Μελέτη Αλληλεπιδράσεως Υποστρώματος και Μελάνης κατά την Απομελάνωση

Abstract

Η αρχική εκτίμηση πως η καθολική κυριαρχία της ψηφιακής τεχνολογίας θα οδηγούσε στη μείωση της κατανάλωσης του χαρτιού δεν επιβεβαιώνεται έως σήμερα. Το 2015 παρήχθησαν 407,6 εκατομμύρια τόνοι προϊόντων χάρτου, παγκοσμίως, με την Ασία να κατέχει το μεγαλύτερο ποσοστό. Από την ποσότητα αυτή, περίπου, το 40 % αποτελούν τα χαρτιά γραφής και εκτύπωσης. Εντούτοις, ο βαθμός αξιοποίησης αυτών των χρησιμοποιημένων χαρτιών (Office Waste Paper) από τη βιομηχανία ανακύκλωσης χάρτου είναι πάρα πολύ χαμηλός. Ένας από τους βασικότερους λόγους στους οποίους οφείλεται το φαινόμενο αυτό είναι η μικρή αποτελεσματικότητα απομελάνωσης που παρουσιάζει η διεργασία της επίπλευσης όταν τροφοδοτείται με χαρτιά που έχουν τυπωθεί σε φωτοαντιγραφικά μηχανήματα και σε εκτυπωτές laser. Η παρούσα διδακτορική διατριβή έχει ως στόχο να προσδιορίσει τις παραμέτρους που επιδρούν στη δυσχέρεια της απομελάνωσης των χαρτιών που συνιστούν απορρίμματα γραφείου και να μελετήσει φιλικές προς το περιβάλλον μεθόδους απομελάνωσης, όπως την αξιοποίηση επιλεγμένων ενζύμων. Αποτελείται από τέσσερις ερευνητικούς κύκλους: Α’. προκαταρκτικά πειράματα και βασικός έλεγχος της επίδρασης του υποστρώματος και της μελάνης στην απομελάνωση χαρτιών γραφείου, Β’. μελέτη της αποτελεσματικότητας απομελάνωσης χαρτιών τυπωμένων σε φωτοαντιγραφικά μηχανήματα και εκτυπωτές laser, Γ’. μελέτη και αξιολόγηση της επίδρασης της θερμοκρασίας, της περιεκτικότητας και του χρόνου πολτοποίησης στην απομελανωσιμότητα χαρτιών τυπωμένων στο ίδιο φωτοαντιγραφικό μηχάνημα, και Δ’. εξέταση της συμβολής των ενζύμων στην απομελάνωση χαρτιών που συνιστούν απορρίμματα γραφείου. Κατά τον Α’ ερευνητικό κύκλο, διαπιστώθηκε πως η απόδοση της επίπλευσης, με την πιλοτική μονάδα που χρησιμοποιήθηκε, κυμαίνεται από 75 έως 80 % κ.β. Το υπόστρωμα δε φάνηκε να διαδραματίζει αξιοσημείωτο ρόλο στην απομελανωσιμότητα των χαρτιών που συνιστούν απορρίμματα γραφείου. Αντίθετα, παρατηρήθηκε σημαντική διαφοροποίηση της απομελανωσιμότητας αναλόγως του toner και του φωτοαντιγραφικού μηχανήματος. Η επίδραση αυτών στην αποτελεσματικότητα απομελάνωσης μελετήθηκε διεξοδικά στην Β’ ερευνητικό κύκλο. Κατά τον Β’ ερευνητικό κύκλο, επιτεύχθηκε η συλλογή από 21 μηχανήματα εκτύπωσης πλήθους διαφορετικών εμπορικών οίκων (ο μισός αριθμός αυτών ήταν εκτυπωτές laser και ο άλλος μισός φωτοαντιγραφικά μηχανήματα) ικανοποιητικού εύρους διαφορετικών χαρακτηριστικών. Επί παραδείγματι, οι ταχύτητες των μηχανημάτων κυμαινόταν από 8 σελίδες το λεπτό (ppm) έως 90 σελίδες το λεπτό (ppm). Αρκετά toner περιείχαν συμπολυμερή στυρενίου-ακρυλικού και αρκετά πολυεστερική ρητίνη, ενώ ορισμένα από αυτά περιείχαν και οξείδια σιδήρου. Σε μία σειρά δοκιμών Θερμιδομετρίας Διαφορικής Σάρωσης παρατηρήθηκε πως όλα τα ξηρογραφικά μελάνια παρουσίασαν παρόμοιο θερμιδομετρικό αποτύπωμα στο θερμοκρασιακό εύρος από 100 έως 150 °C, όπου εμφανίζεται το σημείο μαλάκυνσής τους (softening point). Στο πλαίσιο του συγκεκριμένου ερευνητικού κύκλου αποδείχθηκε η σημαντικά διαφορετική απομελανωσιμότητα που παρουσιάζουν χαρτιά τυπωμένα σε διαφορετικά φωτοαντιγραφικά μηχανήματα και εκτυπωτές laser. Οι κυριότερες περιπτώσεις μη απομελανωσιμότητας εστιάζονται στα ξηρογραφικά μελάνια που περιέχουν συμπολυμερή στυρενίου-ακρυλικού και οξείδια σιδήρου. Η χαμηλή ταχύτητα τύπωσης συχνά συνοδεύει τις συγκεκριμένες περιπτώσεις και θεωρείται ένας επιπλέον παράγοντας που οδηγεί σε δυσκολίες απομελάνωσης. Οι εν λόγω περιπτώσεις οδηγούν στο σχηματισμό, κατά την πολτοποίηση, μεγάλων σωματιδίων μελανιού, τα οποία συχνά εγκλωβίζουν ίνες χαρτιού, με αποτέλεσμα η επίπλευση των συσσωματωμάτων αυτών να καθίσταται απίθανη. Επομένως, στις περιπτώσεις αυτές, τα απομελανωμένα χαρτιά παρουσιάζουν πλήθος ορατών μαύρων στιγμάτων (specks) που κατέχουν αθροιστικά συνολική επιφάνεια συχνά άνω των 1000 mm2/m2 χαρτιού. Σε αντίθεση, μερικές από τις περιπτώσεις που μελετήθηκαν παρουσίασαν στα απομελανωμένα χαρτιά πολύ μικρή συνολική επιφάνεια στιγμάτων, η οποία έφτανε και κάτω των 100 mm2/m2. Οι εν λόγω περιπτώσεις αφορούσαν κυρίως toner που περιείχαν πολυεστερική ρητίνη ενώ, οπωσδήποτε, απουσίαζαν οξείδια σιδήρου. Η απομελανωσιμότητα των συγκεκριμένων περιπτώσεων κρίνεται ιδιαιτέρως ικανοποιητική ειδικά αν ληφθεί υπ’ όψιν πως οι δοκιμές πραγματοποιήθηκαν σε πολύ ήπιες συνθήκες πολτοποίησης και χωρίς την προσθήκη βοηθητικών χημικών αντιδραστηρίων. Σε ότι αφορά το βαθμό ανάκλασης (brightness), η τιμή του οποίου συνιστά μία ικανοποιητική ένδειξη της λευκότητας, δεν παρατηρήθηκαν πολύ σημαντικές διαφοροποιήσεις μεταξύ των περιπτώσεων που μελετήθηκαν. Συγκεκριμένα η τιμή του βαθμού ανάκλασης των απομελανωμένων χαρτιών κυμάνθηκε από 88 έως 93 %. Στην περίπτωση των «τυφλών» δοκιμών (όπου η πρώτη ύλη ήταν ατύπωτο χαρτί) η αντίστοιχη τιμή ήταν περίπου 94 %, γεγονός που υποδεικνύει πως σχεδόν όλα τα απομελανωμένα χαρτιά παρουσιάζουν πολύ υψηλή λευκότητα. Αυτό συνεπάγεται την αμελητέα ύπαρξη αόρατων σωματιδίων μελανιού στα απομελανωμένα χαρτιά. Κατά τον Γ’ ερευνητικό κύκλο, διαπιστώθηκε ότι οι οπτικές ιδιότητες των παραγόμενων φύλλων χαρτιού διαφοροποιούνται, ανάλογα με τις επικρατούσες κάθε φορά συνθήκες της πολτοποίησης. Η αύξηση ξεχωριστά της θερμοκρασίας (από 40 σε 60 °C), του χρόνου (από 20 σε 40 min) και της περιεκτικότητας πολτοποίησης (από 4,5 σε 7,5 %), ή σε συνδυασμό μεταξύ τους, επέφερε τη μείωση της επιφάνειας των στιγμάτων των παραγόμενων φύλλων χαρτιού. Η μεγαλύτερη αποτελεσματικότητα παρατηρήθηκε κατά την περίπτωση της «υψηλής» τιμής και των τριών παραγόντων (ΘΧΠ), οπότε επιτεύχθηκε ποσοστό μείωσης συνολικής επιφάνειας στιγμάτων 98,4 %, ενώ στην περίπτωση των «χαμηλών» τους τιμών (θχπ) διαπιστώθηκε αντίστοιχη μείωση κατά 91,1 %. Η παράμετρος με την μεγαλύτερη θετική επίδραση στην αποτελεσματικότητα απομελάνωσης φάνηκε πως ήταν η περιεκτικότητα της πολτοποίησης, ενώ η παράμετρος της θερμοκρασίας είχε μικρότερη επίδραση. Γενικά διαπιστώθηκε πως η αύξηση της έντασης των συνθηκών πολτοποίησης οδηγεί σε κατάτμηση των σωματιδίων μελανιού σε μέγεθος καταλληλότερο για την απομάκρυνσή τους από το αιώρημα ινών μέσω της μεθόδου της επίπλευσης. Κατά τον Δ’ ερευνητικό κύκλο, διαπιστώθηκε πως οι δοκιμές απομελάνωσης με τη χρήση ενζύμων (Accellerase 1500, Novozymes 342, Cellusoft CR, Cellusoft AP και Cellusoft L.) παρουσιάζουν καλύτερα αποτελέσματα σε σύγκριση με τις αντίστοιχες στις οποίες τα ένζυμα είχαν προηγουμένως απενεργοποιηθεί. Εξαίρεση αποτελεί η περίπτωση των δοκιμών εκείνων στις οποίες χρησιμοποιήθηκε το ενζυμικό σκεύασμα Novozymes 342. Στην περίπτωση αυτή οι «τυφλές» δοκιμές απομελάνωσης παρουσίασαν μικρότερη μέση τιμή επιφάνειας στιγμάτων στο απομελανωμένο χαρτί από ότι οι αντίστοιχες δοκιμές ενζυμικής απομελάνωσης. Ακόμη, διαπιστώθηκε πως μόνο μία περίπτωση ενζυμικής απομελάνωσης (αυτή στην οποία χρησιμοποιήθηκε το ενζυμικό σκεύασμα Cellusoft CR) παρουσίασε καλύτερη αποτελεσματικότητα στην απομάκρυνση μελανιών σε σχέση με εκείνες τις δοκιμές κατά τις οποίες δεν πραγματοποιήθηκε το στάδιο της ενζυμικής επεξεργασίας (δοκιμές μη ενζυμικής απομελάνωσης). Οι δύο προαναφερθείσες διαπιστώσεις οδηγούν στο συμπέρασμα πως για τις συγκεκριμένες συνθήκες (θερμοκρασίας, τιμής pH, χρόνου) ενζυμικής επεξεργασίας η χρήση ενζύμου οδηγεί σε αποτελεσματικότερη απομελάνωση αλλά, παράλληλα, η εφαρμογή των συνθηκών αυτών επιδρά στην επίπλευση και δύναται να οδηγήσει σε χαμηλότερα επίπεδα απομελανωσιμότητας σε σχέση με τις περιπτώσεις εκείνες κατά τις οποίες δεν χρησιμοποιείται η ενζυμική επεξεργασία. Όλα τα ενζυμικά σκευάσματα που οδήγησαν σε χαμηλότερη αποτελεσματικότητα απομελάνωσης μέσω της επίπλευσης, σε σχέση με την περίπτωση που δεν υπήρχε το στάδιο της ενζυμικής επεξεργασίας, δρούσαν ιδανικά σε όξινες περιοχές του pΗ, ενώ, αντίθετα, η περίπτωση ενζυμικής επεξεργασίας που παρουσίασε βελτιωμένη απομελανωσιμότητα απαιτούσε ελαφρώς αλκαλικές συνθήκες. Φαίνεται, λοιπόν, πως οι όξινες συνθήκες ενζυμικής επεξεργασίας δυσχεραίνουν την αποτελεσματικότητα της επίπλευσης, πιθανώς, γιατί μειώνεται η ποσότητα των περιεχομένων ανόργανων προσθέτων. Η προσθήκη νιτρικού οξέος στο στάδιο της ενζυμικής επεξεργασίας οδηγεί σε μείωση της ποσότητας των ανόργανων πληρωτικών υλικών (κυρίως ανθρακικού ασβεστίου) που υπάρχουν στο χαρτοπολτό. Η ύπαρξη ανόργανων πληρωτικών υλικών στο αιώρημα των ινών κατά το στάδιο της επίπλευσης φαίνεται να υποβοηθά την απομάκρυνση των μελανιών. Επίσης, η ύπαρξη ανόργανων πληρωτικών υλικών στο χαρτί που παράγεται μετά την απομελάνωση οδηγεί σε αύξηση της λευκότητάς του. Το γεγονός αυτό οφείλεται αφενός στην αυξημένη λευκότητα των πληρωτικών υλικών και αφετέρου στο ότι η ύπαρξη αυτών στο χαρτί βελτιώνει την επιπεδότητά του. Εν κατακλείδι, το σημαντικό ζήτημα, για τις χαρτοβιομηχανίες της απομελάνωσης χαρτιών γραφείου φαίνεται πως πρέπει να τεθεί σε μία νέα βάση, σύμφωνα με την οποία να αίρεται η τακτική της κοινής αντιμετώπισης των διαφορετικών κλασμάτων παλαιόχαρτου που είναι τυπωμένα με ξηρογραφικά μελάνια, αφού τα κλάσματα αυτά παρουσιάζουν σημαντικά διαφορετικά χαρακτηριστικά ως προς την απομελανωσιμότητά τους. Η συνεργασία των βιομηχανιών αυτών με τις βιομηχανίες κατασκευής φωτοαντιγραφικών μηχανημάτων και μελανιών toner θα μπορούσε να οδηγήσει στην εφαρμογή κανόνων μέσω των οποίων τα χαρτιά που χαρακτηρίζονται ως απορρίμματα γραφείου να εμφανίζουν υψηλή απομελανωσιμότητα, ακόμη και με ήπιες συνθήκες πολτοποίησης, και έτσι να μπορούν να αξιοποιηθούν ως πρώτη ύλη για ανακυκλωμένα χαρτιά υψηλής ποιότητας. Όσον αφορά τη δυνατότητα αξιοποίησης των ενζύμων στην απομελάνωση των χαρτιών προτείνεται η συνέχιση της έρευνας να επικεντρωθεί σε ενζυμικά σκευάσματα που λειτουργούν βέλτιστα σε αλκαλικές συνθήκες και να περιλάβει και άλλα είδη χαρτιών τυπωμένων με την ξηρογραφική μέθοδο (χαρτιών τυπωμένων σε διαφορετικά φωτοαντιγραφικά μηχανήματα και εκτυπωτές laser). Επίσης, προτείνεται ο έλεγχος της επίδρασης της ποσότητας των ενζυμικών σκευασμάτων στην απομελανωσιμότητα των χαρτιών καθώς και η μελέτη της μεταβολής των μηχανικών αντοχών των τελευταίων.