III. Ulusal Karadeniz Ormancılık Kongresi 20-22 Mayıs 2010 Cilt: V Sayfa: 1934-1942 ATIK KAĞITLARIN YENİDEN DEĞERLENDİRİLMESİNDE MÜREKKEP GİDERME ETKİNLİĞİNİ ÖLÇMEK İÇİN KULLANILAN YÖNTEMLER VE BU YÖNTEMLERİN KARŞILAŞTIRILMASI Emrah PEŞMAN 1, Sami İMAMOĞLU 1, Hüseyin KIRCI 2 1 Artvin Çoruh Üniversitesi, Orman Fakültesi, Orman Endüstrisi Mühendisliği, epn3@gmail.com, imamoglusami@gmail.com 2 Karadeniz Teknik Üniversitesi, Orman Fakültesi, Lif ve Kağıt Teknolojisi, hkirci@ktu.edu.tr ÖZET Son yıllarda azalan kaynaklar karşısında atık kağıtların mürekkebinin uzaklaştırılarak yeniden değerlendirilmesi oldukça önem kazanmıştır. Gelişen teknolojiler ile birlikte mürekkep giderme etkinliğini ölçmek için bir çok yeni yöntem geliştirilmiştir. Mürekkep giderme etkinliğini ölçmek için kullanılan her yöntem her atık kağıt ve mürekkep tipine uygun olmamakla birlikte tek bir yöntemle elde edilen sonuçlarda doğru sonucu vermeyebilmektedir. Hazırlanan bu çalışma kapsamında mevcut yöntemlerin açıklamaları ve mürekkep giderme işlemine uğratılmış hamurlardan elde edilen hamur pedi ve test kağıtlarından 0nm ve 9nm dalga boyunda ölçülen mürekkep giderme etkinliği (IE 0 ve IE 9 ) ve parlaklık değerleri karşılaştırılmıştır. Ayrıca hamur içerisinde kalan efektif mürekkep miktarı da (ERIC) belirlenmiştir. Anahtar kelimler: ISO parlaklığı, Mürekkep giderme etkinliği, ERIC MESUREMENT METHODS OF REMOVED INK QUANTITY FROM RECYCLED PULP AND COMPARISION OF THESE METHODS ABSTRACT At the recent day exciting raw materials increase the importance of recycling and deinking of waste paper. In this respect with flourishing technologies new mesurement methods for removed ink quantity from waste paper were designed. But all mesurement methods not suitable for all waste paper grade and sometimes not adequate for individual usage. In this study the explanations of these deinking mesurement methods and comparision of IE0, IE9 and ISO Brightness of deinked pulp ped and paper were investigated. Also residual ink concentration of deinked pulp was determined. Keywords: ISO Brightness, Ink Elimination, ERIC 1. GİRİŞ Atık kağıtların yeniden değerlendirilmesinde önemli bir proses olan mürekkep giderme işleminin etkinliğini belirlemek için bir çok yöntem mevcuttur fakat mürekkep uzaklaştırma işlemi de bir çok parametreden etkilenmektedir. Bu parametreler ortama ilave edilen kimyasallar, ortam koşulları, yüzdürme işlemi kullanılacak ise kabarcık boyutu, kullanılan atık kağıdın türü, uzaklaştırılacak mürekkebin türü ve baskı yöntemi, yüzdürme hücresi tasarımı, işlem süresi, kullanılan suyun mineral yapısı ve bunun gibi çoğaltabileceğimiz etkenlerdir. Örneğin ortamda kalsiyum iyonlarının fazlaca bulunması mürekkep uzaklaştırma etkinliğini arttırırken ortamın zeta potansiyelinin manyetikliğini azaltmasından dolayı hamur verimini azaltmaktadır(schwinger ve Dobias, 1991). Yine aynı şekilde kullanılan atık kağıt türüne göre felexografik baskılı bir atık kağıtla toner baskılı bir atık kağıdın mürekkebinin uzaklaştırılmasında farklı oranlar ve sonuçlar ortaya 1934
çıkacaktır(carre vd, 2000). Bu yüzden çoğu zaman tek bir yöntem mürekkep giderme etkinliğini belirlemede yeterli olamamaktadır. En uygun koşulların belirlenebilmesi için bir çok parametrenin birlikte irdelenmesi gereklidir. Bu parametreler genel olarak temizlenen hamurun verimi, uzaklaştırılan çamur miktarı, çamurun içerdiği organik ve inorganik madde miktarları, süzüntüye geçen katı miktarları, hamurun parlaklık ve renk değerleri gibi optik özellikleri, hamur içerisindeki kalıntı mürekkep miktarı ve kağıtta yapılan leke analiz değerleridir. Çalışma kapsamında hamurdaki kalıntı mürekkep miktarını belirlemede kullanılan bazı yöntemler hakkında genel bilgiler derlenmiş ve test kağıdı ile hamur pedi üzerinden yapılan ölçümlerin karşılaştırması yapılmıştır. 1.1. Mürekkep Giderme Etkinliğini Ölçme Yöntemleri 1.1.1. ISO parlaklığı Kağıt hamurunun parlaklığı direkt hamurdan bühner hunisi ile süzgeç kağıdı üzerine hazırlanan hamur pedi veya test kağıdı makinesi ile oluşturulan kağıt üzerinden gerçekleştirilmektedir. Kağıt ve pedlerin parlaklıkları ISO 24-1977 (E) standardı esas alınarak ölçülmektedir. Parlaklık değeri bilindiği gibi mavi ışığı temsil eden 457nm dalga boyunda ölçülen reflektans değerine göre belirlenmektedir. Mürekkep giderme etkinliği açısından düşündüğümüzde hamur içerisinden renginin koyulaşmasına neden olan mürekkebin ayrıştırılması ile doğal olarak renk açılması ve parlaklık artışı olacaktır. Bu yüzden mürekkep giderme etkinliği açısından ilk akla gelen yöntemlerden biri hamur parlaklığıdır. Bununla birlikte hamur parlaklığının artmış olması her zaman mürekkebin etkin bir şekilde uzaklaştırılabildiği anlamına gelmez. Çünkü mürekkep giderme işleminde ortama ilave edilen alkalinin koyulaştırıcı etkisini azaltması için eklenen ağartıcılar hamurun rengini açmaktadır. Bu durum sadece parlaklık artışıyla değerlendirme yapmamız durumunda yüzdürme işlemi sırasında veya ilave edilen kimyasal madde oranlarında yapılabilecek hataları görmemizi engelliyecektir. Çalışma kapsamında incelediğimiz konulardan biriside test kağıdı üzerinden ölçülen parlaklıklar ile filtre kağıdı üzerine hazırlanan ped üzerinden ölçülen parlaklıkların karşılaştırılmasıdır. 1.1.2. Mürekkep giderme etkinliği (IE) INGEDE test metod 2 ye göre IE 0 yani 0 nm dalga boyunda ölçülen mürekkep giderme etkinliği (Ink Elimination) test kağıdı ve hamur pedi üzerinden ölçülmektedir. Aynı zamanda mevcut ekipman olduğu sürece IE 0 yerine 9 nm dalga boyunda ölçülen IE9 de kullanılabilir. Bu yöntemde özellikle 9 nm yani infrared alanın seçilmesinin nedeni mürekkebin absorbans değerinin en baskın olduğu dalga boyu olmasıdır. 0nm de de mürekkep absorbansı baskındır fakat 9 nm de olduğu kadar değildir. Mürekkepli hamur ve hiç mürekkep içermeyen hamurun bu dalga boylarındaki reflektans değerleri biliniyorsa, işlem gören hamurun reflektansı ile aşağıdaki formül yardımı ile mürekkep giderme etkinliği % olarak hesaplanabilir. Çalışma kapsamında hem IE 0 hem de IE 9 değerleri kağıt ve ped üzerinden ölçülmüş ve sonuçları karşılaştırılmıştır. IE 9 (%) 1935
IE 9 : 9nm Dalga Boyunda Ölçülen Mürekkep Giderme Etkinliği R,UP :Mürekkebi Giderilmemiş Hamurun 9nm Dalga Boyundaki Reflektansı R,DP :Mürekkebi Giderilmiş Hamurun 9nm Dalga Boyundaki Reflektansı R,unpr :Baskı Yapılmamış Kâğıttan Elde Edilen Hamurun 9nm Dalga Boyundaki Reflektansı Değeri bazı durumlarda, özellikle baskı yapılmamış kağıt hamurunun temin edilemediği durumlarda Sıfır olarak kabul edilmektedir. 1.1.3. Efektif kalıntı mürekkep konsantrasyonunu (ERIC) Daha önceden de belirtildiği gibi 9nm dalga boyu yanı kızıl ötesi alanlarda mürekkebin absorbans değeri kağıt hamurunun içerebileceği tüm bileşenlere göre daha baskındır. Bu durumda mürekkebin absorbans değeri biliniyorsa 9nm dalga boyunda Tappi T567 Standardında belirtildiği gibi kağıt üzerinden ölçüm yapabilen bir spektrofotometre ile işlem gören hamurun içerdiği kalıntı mürekkep miktarı aşağıdaki formüller yardımı ile ppm veya m 2 /kg olarak belirlenebilir. ERIC=(k kağıt / k mürekkep ).10 6 k kağıt k mürekkep : Test kağıdının 9nm dalga boyundaki ışık absorbsiyon katsayısı. : Mürekkebin 9nm dalga boyundaki ışık absorbsiyon katsayısı. Bu değer genellikle 10.000 m 2 /kg olarak sabit alınır. Işık absorbsiyon katsayısı ise kubelka-munk teoremine göre aşağıdaki gibi hesaplanır; k = Absorbsiyon katsaysı s = Işık dağıtma katsayısı R = Kağıdın 9 nm dalga boyundaki reflektansı (üst üste konulmuş kağıtlar üzerinden ölçülür). R 0 = Kağıdın 9 nm dalga boyunda altına siyah bir yüzey konularak ölçülen reflektansı. w = Kağıdın gramajı Bu yöntem kağıdın içeriğinde bulunan 10 mikronun altındaki mürekkep parçacıklarının ölçümüne uygundur. Daha sonra işlenecek olan görüntü analiz yöntemi ise 5 mikron ve üzerindeki mürekkep parçacıklarının belirlenmesine uygundur. 1936
1.1.4. Görüntü Analiz veya Leke Analiz Yöntemleri ile Mürekkep Parçacıklarının Boyutlarına Göre Belirlenmesi Tappi T 537 standardı aslında T 213 standardının geliştirilmiş versiyonudur. Aradaki fark teknolojik açıdan gelişen tarayıcı teknolojisinin ve geliştirilen yazılımlar ile yine ortak olan aşağıdaki leke tablosuna göre belli bir alandaki lekenin boyut ve sayısına göre sınıflandırılmasıdır. Bu yöntemde 0 dan 2 ye kadar olan gri-beyaz alandan yararlanılmaktadır. Tarayıcı aletin çözünürlügü belirli ise inç başına düşen piksellerin grilik değerleri program tarafından belirlenir ve birbirine yakın değerler birleştirilerek lekenin boyutu ve sayısı hesaplanır. Şekil 1. Tappi test methodunda yer alan leke belirleme çizelgesi 1.1.5. Kağıdın Renk Değerlerinin (L*a*b*) Belirlenmesi Kağıdın renk değerleri yani CIE L*a*b* değerleri de bazı durumlarda mürekkep giderme ölçütü olarak kullanılabilmektedir. Özellikle kırmızı ve yeşil renkleri belirten a* değerinde önemli ölçüde mürekkep giderildiğinde dramatik değişimler olmaktadır. b* değeri ise sarı ve mavi renkleri belirtir değer pozitif ise sarı rengi negatif ise mavi rengi belirtir. Genelde mürekkep giderme işlemi ile sarılık değeri artmaktadır. Bunun nedeni aslında kağıdın griliğinin azalmasıdır. Ayrıca bilindiği gibi atık kağıtların işlenmesi sırasında kullanılan sodyum hidroksitin hamuru sarartma etkisi mevcuttur bu durumun kontrolü açısından da b* değerinin ölçülmesi kağıtçılık açısından önemlidir. 2. YÖNTEM 2.1. Hammadde Bu çalışmada hammadde olarak; DPC Trabzon tesislerinden elde edilen 31 Mart 2007 tarihli gazete kağıtları (VATAN) ve 27 Ocak 2007 baskı tarihli magazin (BORSA) dergisi kullanılmıştır. Yapılacak çalışmaların karşılaştırılabilirliliği için kullanılacak hammaddenin aynı özellikte olmasına ve eşit baskıyı içermesine özen gösterilmiştir. Her bir deney için %80 i gazete kağıdı ve %20 si magazin kağıdından oluşan tam kuru ağırlığı 1937
100g olan örnekler kullanılmıştır. Deneyde kullanılan örnekler yaklaşık 2x3 cm olacak şekilde elde kırpılmıştır. 2.2. Mürekkep Giderme İşlemine Uğratılacak Hamurların Hazırlanması Hamurlaştırma işlemi için lif kesilmesine neden olmayan laboratuar tipi hamurlaştırıcı(pulper) kullanılmıştır. Hamurlaştırma şartları aşağıda belirtilmiştir; Atık Kağıt Konsantrasyonu :%7 Gazete-Magazin Kağıdı Oranı :%80-%20 İşlem Süresi :10 dakika NaOH oranı :%0, %0,25, %0,, %0,75 ve %1,00 Sodyum silikat :%1 Hidrojen peroksit* :%0, %0,25,%0,5, %0,75 ve %1,00 (Aktif oksijen cinsinden) EDTA :%0,2 Sıcaklık :45- C Olinor Ticari Sabun :%1,00 2.3. Yüzdürme İşlemi (Flotation) Yüzdürme işleminde atık kağıtlardan elde edilen 100g lık kağıt hamurları kullanılmıştır. Hamurlaştırma kademesinden sonra hamurlar direkt yüzdürme hücresine alınmış ve konsantrasyon %1 olacak şekilde ayarlanmıştır. Aşağıda yüzdürme hücresi koşulları verilmiştir. Konsantrasyon : %1 Sıcaklık : 45- C İşlem Süresi : 10 dakika Karıştırıcı Devir Hızı : 10 m/dak CaCl 2 miktarı : 0,003 mol/l 2.4. Optik Özelliklerin Belirlenmesi Kağıt pedleri INGEDE Test Method 1 in 4.1.1 maddesine göre, test kağıtları Tappi Standardı esas alınarak hazırlanmıştır. Deneme kağıtları ve hamur pedlerinin parlaklık değerleri ISO 24-1977 (E) standardı esas alınarak Minolta CM-2600d Spectrofotometresinde belirlenmiştir. 9 nm ve 0nm dalga boyundaki reflektans değerlerinin ölçümü için laboratuar bünyemizde bulunan Specord 40 UV-VIS-NIR spectrofotometresi ve bu alete uygun kağıt üzerinden ölçüme olanak veren integrated sphere kullanan diffuse reflektans ekipmanı kullanılmıştır. Okutulan değerlere referans olarak sonuçların daha karşılaştırılabilir olması için parlaklık ölçümleri için kullandığımız Minolta cm 2006 spektrofotometresinin beyaz standardı kullanılmıştır. Ölçümler Tappi T 567 cm-97 ye göre ölçülmüş ve rapor edilmiştir. Mürekkep giderme etkinliği IE 9 ve IE 0 değerleri INGEDE test metod 2 ye göre ölçülmüş ve rapor edilmiştir. 3. BULGULAR ve DEĞERLENDİRME Yapılan bu çalışmada mürekkep giderme işlemi için yaptığımız uygulamaların etkinliğini ölçme amacıyla kullanılan bazı yöntemlerin karşılaştırılması yapılmıştır. Karşılaştırma, ilgi standartlara göre süzgeç kağıdı üzerinde oluşturulan hamur pedi ve test 1938
60 ISO Parlaklığı, % 40 51,1,0 42,6 44,5 55,0 52,8 53,2 53,5 54,4 54,3 53,2 53,5 53,7 54,7 52,9 53,1 53,1 54,0 53,8 54,8 52,1 52,0 47,3 49,7,1 46,9 51,5 52,3 49,3,0 46,3 48,0 48,5,3,8 48,1 47,3 46,7 49,9 51,0 ISO Parlaklığı PED ISO Parlaklığı Kağıt 30 0 5 10 15 20 Deney no Şekil 2. Yapılan işlemlerin, kağıt ve ped üzerinden ölçülen ISO parlaklığı değerine etkisi kağıdı makinesi üzerinde hazırlanan deneme kağıtları üzerinden yapılmıştır. Şeki 2 de 1 den 20 ye kadar gerçekleştirilen deneylere ait parlaklık değerleri görülmektedir. Bilindiği gibi ISO parlaklığı mürekkep uzaklaştıkça artmaktadır. Grafik incelendiğinde kağıt üzerinden ölçülen sonuçların daha yüksek çıktığı görülmektedir. Bunun nedeni test makinesinde kağıt oluşturulurken mürekkebin bir kısmının ortamdan yıkanarak uzaklaşmasıdır. Bu durum mürekkebin olmadığı durumlarda dolgu maddesi kaybı olarak tam tersi bir durum olarak karşımıza çıkmaktadır. Şekil 3 ve 4 te ise mürekkep giderme etkinliği olan IE değerlerine ait sonuçlar görülmektedir. Parlaklıktaki durumun tersine sonuçlar elde edildiği görülmektedir. INGEDE test metotlarının önerdiği şekilde ped üzerinden yapılan ölçümlerde deney 20 için mürekkep giderme etkinliği %86 olarak hesaplanırken, Test kağıdı ile hesaplanan sonuçlar %74 ü göstermektedir. Bu durumda kağıt içerisinde daha az oranda mürekkep olacağı düşünülürse IE değerinin daha yüksek çıkması gerektiği düşünülebilir. Fakat dikkat edilmesi gereken husus kontrol hamurları olan işlem görmemiş mürekkepli hamur ve baskı yapılmamış hamurun reflektans değerlerinin de işleme katıldığıdır. İşlem görmeyen mürekkepli hamur pedi için 9 nm dalga boyundaki reflektans %49,35 iken test kağıdında %64,32 olarak tespit edilmiştir. Aynı zamanda test metodu 0nm dalga boyunda veya mürekkebin absorbansının daha baskın olduğu 9nm dalga boyunda hesaplanmıştır. Mürekkep giderme etkinliği açısından iki dalga boyu karşılaştırıldığında arada önemli bir fark olmamasına karşın yaklaşık %1 lik bir fark oluşmaktadır. Şekil 5 te ise tappi standardına göre test kağıdı üzerinden 9 nm dalga boyundaki absorbans değerinden faydalanılarak hesaplanan ERIC değerine ait sonuçlar görülmektedir. ERIC değerinde mürekkebin absorbansının en baskın olduğu dalga boyunda ölçülen R ve R 0 değerlerinden hesaplanan k (absorbsiyon katsayısı) ve s (ışık dağıtma katsayısı) kullanılarak hamurdan elde edilen kağıt içersinde kalan mürekkep miktarı efektif olarak ppm cinsinden hesaplanabilmektedir. Grafik incelendiğinde baskı içermeyen hamurda 8ppm, hiçbir işleme uğramamış atık kağıtta 432 ppm, yüzdürme sonucu elde edilebilecek en düşük miktar ise 119 ppm olarak belirlenmiştir. 1939
100 IE9, % 90 80 60 40 44 52 44 67 58 75 76 63 63 66 51 73 61 75 63 81 67 85 66 61 78 67 82 84 61 73 63 81 81 68 86 74 30 20 10 33 IE9 PED IE9 KAĞIT 0 0 5 10 15 20 Deney no Şekil 3. Gerçekleştirilen çalışmaların kağıt ve ped üzerinden ölçülen IE 9 değerine etkisi 100 IE0, % 90 80 60 40 30 43 40 52 49 67 62 75 76 64 66 65 51 62 76 65 80 68 85 75 65 52 68 61 77 68 81 84 74 69 62 71 64 80 80 71 87 75 20 10 IE0 PED IE0 KAĞIT 0 0 5 10 15 20 Deney no Şekil 4. Gerçekleştirilen çalışmaların kağıt ve ped üzerinden ölçülen IE 0 değerine etkisi 1940
0 4 432 400 ERIC, ppm 3 300 2 200 1 310 247 186 165 163 218 163 162 147 124 220 183 148 134 127 168 164 144 135 119 100 0 (7) 0,001mol/L CaCl2, %0,25 Sabun (8) 0,001mol/L CaCl2, %0, Sabun MG (1) CaCl2 ve Yüzey Aktif Maddesi İçermeyen (2) %0,25 Sabun (3) %0, Sabun (4) %0,75 Sabun (5) %1,00 Sabun (6) 0,001mol/L CaCl2 (9) 0,001mol/L CaCl2, %0,75 Sabun (10) 0,001mol/L CaCl2, %1,00 Sabun (11) 0,002mol/L CaCl2 (12) 0,002mol/L CaCl2, %0,25 Sabun (13) 0,002mol/L CaCl2, %0, Sabun (14) 0,002mol/L CaCl2, %0,75 Sabun (17) 0,003mol/L CaCl2, %0,25 Sabun (18) 0,003mol/L CaCl2, %0, Sabun (15) 0,002mol/L CaCl2, %1,00 Sabun (16) 0,003mol/L CaCl2 (19) 0,003mol/L CaCl2, %0,75 Sabun (20) 0,003mol/L CaCl2, %1,00 Sabun Baskı yapılmamış Şekil 5. Yapılan deneyler sonucu hamur içerisinde kalan efektif mürekkep miktarı (ERIC). 8 4. SONUÇ Yapılan çalışma sonucunda kağıt üzerinden ölçülen değerler ile süzgeç kağıdı üzerinde oluşturulan ped üzerinden ölçülen sonuçların oldukça farklılık gösterdiği tespit edilmiştir. Bunun nedeni kolaylıkla anlaşılabileceği gibi süzgeç kağıdının bulunduğu yüzde mürekkep parçacıkları ve dolgu maddesinin ortamdan uzaklaşmadan kalması bunun yanında test kağıdı oluşturulduğu sırada ince mürekkep parçacıklarının veya dolgu maddelerinin ortamdan yıkanmasıdır. Mürekkep giderme işleminin etkinliğini ölçmek açısından ped üzerinden ölçülen IE değerinin daha gerçeği yansıttığı söylenebilir. Fakat nihai ürün olan kağıt açısından düşünüldüğünde IE değerinin kağıt üzerinden ölçülmesinin gerekliliği de görülmektedir. Bununla birlikte kağıt içersinde kalan efektif mürekkep miktarı olan ERIC değeri yalnızca kağıt üzerinden ölçülmektedir. ERIC değerinin kağıt üzerinden ölçülmesi yine kağıt üzerinden belirlenen leke analizi sonuçlarıyla birlikte değerlendirilmesi açısından önemlidir. Leke analizi büyük boyutlu mürekkep parçacıklarının belirlenmesinde etkili iken ERIC yöntemi tarayıcıların ölçemeyeceği kadar küçük olan mürekkep parçacıklarının belirlenmesi açısından önemlidir. Rapor kapsamında bahsedilen tüm yöntemler, yapılan işlemlerin mürekkep uzaklaştırma dereceleri hakkında bilgi verse de kesin sonuçlar elde edebilmek için bu yöntemlerin birkaçının birlikte ve hamurun verim, atık çamurun içerdiği inorganik madde miktarları gibi diğer parametreler ile birlikte değerlendirilmesi gerekmektedir. 1941
5. KAYNAKLAR Carre, B., Magnin L., Galland, G., Vernac, Y., 2000, Deinking Difficulties Related to Ink Formulation, Printing process and Type of Paper, TAPPI JOURNAL, Vol. 83(6). Ingede Test Methods, 2007, International Association of the Deinking Industry Germany Tappi Test Methods, 1979, Official Test Methods and Provisional Test Methods, Technical Association of the Pulp and Paper Industry, Atlanta Schwınger, K.ve DOBIAS, B., 1991, The Influence of Calcium Ions on the Loss of Fibre In the Flotation Deinking Process, CPPA Recycling Forum Proceedings, pp 73-79. 1942