeating unit, and the mole ratio of x: y is in the range of 10 to 40: 60 to 90)

상기 화학식 1로 표시되는 산화보조제는 에틸렌 옥사이드 10 ~ 40 몰%와 프로필렌 옥사이드 60 ~ 90 몰%를 공중합하여 제조된 고분자 물질로, 중량평균분자량이 2,000 ~ 3,000 g/mol 범위인 것을 사용한다. 상기 화학식 1로 표시되는 산화보조제에 있어서, 에틸렌 옥사이드(EO) 대비하여 프로필렌 옥사이드(PO)의 몰비가 상대적으로 높은 것이 산화반응에서 보다 유리한 효과를 기대할 수 있다. 그 이유는 상기 화학식 1로 표시되는 산화보조제 내의 프로필렌 옥사이드(PO)의 분자량이 증가되어 셀룰로오스 표면이 소수성으로 개질됨으로써, 과요오드산 알칼리금속염 산화제와의 반응성을 보다 향상시킬 수 있기 때문이다. 상기 화학식 1로 표시되는 산화보조제에 있어서, 공중합체를 구성하는 EO:PO의 몰비는 10 ~ 40 : 60 ~ 90 몰%로 조절되는 것이 좋고, 보다 좋기로는 EO:PO의 몰비가 10 ~ 20 : 80 ~ 90 몰%로 조절되는 것이다. The oxidation auxiliary agent represented by the formula (1) is a polymer material prepared by copolymerizing 10 to 40 mol% of ethylene oxide and 60 to 90 mol% of propylene oxide, and has a weight average molecular weight of 2,000 to 3,000 g / mol. In the oxidation auxiliary agent represented by the general formula (1), a higher molar ratio of propylene oxide (PO) to ethylene oxide (EO) is more advantageous in the oxidation reaction. This is because the molecular weight of propylene oxide (PO) in the oxidation auxiliary agent represented by the above formula (1) is increased and the surface of the cellulose is modified to be hydrophobic, so that the reactivity with the oxidizing agent of the periodic acid metal salt can be further improved. The molar ratio of EO: PO constituting the copolymer is preferably controlled to 10 to 40: 60 to 90 mol%, more preferably the molar ratio of EO: PO is controlled to 10 to 20 : 80 to 90 mol%.

또한, 상기 화학식 1로 표시되는 산화보조제는 지료 100 중량부(고형분 함량)를 기준으로 1 ~ 5 중량부 범위로 사용될 수 있다. 만약, 상기한 산화보조제의 사용량이 상기 범위 미만으로 너무 적으면 과요오드산 알칼리금속염의 산화를 촉진시키는 효과를 기대할 수 없다. 반대로 상기한 산화보조제의 사용량이 상기 범위를 초과하여 과량 사용하면 더 이상의 산화 촉진효과가 기대되지 않으므로 경제성이 떨어질 수 있으므로, 상기한 중량 범위로 사용하는 것이 좋다.The oxidation auxiliary agent represented by the above formula (1) may be used in an amount of 1 to 5 parts by weight based on 100 parts by weight (solid content) of the ground. If the amount of the above-mentioned oxidizing auxiliary agent is too small, the effect of accelerating the oxidation of the alkali metal periodate can not be expected. On the other hand, if the amount of the above-mentioned oxidizing auxiliary agent used exceeds the above range and is used in an excess amount, the oxidation promoting effect can not be expected further, so that the economical efficiency may be lowered.

본 발명에 따른 지료(paper stock)의 산화과정을 보다 구체적으로 설명하면 하기와 같다.The oxidation process of the paper stock according to the present invention will be described in more detail as follows.

본 발명의 지료(paper stock)의 산화단계는, 과요오드산 알칼리금속염 산화제와 상기 화학식 1로 표시되는 폴리알킬렌옥사이드 공중합체의 산화보조제를 사용하는 1차 산화공정; 및 아염아염소산나트륨(NaClO2) 산화제를 사용하는 2차 산화공정; 으로 진행될 수 있다. The oxidation of the paper stock of the present invention may be carried out by a primary oxidation process using an oxidizing agent of an alkali metal iodate oxidant and a polyalkylene oxide copolymer represented by the general formula (1); And a secondary oxidation process using sodium hypochlorite (NaClO 2 ) oxidizing agent; Lt; / RTI >

구체적으로, 상기 1차 산화공정은 지료 100 중량부(고형분 함량)를 기준으로 과요오드산 알칼리금속염 산화제 100 ~ 200 중량부 및 상기 화학식 1로 표시되는 산화보조제 1 ~ 5 중량부를 사용한다. 상기 1차 산화공정은 30 ~ 70℃ 온도로 진행할 수 있고, 바람직하기로는 40 ~ 60℃의 온도에서 진행할 수 있다. 상기 1차 산화공정 시간은 1 ~ 8 시간, 바람직하게는 1 ~ 5시간동안 진행될 수 있다. 1차 산화공정을 통해 얻어진 산화된 셀룰로오스 섬유는 증류수를 이용하여 pH 6 ~ 8 정도 될 때까지 세정할 수도 있다.Specifically, 100 to 200 parts by weight of an oxidizing agent of an alkali metal iodate and 1 to 5 parts by weight of an oxidizing auxiliary represented by the general formula (1) are used based on 100 parts by weight (solids content) of the ground. The primary oxidation process can be carried out at a temperature of 30 to 70 ° C, preferably at a temperature of 40 to 60 ° C. The primary oxidation process time may be 1 to 8 hours, preferably 1 to 5 hours. The oxidized cellulosic fibers obtained through the first oxidation step may be washed with distilled water until the pH is about 6-8.

상기와 같은 1차 산화공정을 마친 산화된 셀룰로오스 섬유는 카르복시산기 함량이 섬유중량 대비하여 1.0 ~ 1.21 mmol/g 정도이다. 또한, 산화된 셀룰로오스 섬유에는 카르복시산기로 산화되지 못하고 알데하이드기가 잔류하고 있으므로, 1차 산화공정 후에 잔류하는 알데하이드기를 카르복시산기로 전환시키기 위하여 2차 산화공정을 수행하였다.The oxidized cellulosic fibers after the primary oxidation process have a carboxylic acid group content of about 1.0 to 1.21 mmol / g based on the fiber weight. In addition, the oxidized cellulose fibers are not oxidized by carboxylic acid groups and remain aldehyde groups. Therefore, a secondary oxidation process is performed to convert residual aldehyde groups into carboxylic acid groups after the first oxidation process.

구체적으로, 상기 2차 산화공정은 상기 1차 산화된 셀룰로오스 섬유 100 중량부(고형분 함량)를 기준으로 아염아염소산나트륨(NaClO2) 산화제 150 ~ 200 중량부를 사용하여 pH 4 ~ 6 조건을 유지하면서 수행할 수 있다. 상기 2차 산화공정은 20 ~ 60℃ 온도로 진행할 수 있고, 바람직하기로는 20 ~ 30℃의 상온 주변의 온도에서 진행할 수 있다. 상기 2차 산화공정시간은 30 ~ 60 시간, 바람직하게는 40 ~ 50 시간동안 진행할 수 있다. 상기 2차 산화공정이 완료되면 여과를 통해 잔류하는 불순물을 제거할 수 있다. 또한, 2차 산화공정을 통해 얻어진 산화된 셀룰로오스 섬유는 증류수를 이용하여 pH 6 ~ 7 정도 될 때까지 세정할 수도 있다.Specifically, in the secondary oxidation step, 150 to 200 parts by weight of sodium hypochlorite (NaClO 2 ) oxidizing agent is used based on 100 parts by weight (solid content) of the primary oxidized cellulose fiber, Can be performed. The secondary oxidation process may proceed at a temperature of 20 to 60 ° C, preferably at a temperature of 20 to 30 ° C. The second oxidation process time may be 30 to 60 hours, preferably 40 to 50 hours. When the secondary oxidation process is completed, residual impurities can be removed through filtration. The oxidized cellulose fibers obtained through the secondary oxidation step may be washed with distilled water until the pH is about 6 to 7.

상기와 같은 2차 산화공정을 마친 셀룰로오스 섬유는 섬유중량 대비하여 카르복시산기 함량이 1.3 ~ 1.5 mmol/g 정도로 높아서 음이온성 나노셀룰로오스 응집제로 유용하게 사용될 수 있다.
The cellulose fibers after the second oxidation process have a carboxylic acid group content of about 1.3 to 1.5 mmol / g in terms of fiber weight, and thus can be usefully used as an anionic nano-cellulose coagulant.

d)단계는, 산화된 셀룰로오스를 균질화하여 음이온성 나노셀룰로오스 응집제를 제조하는 단계이다.Step d) is a step of homogenizing the oxidized cellulose to prepare an anionic nano-cellulose flocculant.

상기 균질화는 산화된 셀룰로오스가 포함된 현탁액을 고압 균질기(High pressure homogenizer)와 같은 균질화 장치를 이용하여 셀룰로오스 섬유에 물리적 충격을 가하여 수행될 수 있다. 상기 균질화 공정에서 산화된 셀룰로오스에 가해지는 압력은 300 ~ 1000 bar 정도이며, 1 ~ 5회 순환하여 나노화된 셀룰로오스 섬유를 수득할 수 있다. The homogenization can be performed by subjecting a suspension containing oxidized cellulose to a physical impact on the cellulose fibers using a homogenizer such as a high pressure homogenizer. The pressure applied to the oxidized cellulose in the homogenization process is about 300 to 1000 bar, and it is possible to obtain nanofiberized cellulose fibers by circulating 1 to 5 times.

상기 균질화 공정을 마친 후에 얻어진 나노화된 셀룰로오스 섬유가 함유된 현탁액을 폐수 처리용 응집제로 직접 사용할 수 있다.The suspension containing nanofibrated cellulose fibers obtained after the homogenization process can be used directly as a coagulant for wastewater treatment.

보관 및 유통상의 편리성을 고려한다면, 나노화된 셀룰로오스 섬유가 함유된 현탁액은 통상의 탈수과정을 통해 고체 형태로 전환하는 것이 상업적으로 보다 유리할 수 있다. 상기 나노화된 셀룰로오스 섬유가 함유된 현탁액의 탈수는 전기건조기, 진공건조기, 열풍건조기 또는 동결건조기 등의 통상의 탈수방법을 이용하여 수행할 수 있다.Considering the convenience of storage and distribution, it may be commercially advantageous to convert the suspension containing nanofibrated cellulosic fibers into a solid form through a conventional dehydration process. The dehydration of the suspension containing the nano-sized cellulosic fibers can be carried out using a conventional dehydration method such as an electric dryer, a vacuum dryer, a hot air drier or a freeze dryer.

이상의 제조방법을 통해 수득된 나노셀룰로오스 섬유는 표면에 카르복시산기가 도입된 음이온성 나노셀룰로오스 섬유이며, 폐수처리용 음이온성 응집제로 이용될 수 있다.
The nanocellulose fiber obtained through the above-mentioned production method is an anionic nanocellulose fiber having a carboxylic acid group introduced on its surface, and can be used as an anionic coagulant for wastewater treatment.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명은 하기의 실시예에 의거하여 더욱 상세히 설명하겠는 바, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
The present invention will now be described in more detail with reference to the following examples, but the present invention is not limited thereto.

[실시예] 음이온성 나노셀룰로오스 응집제의 제조
[Examples] Preparation of anionic nano-cellulose coagulant

실시예 1. Example 1.

a)해리단계a) dissociation step

헬리코(helico) 형태의 펄퍼에 폐지 200 g과 펄핑농도 13 중량%에 해당하는 양의 65℃ 물을 넣은 다음, 탈묵제로서 화학식 2의 알콕시레이티드 지방산 알콜 (한농화학사 BKK-1 제품; 또는 중량평균분자량 2200, EO:PO가 1:1 몰비로 부가된 올레익알콜) 1 g을 투입한 후, 수산화나트륨(NaOH)을 투입하여 pH를 10 ~ 11 정도로 조절하고 300 rpm 교반속도로 30분 동안 펄핑하였다. 펄핑 후에는 펄프 슬러리 170 g(고형분 함량)를 채취하여 5 중량%의 농도로 희석시킨 다음, 50℃ 항온수조에서 30분 동안 숙성시켰다. 숙성 후 45℃의 물을 사용하여 1 중량%의 농도로 희석하고 섬유로부터 박리된 잉크입자가 섬유에 재 흡착을 방지하고 균일하게 분산되도록 3분 동안 교반하였다. 여기서 얻어진 섬유상 슬러리는 하기 탈묵단계에서 원료로 사용하였다.
200 g of waste paper and an amount of 65 DEG C in an amount corresponding to 13% by weight of a pulping concentration were added to a helico type pulpper, and then an alkoxylated fatty acid alcohol of the formula (2) 1 g of an oleic alcohol having a weight average molecular weight of 2200 and a molar EO: PO molar ratio of 1: 1) was added thereto, and then sodium hydroxide (NaOH) was added thereto to adjust the pH to about 10 to 11. The mixture was stirred at 300 rpm for 30 minutes / RTI > After pulping, 170 g of pulp slurry (solid content) was sampled and diluted to a concentration of 5% by weight, and then aged in a constant temperature water bath at 50 캜 for 30 minutes. After aging, the mixture was diluted to a concentration of 1% by weight with water at 45 캜, and the ink particles peeled off from the fibers were stirred for 3 minutes to prevent re-adsorption to the fibers and uniform dispersion. The fibrous slurry obtained here was used as a raw material in the following deinking step.

b)탈묵단계b) Deinking step

부유부상(flotation) 방식의 탈묵장치를 사용하여 pH 9.5 및 40℃ 온도에서 5분 동안 잉크 및 이물질을 제거 작업을 실시하여, 고형분 농도가 약 1 중량%인 지료를 얻었다. 얻어진 지료(paper stock)는 하기의 산화단계에서 원료로 사용하였다.
A deinking device of a floating flotation type was used to remove ink and debris for 5 minutes at a pH of 9.5 and a temperature of 40 DEG C to obtain a flour having a solid concentration of about 1% by weight. The obtained paper stock was used as a raw material in the following oxidation step.

c)산화단계c) oxidation step

c-1) 1차 산화c-1) primary oxidation

고형분 농도 1 중량%인 지료 1 kg(고형분 함량으로 10 g)에, 킬레이트제로서 디에틸렌 트리아민 펜타아세트산 펜타소듐(DTPA 5Na) 0.005 g을 첨가하고 상온에서 30 분간 교반하였다. 알루미늄 호일로 덮힌 반응기에 과요오드산 나트륨염 10 g 및 산화보조제로서 상기 화학식 1로 표시되는 폴리알킬렌옥사이드 공중합체(한농화학사의 PE-61 제품; 중량평균분자량 2000~2500, EO:PO의 몰비 10:90) 0.2 g를 첨가하였다. 실리콘 오일 중탕을 이용하여 50℃에서 3시간동안 반응시켰다. 와이어망(150 ㎛)을 사용하여 산화된 셀룰로오스 섬유를 여과 분리하였으며, 상기 여과는 산화된 셀룰로오스 섬유가 여과되지 않을 때까지 계속 반복하였다. 분리 수득된 산화된 셀룰로오스 섬유는 여과지(whatman filter papers 541, 직경 11 cm)를 이용하여 증류수로 여러 번 반복 세척하여 최종 pH가 7 되도록 하였다. 상기한 1차 산화공정을 통해 제조된 산화된 셀룰로오스 섬유는 4℃의 냉장고에 보관하였다.
0.005 g of diethylenetriaminepentaacetic acid pentasodium (DTPA 5Na) as a chelating agent was added to 1 kg of solid matter (solid content: 10 g) having a solid content concentration of 1% by weight, and the mixture was stirred at room temperature for 30 minutes. 10 g of sodium periodate sodium salt and 10 g of a polyalkylene oxide copolymer (PE-61 product of Hannon Chemical Co., Ltd., weight average molecular weight 2000 to 2500, EO: PO molar ratio 10: 90). The reaction was conducted at 50 캜 for 3 hours using a silicone oil bath. The oxidized cellulose fibers were separated by filtration using a wire net (150 mu m), and the filtration was repeated until the oxidized cellulose fibers were not filtered. The obtained oxidized cellulose fibers were repeatedly washed several times with distilled water using a filter paper (whatman filter papers 541, 11 cm in diameter) to obtain a final pH of 7. The oxidized cellulosic fibers prepared through the above-mentioned primary oxidation process were stored in a refrigerator at 4 ° C.

c-2) 2차 산화c-2) secondary oxidation

0.5 M 초산나트륨 완충액(초산으로 pH 4.5 조절)을 사용하여, 1차 산화공정을 통해 제조된 산화된 셀룰로오스 섬유를 희석하여 고형분 농도가 1 중량% 되도록 하였다. 고형분 농도 1 중량%인 산화된 셀룰로오스 섬유 1 kg(고형분 함량으로 10 g)에 아염소산나트륨(NaClO2) 18 g을 첨가한 후에, 상온에서 48시간동안 500 prm 속도로 교반하였다. 여과지(whatman filter papers 541, 직경 11 cm)를 이용하여 고형분 섬유를 여과하고, 증류수로 여러 번 반복 세척하여 최종 pH가 7 되도록 하였다. Using 0.5 M sodium acetate buffer (pH 4.5 adjusted with acetic acid), the oxidized cellulose fibers prepared through the primary oxidation process were diluted to a solids concentration of 1 wt%. 18 g of sodium chlorite (NaClO 2 ) was added to 1 kg of the oxidized cellulose fiber having a solid content concentration of 1 wt% (10 g in terms of solid content), and then the mixture was stirred at room temperature for 48 hours at a speed of 500 rpm. The solid fibers were filtered using a filter paper (whatman filter papers 541, diameter 11 cm) and washed several times with distilled water to give a final pH of 7.

상기한 1차 및 2차 산화공정을 수행하여 수득된 산화된 셀룰로오스는 폐지 무게 대비하여 약 60%의 수율을 나타내었고, 현탁액의 농도를 0.3% 정도로 조절하여 균질화 단계에 적용하였다.
The oxidized cellulose obtained by performing the above primary and secondary oxidation processes exhibited a yield of about 60% relative to the weight of the waste paper, and the concentration of the suspension was adjusted to about 0.3% to be applied to the homogenization step.

d)균질화단계d) homogenization step

산화된 셀룰로오스가 고형분 함량 기준으로 0.3% 포함된 현탁액을 고압 균질기(EMAX TECH MiniDeBee)를 이용하여 나노섬유화하였다. 이때 고압 균질기의 내부압력을 500 bar로 조정하고, 3회 순환하여 나노섬유화하였다. 균질화된 나노셀룰로오스 섬유는 동결건조기로 탈수하여 고체 상태의 음이온성 나노셀룰로오스 응집제를 수득하였다.
The suspension containing oxidized cellulose in an amount of 0.3% based on the solid content was made into a nanofiber using a high-pressure homogenizer (EMAX TECH MiniDebee). At this time, the inner pressure of the high pressure homogenizer was adjusted to 500 bar, and the nanofiber was formed by circulating it three times. The homogenized nanocellulose fibers were dewatered by a freeze dryer to obtain a solid anionic nanocellulose flocculant.

실시예 2.Example 2.

상기 실시예 1의 방법에 의해 폐지로부터 음이온성 나노셀룰로오스 응집제를 제조하되, 다만 상기 실시예 1의 c)1차 산화단계에서 산화보조제인 폴리알킬렌옥사이드 공중합체 0.3 g 을 첨가하였다.
An anionic nano-cellulose flocculant was prepared from the waste paper by the method of Example 1, except that 0.3 g of the polyalkylene oxide copolymer as the oxidation aid in the c) primary oxidation step of Example 1 was added.

실시예 3. Example 3.

상기 실시예 1의 방법에 의해 폐지로부터 음이온성 나노셀룰로오스 응집제를 제조하되, 다만 상기 실시예 1의 c)1차 산화단계에서 산화보조제인 폴리알킬렌옥사이드 공중합체 0.4 g 을 첨가하였다.
An anionic nano-cellulose flocculant was prepared from the waste paper by the method of Example 1, except that 0.4 g of a polyalkylene oxide copolymer as an oxidizing auxiliary in the c) primary oxidation step of Example 1 was added.

실시예 4.Example 4.

상기 실시예 1의 방법에 의해 폐지로부터 음이온성 나노셀룰로오스 응집제를 제조하되, 다만 상기 실시예 1의 c)1차 산화단계에서 반응시간을 1 시간으로 단축시켰다.
The anionic nano-cellulose flocculant was prepared from the waste paper by the method of Example 1, except that the reaction time was shortened to 1 hour in the c) primary oxidation step of Example 1 above.

실시예 5.Example 5.

상기 실시예 1의 방법에 의해 폐지로부터 음이온성 나노셀룰로오스 응집제를 제조하되, 다만 상기 실시예 1의 c)1차 산화단계에서 반응시간을 5시간으로 연장시하였다.
The anionic nano-cellulose flocculant was prepared from the waste paper by the method of Example 1, except that the reaction time was extended to 5 hours in the c) primary oxidation step of Example 1 above.

비교예 1. Comparative Example 1

상기 실시예 1의 방법에 의해 폐지로부터 음이온성 나노셀룰로오스 응집제를 제조하되, 다만 상기 실시예 1의 c)1차 산화단계에서 산화보조제로서 화학식 1로 표시되는 폴리알킬렌옥사이드 공중합체를 첨가하지 않았다.
An anionic nano-cellulose flocculant was prepared from the waste paper by the method of Example 1, except that the polyalkylene oxide copolymer represented by Chemical Formula 1 was not added as an oxidizing auxiliary in the c) primary oxidation step of Example 1 above .

비교예 2.Comparative Example 2

상기 실시예 1의 방법에 의해 폐지로부터 음이온성 나노셀룰로오스 응집제를 제조하되, 다만 상기 실시예 1의 c)1차 산화단계에서 산화보조제로서 화학식 1로 표시되는 폴리알킬렌옥사이드 공중합체는 첨가하지 않았고, 과요오드산 나트륨염은 15 g을 첨가하였다.
An anionic nano-cellulose flocculant was prepared from the waste paper by the method of Example 1, except that the polyalkylene oxide copolymer represented by Chemical Formula 1 was not added as an oxidizing auxiliary in the c) primary oxidation step of Example 1 above , And 15 g of sodium periodate iodide were added.

비교예 3.Comparative Example 3

상기 실시예 1의 방법에 의해 폐지로부터 음이온성 나노셀룰로오스 응집제를 제조하되, 다만 상기 실시예 1의 c)1차 산화단계에서 산화보조제로서 화학식 1로 표시되는 폴리알킬렌옥사이드 공중합체는 첨가하지 않았고, 과요오드산 나트륨염은 20 g을 첨가하였다.
An anionic nano-cellulose flocculant was prepared from the waste paper by the method of Example 1, except that the polyalkylene oxide copolymer represented by Chemical Formula 1 was not added as an oxidizing auxiliary in the c) primary oxidation step of Example 1 above , And 20 g of sodium periodate.

상기 실시예 2에서 제조한 음이온성 나노셀룰로오스 응집제를 전계방출형 주사전자현미경(FE-SEM)과 주사전자현미경(SEM)으로 촬영한 사진은 각각 도 1 및 도 2에 첨부하였다. 도 1의 전계방출형 주사전자현미경(FE-SEM) 사진을 통해 나노섬유화 형태를 살필 수 있고, 도 2의 주사전자현미경(SEM) 사진을 통하여 응집제 입자의 크기를 확인할 수 있었다. 본 발명에서 제조한 음이온성 나노셀룰로오스 응집제는 폭이 대략 5 ~ 30 nm 정도이고, 길이가 대략 1 ~ 10 ㎛로 확인되었다.
Photographs of the anionic nano-cellulose coagulant prepared in Example 2 by field emission scanning electron microscopy (FE-SEM) and scanning electron microscope (SEM) were attached to FIGS. 1 and 2, respectively. The shape of the nanofibers can be observed through the field emission scanning electron microscope (FE-SEM) image of FIG. 1, and the size of the coagulant particles can be confirmed through a scanning electron microscope (SEM) photograph of FIG. The anionic nanocellulose coagulant prepared in the present invention has a width of about 5 to 30 nm and a length of about 1 to 10 μm.

[실험예]
[Experimental Example]

실험예 1. 카르복시산기 함량 측정Experimental Example 1. Measurement of carboxylic acid group content

상기 실시예 1 ~ 5 및 비교예 1 ~ 3에 따른 1차 산화공정 및 2차 산화공정을 통해 수득된 셀룰로오스에 대하여 하기의 측정방법으로 셀룰로오스 섬유내 카르복실기 함량을 측정하였다. 그 결과는 하기 표 1에 나타내었다.The content of carboxyl groups in the cellulose fibers was measured for the cellulose obtained through the primary oxidation process and the secondary oxidation process according to Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 to 3 by the following measurement method. The results are shown in Table 1 below.

<카르복시산기 함량 측정방법>&Lt; Measurement of carboxylic acid group content >

증류수 50 mL에 산화 처리한 셀룰로오스 섬유 0.5 g(전건무게)정도 첨가하여 현탁액을 제조하고, 동결 건조기를 사용하여 진공상태에서 -70 ℃ 이하 온도로 48시간동안 동결 건조하였다. 증류수 60 mL에 동결건조된 시료 0.2 ~ 0.3 g을 첨가하고, 0.1M 염산 수용액으로 pH 3.0 이하로 조정한 후, 0.04M NaOH 수용액을 적하하여 pH 11 되도록 적정한 후에 전기전도도를 측정하였다. 그리고, 하기 수학식 1에 의거하여 카르복시산기 함량을 계산하였다.To 50 mL of distilled water was added 0.5 g (weight) of oxidized cellulose fiber to prepare a suspension. The suspension was lyophilized in a vacuum state at -70 캜 or lower for 48 hours using a freeze dryer. 0.2 to 0.3 g of a lyophilized sample was added to 60 mL of distilled water, adjusted to a pH of 3.0 or less with a 0.1 M hydrochloric acid aqueous solution, and then 0.04 M NaOH aqueous solution was added dropwise to adjust the pH to 11 and then the electrical conductivity was measured. Then, the carboxylic acid group content was calculated based on the following formula (1).

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112016064413346-pat00001

Figure 112016064413346-pat00001

구 분division 산화공정 후 셀룰로오스 섬유내 카르복시산기 함량(mmol/g) Carboxylic acid group content in cellulose fiber after oxidation (mmol / g) 1차 산화Primary oxidation 2차 산화Secondary oxidation

room
city
Yes
1One 1.131.13 1.331.33
22 1.201.20 1.431.43 33 1.211.21 1.421.42 44 1.101.10 1.301.30 55 1.151.15 1.341.34

ratio
School
Yes
1One 0.540.54 1.071.07
22 0.620.62 1.101.10 33 0.680.68 1.131.13

상기 표 1에 의하면, 실시예 1 ~ 5로부터 제조된 음이온성 나노셀룰로오스 응집제는 폐지를 원료로 사용하였음에도 불구하고 카르복시산기 함량이 1.3 mmol/g 이상으로 높음을 알 수 있다. According to the above Table 1, the anionic nano-cellulose flocculant prepared in Examples 1 to 5 has a carboxylic acid group content of not less than 1.3 mmol / g, although waste paper is used as a raw material.

이에 반하여, 폴리알킬렌옥사이드 공중합체 산화보조제를 사용하지 않고 제조된 비교예 1 ~ 3의 음이온성 나노셀룰로오스 응집제는 카르복시산기 함량이 매우 낮음을 알 수 있다.On the contrary, the anionic nano-cellulose flocculants of Comparative Examples 1 to 3, which were prepared without using the polyalkylene oxide copolymer oxidation auxiliary agent, show that the carboxylic acid group content is very low.

상기 표 1의 결과에 의하면, 폐지를 원료로 사용하여 음이온성 나노셀룰로오스 응집제를 제조하는 공정에 있어, 1차 산화공정에서 폴리알킬렌옥사이드 공중합체 산화보조제의 사용이 유효함을 알 수 있다.
According to the results of Table 1, it can be seen that the use of the polyalkylene oxide copolymer auxiliary agent in the primary oxidation step is effective in the process of producing the anionic nanocellulose coagulant using waste paper as a raw material.

실험예 2. 음이온성 나노셀룰로오스의 표준전위 측정Experimental Example 2. Measurement of Standard Potential of Anionic Nanocellulose

상기 실시예 2에서 제조한 고체 상태의 음이온성 나노셀룰로오스를 샘플로 사용하여 물에 0.1 % 농도로 현탁하였다. 현탁액 0.1 L를 기준으로 양이온성 응결제로서 p-디알릴디메틸암모늄 클로라이드 (p-DADMAC; 비중 1.085)를 0.010, 0.025, 0.035, 0.040 g을 첨가하고, 10분 동안 마그네틱 바로 교반하였다. 충분히 교반해준 다음, 원심분리기(4,000 G)로 5분간 층 분리시킨 후 상층액을 취하였다. 상층액에 톨루이딘 블루(toluidine blue) 지시약을 넣고, 0.001 N 농도의 음이온성 폴리비닐설페이트 칼륨염(PVSK)으로 적정하였다. The solid anionic nanocellulose prepared in Example 2 was suspended in water at a concentration of 0.1%. 0.010, 0.025, 0.035, 0.040 g of p-diallyldimethylammonium chloride (p-DADMAC; specific gravity 1.085) was added as a cationic coagulant based on 0.1 L of the suspension, and the magnet was stirred directly for 10 minutes. After sufficient agitation, the supernatant was separated by centrifugation (4,000 G) for 5 minutes. The toluidine blue indicator was added to the supernatant and titrated with 0.001 N anionic polyvinylsulfate potassium salt (PVSK).

그리고, 하기 수학식 2에 의거하여 양전하 요구량(Cationic demand)를 계산하였다. Then, a positive charge demand was calculated based on the following equation (2).

[수학식 2]&Quot; (2) &quot;

양전하 요구량(meq/g) = [(CPA×CPC)-(APU×APC)]/SW(g)]The positive charge demand (meq / g) = [(CPA x CPC) - (APU x APC)] / SW

(상기 수학식 2에서, CPA는 양이온성 응결제(p-DADMAC)의 사용량(L)이고, CPC는 양이온성 응결제(p-DADMAC)의 농도(meq/L)이고, APU는 음이온성 PVSK의 적정소비량(L)이고, APC는 음이온성 PVSK의 농도(meq/L)이고, SW는 샘플의 사용량(g)이다)CPQ is the concentration of the cationic coagulant (p-DADMAC) (meq / L), APU is the titration of the anionic PVSK APC is the concentration of anionic PVSK (meq / L), and SW is the usage (g) of the sample)

상기 수학식 2에 의거하여 계산된 양전하 요구량은 도 3에 나타내었다.
The positive charge demand amount calculated based on Equation (2) is shown in FIG.

실험예 3. 폐수의 응집 효과 측정Experimental Example 3. Measurement of Coagulation Effect of Wastewater

국내 백상지 재활용 공장의 백수(white water, pH 10)를 폐수로 사용하여 응집실험을 실시하였다. Coagulation experiments were carried out using white water (pH 10) from wastewater recycling plant in wastewater.

응집실험을 하기 전에, 산, 염기를 사용하여 백수의 pH를 6.5~7.5 범위로 조절하였다. 이때 제타전위(Zeta potential)는 40(-mV), 탁도는 250 NTU, COD는 175 ppm 정도이다.Before the agglomeration experiment, pH of white water was adjusted to 6.5 ~ 7.5 using acid and base. At this time, the zeta potential is 40 (-mV), the turbidity is 250 NTU, and the COD is about 175 ppm.

제타전위는 Zeta-meter(ZM3+412, USA)로 측정하였고, 탁도는 Hach 사의 탁도측정기(2100 AN)로 측정하였으며, COD는 하기 수학식 3에 의해 계산하였다.The zeta potential was measured with a Zeta-meter (ZM3 + 412, USA), turbidity was measured with a turbidity meter (2100 AN) from Hach, and COD was calculated by the following equation (3).

[수학식 3]&Quot; (3) &quot;

COD(mg/L) = (b-a)×f×(1,000/V)×0.2COD (mg / L) = (b-a) x f (1,000 / V) x 0.2

(상기 수학식 3에서, a는 0.025N KMnO4 용액의 컨트롤 적정량(mL)이고, b는0.025N KMnO4 용액의 샘플 적정량(mL)이고, f는 0.025N-KMnO4 용액의 인자(Factor)이고, V는 샘플의 부피(mL)이다)
(In the equation 3, a is a control appropriate amount (mL) of 0.025N solution of KMnO 4, b is the sample an appropriate amount (mL) of 0.025N solution of KMnO 4, f is 0.025N-KMnO 4 Factor of the solution and V is the volume (mL) of the sample)

시험액 1) 음이온성 나노셀룰로오스 50 ppm 현탁액Test solution 1) Anionic nanocellulose 50 ppm suspension

비이커에 백수 200 mL와 황산알루미늄(Al2(SO4)3 18H2O) 50 ppm을 넣고, 상온에서 마그네틱 바(bar)로 200 rpm 회전속도로 5분간 교반하였다. 이어서 상기 실시예 2에서 제조된 음이온성 나노셀룰로오스 현탁액을 50 ppm 투입하고 50 rpm으로 20 분간 교반하였다. 충분히 교반한 후에 1 시간동안 방치시켜 내용물을 침전시켰고, 상층액을 취하여 탁도와 COD를 측정하였다.
200 mL of white water and 50 ppm of aluminum sulfate (Al 2 (SO 4 ) 3 18H 2 O) were added to a beaker, and the mixture was stirred at room temperature for 5 minutes at 200 rpm at a magnetic bar. Subsequently, 50 ppm of the anionic nanocellulose suspension prepared in Example 2 was added, and the mixture was stirred at 50 rpm for 20 minutes. After sufficient stirring, the mixture was allowed to stand for 1 hour to precipitate the contents. The supernatant was taken to measure turbidity and COD.

시험액 2) 음이온성 나노셀룰로오스 30 ppm 현탁액Test solution 2) Anionic nanocellulose 30 ppm suspension

상기 시험액 1의 제조과정과 동일하게 시험액으류 제조하되, 다만 음이온성 나노셀룰로오스 현탁액을 30 ppm 첨가하였다.
A test solution was prepared in the same manner as in the preparation of Test Solution 1 except that 30 ppm of anionic nanocellulose suspension was added.

시험액 3) 음이온성 나노셀룰로오스 10 ppm 현탁액Test solution 3) Anionic nanocellulose 10 ppm suspension

상기 시험액 1의 제조과정과 동일하게 시험액을 제조하되, 다만 음이온성 나노셀룰로오스 현탁액을 10 ppm 첨가하였다.
A test solution was prepared in the same manner as in the preparation of Test Solution 1 except that 10 ppm of anionic nanocellulose suspension was added.

비교시험액 1) 황산알루미늄 100 ppm 현탁액Comparative Test 1) 100 ppm aluminum sulfate suspension

상기 시험액 1의 제조과정과 동일하게 시험액을 제조하되, 다만 음이온성 나노셀룰로오스 현탁액을 첨가하지 않았고 대신에 황산알루미늄만 100 ppm 첨가하였다.
A test solution was prepared in the same manner as in the preparation of Test Solution 1 except that no anionic nanocellulose suspension was added and instead, only 100 ppm of aluminum sulfate was added.

비교시험액 2) 황산알루미늄 50 ppm과 PAM 50 ppm의 현탁액 Comparative Test 2) A suspension of 50 ppm of aluminum sulfate and 50 ppm of PAM

상기 시험액 1의 제조과정과 동일하게 시험액을 제조하되, 다만 음이온성 나노셀룰로오스 현탁액을 첨가하지 않았고 대신에 황산알루미늄 50 ppm과 상업용 양이온성 고분자 응집제 폴리아크릴아미드(PAM) 50 ppm을 첨가하였다.
A test solution was prepared in the same manner as in the preparation of Test Solution 1 except that 50 ppm of aluminum sulfate and 50 ppm of commercial cationic polymer flocculent polyacrylamide (PAM) were added instead of the anionic nanocellulose suspension.

비교시험액 3) 황산알루미늄 50 ppm과 PAM 30 ppm의 현탁액 Comparative test solution 3) A suspension of 50 ppm of aluminum sulfate and 30 ppm of PAM

상기 시험액 1의 제조과정과 동일하게 시험액을 제조하되, 다만 음이온성 나노셀룰로오스 현탁액을 첨가하지 않았고 대신에 황산알루미늄 50 ppm과 상업용 양이온성 고분자 응집제 폴리아크릴아미드(PAM) 30 ppm을 첨가하였다.
A test solution was prepared in the same manner as in the preparation of Test Solution 1 except that 50 ppm of aluminum sulfate and 30 ppm of commercial cationic polymer flocculant polyacrylamide (PAM) were added instead of the anionic nanocellulose suspension.

비교시험액 4) 황산알루미늄 50 ppm과 PAM 10 ppm의 현탁액 Comparative Test 4) A suspension of 50 ppm of aluminum sulfate and 10 ppm of PAM

상기 시험액 1의 제조과정과 동일하게 시험액을 제조하되, 다만 음이온성 나노셀룰로오스 현탁액을 첨가하지 않았고 대신에 황산알루미늄 50 ppm과 상업용 양이온성 고분자 응집제 폴리아크릴아미드 (PAM) 10 ppm을 첨가하였다.
A test solution was prepared in the same manner as in the preparation of Test Solution 1 except that 50 ppm of aluminum sulfate and 10 ppm of commercial cationic polymer flocculent polyacrylamide (PAM) were added instead of the anionic nanocellulose suspension.

하기 표 2에는 상기 시험액 1 ~ 3과 비교시험액 1 ~ 4에서 제조한 현탁액의 탁도와 COD를 측정한 결과를 정리하여 나타내었다.In Table 2, turbidity and COD of the suspensions prepared in Test Solutions 1 to 3 and Comparative Test Solutions 1 to 4 are summarized.

구분division 탁도Turbidity COD COD NTUNTU 제거율 (%)Removal rate (%) ppmppm 제거율 (%)Removal rate (%) 시료(백수)Sample (white water) 250250 00 175175 00
시험액

Test solution
1One 100100 6060 85.885.8 5151
22 118118 5353 96.396.3 4545 33 130130 4848 99.899.8 4343
비교
시험액

compare
Test solution
1One 213213 1515 166.3166.3 55
22 9090 6464 136.5136.5 2222 33 8585 6666 120.8120.8 3131 44 5555 7878 89.389.3 4949

상기 표 2의 결과에 의하면, 본 발명에서 제조한 음이온성 나노셀룰로오스 응집제는 폐지를 재활용하여 제조된 것이지만, 탁도 및 COD 값에 있어서 상용 응집제 수준에 있음을 확인할 수 있다.
According to the results shown in Table 2, the anionic nanocellulose coagulant prepared in the present invention was produced by recycling the waste paper, but it is confirmed that the turbidity and the COD value are at the level of the commercial coagulant.

Claims (8)

a)폐지를 분해하여 섬유상 슬러리를 얻는 해리단계;
b)섬유상 슬러리로부터 잉크 또는 필러가 제거된 지료를 얻는 탈묵단계;
c)지료내에 포함된 셀룰로오스를 산화제로 처리하여 산화된 셀룰로오스를 제조하는 산화단계; 및
d)산화된 셀룰로오스를 균질화하여 음이온성 나노셀룰로오스 응집제를 제조하는 균질화단계; 를 포함하며,
상기 a)해리단계는 하기 화학식 2로 표시되는 알콕시레이티드 지방산 알콜의 탈묵제를 사용하여 진행되고,
상기 c)산화단계는 과요오드산 알칼리금속염(MIO4, 이때 M은 알칼리금속원소이다) 산화제 및 하기 화학식 1로 표시되는 폴리알킬렌옥사이드 공중합체의 산화보조제를 사용하여 수행하는 1차 산화공정과, 아염소산나트륨(NaClO2) 산화제를 사용하여 수행하는 2차 산화공정으로 진행되는 것을 특징으로 하는 음이온성 나노셀룰로오스 응집제의 제조방법.
[화학식 1]
[EO]x-[PO]y
(상기 화학식 1에서, EO는 에틸렌옥사이드 반복단위이고, PO는 프로필렌옥사이드 반복단위이며, x 및 y는 각 반복단위의 몰수이고 x:y의 몰비는 10 ~ 40 : 60 ~ 90 범위를 이룬다)
[화학식 2]
[FA][EO]a[PO]b
(상기 화학식 2에서, FA는 탄소수 10 ~ 20의 지방산알콜이고, EO는 에틸렌옥사이드 반복단위이고, PO는 프로필렌옥사이드 반복단위이고, a 및 b는 지방산알콜의 수산기(OH)에 부가중합된 EO 및 PO의 몰수로서 각각 10 ~ 30의 정수이고, 이때 a:b의 몰비는 1: 0.8 ~ 1.2 범위를 이룬다)
a) a dissociation step of decomposing the waste paper to obtain a fibrous slurry;
b) deinking step of obtaining a stock from which the ink or filler has been removed from the fibrous slurry;
c) an oxidation step of treating the cellulose contained in the stock with an oxidizing agent to produce oxidized cellulose; And
d) homogenizing the oxidized cellulose to produce an anionic nano-cellulose flocculant; / RTI &gt;
The dissociation step a) is carried out using a deinking agent of an alkoxylated fatty acid alcohol represented by the following formula 2,
(C) the oxidation step is carried out using a primary oxidation step carried out using an oxidizing agent of an alkali metal iodate (MIO 4 , where M is an alkali metal element) oxidizing agent and a polyalkylene oxide copolymer represented by the following formula , Sodium hypochlorite (NaClO 2 ), and the like. The method for producing an anionic nano-cellulose flocculant according to claim 1,
[Chemical Formula 1]
[EO] x - [PO] y
(Wherein EO is ethylene oxide repeating unit, PO is propylene oxide repeating unit, x and y are the number of moles of each repeating unit, and the mole ratio of x: y is in the range of 10 to 40: 60 to 90)
(2)
[FA] [EO] a [PO] b
(Wherein FA is a fatty acid alcohol having 10 to 20 carbon atoms, EO is an ethylene oxide repeating unit, PO is a propylene oxide repeating unit, a and b are EO obtained by addition-polymerizing a hydroxyl group (OH) The number of moles of PO is an integer of 10 to 30, respectively, wherein the molar ratio of a: b is in the range of 1: 0.8 to 1.2)
삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 a)해리단계에서는 셀룰라아제(cellulase) 및 자일란아제(xylanase)로 이루어진 군으로부터 선택된 효소를 더 첨가하는 것을 특징으로 하는 음이온성 나노셀룰로오스 응집제의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein an enzyme selected from the group consisting of cellulase and xylanase is further added in the dissociation step a).
제 1 항에 있어서,
상기 c)산화단계에서 제조된 산화된 셀룰로오스 섬유는 카르복시산기가 섬유중량 대비하여 1.3 ~ 1.5 mmol/g 결합된 것을 특징으로 하는 음이온성 나노셀룰로오스 응집제의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the oxidized cellulosic fibers produced in the step (c) are bonded with the carboxylic acid groups in an amount of 1.3 to 1.5 mmol / g based on the weight of the fibers.
제 1 항에 있어서,
상기 c)산화단계의 1차 산화공정은 30 ~ 70℃ 온도에서 수행하는 것을 특징으로 하는 음이온성 나노셀룰로오스 응집제의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the c) oxidation step is carried out at a temperature of 30 to 70 ° C.
제 1 항에 있어서,
상기 c)산화단계의 1차 산화공정에서는 지료 100 중량부(고형분 함량)를 기준으로 과요오드산 알칼리금속염의 산화제 100 ~ 200 중량부 및 상기 화학식 1로 표시되는 폴리알킬렌옥사이드 공중합체의 산화보조제 1 ~ 5 중량부를 사용하는 것을 특징으로 하는 음이온성 나노셀룰로오스 응집제의 제조방법.
The method according to claim 1,
(C) 100 to 200 parts by weight of an oxidizing agent of an alkali metal iodate based on 100 parts by weight (solids content) of the ground material in the primary oxidation step of the oxidation step, and the oxidizing auxiliary of the polyalkylene oxide copolymer 1 to 5 parts by weight of anionic nano-cellulose.
제 1 항 또는 제 6 항에 있어서,
상기 화학식 1로 표시되는 폴리알킬렌옥사이드 공중합체의 중량평균분자량이 2,000 ~ 3,000 g/mol 범위인 것을 특징으로 하는 음이온성 나노셀룰로오스 응집제의 제조방법.
7. The method according to claim 1 or 6,
Wherein the weight average molecular weight of the polyalkylene oxide copolymer represented by Formula 1 is in the range of 2,000 to 3,000 g / mol. &Lt; RTI ID = 0.0 &gt; 1. &lt; / RTI &gt;
제 1 항에 있어서,
상기 c)산화단계의 2차 산화공정은 pH 4 ~ 6 조건에서 수행하는 것을 특징으로 하는 음이온성 나노셀룰로오스 응집제의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the step c) is performed at a pH of from 4 to 6, and the second oxidation step of the oxidation step is carried out at a pH of from 4 to 6. The method for producing an anionic nano-
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