인쇄된 폐품 셀룰로오스 원료의 탈잉크 처리법

본 발명은 인쇄된 폐품 셀룰로오스 원료를 탈잉크 처리함에 있어서 그의 개량법에 관한 것이다.

본 발명의 목적은 인쇄된 셀룰로오스 원료를 탈잉크 처리하여 재래의 신문 인쇄용지(News print), 잡지 및 서적의 원료를 제조하는 기계에 넣어 처리하여 펄프(pulp)를 제조하는 처리법을 제공하는데 있다.

인쇄지의 탈잉크 처리방법으로 여러 방법과 조성물이 이미 알려져 있으나, 그중 가장 효과적인 것은 비이온계 계면 활성제를 사용하는 방법이다.

불행히도 가장 유효한 비이온성 화합물들이 생물에 의하여 분해되지 못하기 때문에 제조공정으로부터의 유출물이 물고기와 같은 해양생물에 유독(有毒)하여 그 처리가 문제시 되었다. 아주 광범위한 종류의 비이온제가 탈잉크제의 역할을 하는 것으로 미국 특허명세서 제3,069,308호(발명자 Lissant)에 설명되어 있다. 미국 특허명세서에 기재되어 있는 것은 대체로 비이온성 옥시알킬화 알코올(non-ionic oxyalkylated alcohols)이다. 특히 유효하다고 밝혀진 것은 라우릴(C ₁₂ ) 알코올, 메톡시트리프로필렌(C ₁₀ ) 글리콜, 트리데실(C ₁₃ ) 알코올, n-부틸(C ₄ ) 알코올, 푸르푸릴(헤테로사이클) 알코올 및 폴리비닐(폴리올) 알코올의 에톡실화 및 프로폭실화 유도체이다.

대체로 이와같은 물질 중에서 미국 특허명세서에서 예시한 것과는 다른 극소수의 에톡실화 알코올들이 잉크제거에 아주 좋은 효과가 있고 결과적으로 휘도와 강인한 지질(紙質)을 갖게 한다는 것을 본 발명자는 발견하였다. 더구나 본 발명 특수시약(agent)은 수중생물에 무독(無毒)하고 생물에 의하여 분해될 수 있어서 공정 부산물을 강(江) 또는 하천에 버려도 공해문제를 야기시키지 않음을 발견하였다.

본 발명 방법에 사용한 탈잉크제는 생물에 의하여 분해될 수 있고 수중생물에 무독성인 화합물로서 지방족쇄에 14-30개의 탄소원자(특히 14-18개가 바람직함)를 갖는 에톡실화 지방적 모노-올 또는 디-올이며, 이들 모노 또는 디-올 1몰당 8-24(특히 8-12개가 바람직함)개의 에틸렌옥시 단위(單位)를 가지고 있다. 일반적으로 본 발명의 우수한 탈잉크제는 지방족쇄중에 14-15개의 탄소원자를 가진 에톡실화 지방족 모노-올이거나 15개 내지 17개의 탄소쇄중에 말단이 아닌 인접 탄소원자에 디-올기가 있는 에톡실화 지방족 디-올이며, 이런 화합물들은 모두 모노 도는 디-올 1몰당 9-11개의 에틸렌옥시 단위를 가지고 있음이 특징이다.

디-올의 경우 이들 두 하이드록시기(group)중에 한 곳에는 에틸렌옥시 단위가 없고 다른 한곳에만 에틸렌옥시 단위가 모일 수도 있고 또는 두 하이드록시기 사이에 적당한 비율로 분할되어 있을 수도 있다. 본 발명에서는 모노-올이나 디-올의 각각의 화합물은 물론 이들의 혼합물을 사용하려는 것이다. 에톡실화 계면 활성제를 제조하여 사용하는 기술에 숙련된 사람은 그것이 생성되는 방법으로 보아 지방족쇄나 에틸렌옥시 단위를 반복해서 쇄를 구성함에는 그의 연쇄장의 범위에 한계가 있음을 알고 있을 것이다. 이때 탄소원자의 수와 반복되는 단위(repeating units)의 수효의 평균치로서 이들 화합물의 특성을 표시한다.

위에서 언급한 미국 특허 제3,069,308호와 비교하여 볼 때 본 발명의 에톡실화 모노-올은 지방족쇄 내에 최소 평균 14개의 탄소를 갖는데 비하여 상술한 미국 특허에서는 최대 13개의 탄소를 가지며, 디-올의 경우를 보면 미국 특허에서는 최대 10개의 탄소원자를 갖는데 비하여 본 발명에서는 최소 14개의 탄소원자를 갖는다.

따라서 이 분야에서 숙련된 사람은 공지된 공정에 따라서 본 발명의 탈잉크제를 제조할 수 있을 것이다. 실제 예를들면 에톡실화 지방족 모노-올은 알칼리성 촉매(예 : 가성소다)의 존재하에 C ₁₄ -C ₁₈ 지방족 알코올과 적당량의 에틸렌 옥사이드를 적당한 온도 및 압력 조건하에(예 : 160°-180℃, 3기압)반응시켜 제조할 수 있다. 또한 디-올의 경우에도 에톡실화 하는데 전체적으로 흡사한 공정이 이용된다. 이와같은 공정의 좀더 상세한 기록은 에이·엠·슈발츠와 제이·더블유·퍼리(AM Schwartz and JW Perry)의 "계면활성제" 제1권(1949) 및 "계면활성제와 세정제" 제2권(1958), (인토 사이언스 퍼브리서 발행, 뉴욕)과 같은 책에 있다.

여기서는 그 설명을 문헌으로부터 인용했기 때문에 상세한 설명을 생략했다. 탈잉크제는 실제의 경우 수용성 매질(水溶性媒質) 중의 용액상(溶液狀)에서 사용된다. 탈잉크제의 용액 온도를 예를들면 4.44°-21.11℃(40°-70°F)와 같은 실온(室溫)으로부터 약 93.33℃(약 220°F)까지 여러가지로 바꾸며 사용할 수 있다.

여기서 기술된 탈잉크 용액으로는 pH가 알칼리일 때 제일 효과가 있다. 따라서 용액 중에 알칼리가 함유되는 것이 소망된다. 적당한 알칼리나 알칼리성 토금속의 수산화물(alkaline earth metal hydroxide)이나 염을 사용하면 좋으나 수산화나트륨 및 수산화칼륨, 소다회 및 기타 동종류의 것이 보다 바람직하다. 탈잉크 용액의 pH를 7.0과 11.5 사이, 또는 그 보다 높게 하여도 좋으나, 최소한도 pH를 약 7.1로 유지하도록 알카리를 충분히 첨가할 수 있다.

탈잉크 용액을 제조하는데 있어서 물을 반응기 또는 펄프 제조기에 채우고 종이의 중량에 대해 0.3-3%의 탈잉크제를 가한다. 탈잉크제는 폐지나 조각지를 넣기 전에 물에 먼저 용해하는 것이 좋다. 그 조합액에 인쇄된 종이, 조각, 폐지 등을 넣는다. 인쇄된 섬유소 물질은 필요하면 처리 전에 적당한 방법으로 분쇄하여 넣을 수도 있다. 그러나 꼭 필요한 것은 아니며, 분쇄나 크기를 작게 분해하는 등의 처리를 하지 않고 처리용액에 직접 넣어도 된다. 이렇게 탈잉크 전에 고가(高價)의 분쇄나 펄프화하는(pulping) 기술이 필요없는 점이 본 발명의 장점 중의 하나이다. 따라서 탈잉크하려는 폐설물들은 실예(實例)를 들어 보통 대기중(大氣中)에 있는 상태 이의의 흡수 처리나 물을 뿌리는 일이 없이 자연적 건조 상태에서 처리 용액에 넣는 것이 좋다. 탈잉크 작용은 폐지가 먼저 물로 인하여 슬러리나 펄프화(slurried or pulped)가 되면 일어나긴 하지만 일반적인 결과는 폐지가 자연적인 건조 상태에서 즉 대기 환경과 꼭같은 상태에서 용액에 넣는 것보다도 결과가 나쁘다는 것이 확인되었다. 폐지를 물로 사전에 적셔서 여기에 상술한 바와 같은 화학 처리를 하면 잉크를 고착시켜서 셀룰로오스 섬유로부터 잉크를 제거시키는 것이 더욱 더 어려워진다. 처리액에 첨가되는 종이 부스러기, 폐지의 양(量)은 알맞게 조절해야 한다. 대개 탈잉크 용액의 무게에 비하여 셀룰로오스 물질은 10% 이하여야 하며, 6% 이하도 좋으나 대개 4.0-6%로 할 수 있다. 탈잉크 용액이 종이 무게의 5-5.5% 정도일 때 가장 결과가 좋고, 그 값이 가장 바람직한 것으로 보인다. 폐지는 실제적으로 탈섬유와 탈잉크가 이루어질 때까지 처리용액에 담가준다.

처리 후 탈섬유화된 원료는 적당한 저장용기에 집어넣고 고체 농도가 용액 무게의 0.5-1.5%, 특히 1%가 되도록 물을 넣어 희석한다. 희석에 이어서 펄프는 용액으로부터 분리하여 수세한 후 이미 알려진 방법으로 농후(濃厚)화 시킨다. 펄프는 pH를 4-6.5(4.5-5.5가 바람직하다)로 산성화하여 농후하게 만든 후 웨브(web) 형태로 만든다. 이 산성화 공정은 재생 펄프로부터 생산되는 종이의 휘도(brightness)를 현저하게 증가시키며 또 펄프의 표백 처리의 필요성도 없애준다. 재생제품은 황산염 또는 아황산염과 혼합 또는 신문 용지와 같은 셀룰로오스 물질을 만들기 위해 재생제품을 더 첨가하여 혼합할 수 있다.

[실시예 1]

탈잉크 용액은 모노-올 1몰당 약 9.6몰의 에틸렌옥시 단위가 함유된 에톡실화 C ₁₄ -C ₁₅ 제1급 모노-올 20.6g을 용해한 후 알칼리로 pH를 약 10.5로 조절하고 실험용 펄프 제조기 내에서 32.22℃(90°F)에서 알칼리 금속의 규산염 8g을 첨가하여 만든다. 인쇄된 폐신문(뉴욕타임즈)100g을 펄프 제조기에 첨가한 후 20분간 교반한다. 그때 온도는 37.77-38.88℃(100-102°F)까지 상승시킨다. 다음에 탈잉크 처리된 펄프는 체형태의 여과기 속에서 물을 분무하여 세척하고 소형 수동 프레스로 압력을 가하면 세척된 페이퍼 쉬ㅌ(paper sheet)가 된다.

세척된 펄프(건조중량 기준 3g) 습윤중량 40g의 일부를 0.002g의 아황산가스에 혼합하여 20분간 62.77℃(145°F)로 가열하면 같은 방법에 의하여 쉬트가 형성된다.

[실시예 2]

에톡실화 지방족 모노-올 대신에, 같은 무게의 말단기가 아닌(non-terminal) 인접 탄소원자의 양편에 수산기를 가지며, 또 디-올 1몰당 평균 10몰의 에틸렌옥시 단위를 함유한 에톡실화 C ₁₅ -C ₁₇ 지방족 디올을 사용하여 실시예 1의 조작을 반복한다. 아황산가스로 산성화 처리하거나 또는 안하여도 같은 방식에 의하여 쉬트가 형성된다.

[비교 시험 A]

에톡실화 C ₁₄ -C ₁₅ 제1급 알코올 대신에, 알코올 1몰당 단지 5몰의 에틸렌옥시 단위를 함유하는 에톡실화 C ₁₁ 제1급 모노-올을 같은 무게를 사용하여 실시예 1의 조작을 반복한다. 아황산가스의 산성화 처리를 한 것과 처리하지 않은 탈잉크 펄프로부터 같은 방식에 의하여 페이퍼 쉬트(paper sheet)를 제조한다.

[비교 시험 B]

에톡실화 C ₁₄ -C ₁₅ 제1급 모노-올 대신 디-올 1몰당 5몰의 에틸렌옥시 단위만을 함유하는 에톡실화 C ₁₅ -C ₁₇ 지방족 디-올을 같은 무게를 사용하여 실시예 1의 조작을 반복한다. 아황산 가스의 산성화 처리를 한 것과 처리하지 않은 탈잉크 펄프로부터 같은 방식에 의하여 페이퍼 쉬트를 제조한다.

위의 실시예와 비교시험에서 만들어진 페이퍼 쉬트는 잔류잉크 스포트(residual ink spots)를 조사하고 휘도는 미국 신문발행인협회 연구기구(American Newspaper Publishers Association Research Institute)가 채택한 에이·씨·하디의 테크놀러지 프레스판, 보스톤(1936년) 색도측정 핸드북(AC Hardy-Hand book of Colorimetry, Technology Press, Boston)에 기초한 표준 상태하에서 엘레포 측색계(Elrepho Colorimeter)를 사용하여 녹색 필터(green filter)로 측정한다.

결과를 요약하면 다음 표와 같다.

[표]

실시예 1과 2의 특수 시약을 사용하여 탈잉크 처리한 펄프로부터 만든 종이가 반사능(휘도)은 비교시험 A와 B의 시약을 사용한 것보다는 실질적으로 높다는 것이 밝혀졌다. 더구나 비교시험 A의 시약은 종이에 많은 반점을 나타냄과 동시에 그것의 낮은 반사능은 별 문제로 친다 해도 사용 불가하다는 것을 나타낸다. 비교시험 B의 시약의 경우에 있어서 아황산가스의 처리전후의 휘도는 본 발명의 실시예 1 및 2의 시약에 의한 것보다 낮았다.

[실시예 3]

본 발명이 다른 제조공정을 거친 시료에도 응용할 수 있다는 것을 밝히기 위해, 실시예 1의 뉴욕타임즈 대신에 같은 무게의 뉴 번스윅 홈 뉴스(New Burnswick Home News)를 사용하여 반복한다. 펄프 제조가 종결될 때의 pH는 10.1이다. 재차 효과적으로 탈잉크된 펄프의 녹색 필터 휘도는 아황산가스 처리 전에는 57.5, 처리 후에는 63.9인 강한 종이로 재생된다.

실시예 1과 2의 탈잉크 처리 시약은 표준 조작법의 시험 결과 통상 사용 농도에서는 생체 분해능이 있고 수중 생물에 유해성이 없는 것이 밝혀졌다.

대규모 작업시에 탈잉크제를 약 11-16kg(25-35lbs)을 사용하는 경우 건조지(乾燥紙) 1톤을 기준으로 이에 상당하는 다른 첨가제를 적량 첨가한다. 그 용액을 습윤 펄프 제조기에 넣거나 제조기 내에서 조합(調合)한다. 종이 약 6%에 물 94%의 스러리(slurry)가 되게끔 폐인쇄지를 용액에 첨가한다.

잉크가 섬유로부터 제거될 때까지 펄프 제조 처리를 계속한다. 적당한 시간이 지난 후 적당한 교반기가 있는 저장기에 그 혼합물을 넣는다. 필요하다면 물을 저장기에 넣어서 혼합물 중의 고체 함유율이 떨어지도록 한다. 다음에 저장기의 혼합물을 앞서 말한 고체 함유율이 될 때까지 희석하여 수세하고 잘 알려진 방법으로 농축한다. 펄프는 이 방법으로 고체 함유율 약 5%나 약 3-8% 정도로 농축된다. 병류 또는 역류 수세법을 단독 또는 병합하여 사용할 수 있다. 그 결과로 얻어진 펄프는 알맞는 묽은 산성용액, 예를들면 명반(alum), 황산, 아황산가스 등을 첨가하여 위에서 지적한 pH로 산성화 한다. 얻어진 펄프는 최종적으로 농축하여서 웨브(web) 상태로 만든다. 산성화 단계 전에 농축과 세척의 회수는 엄밀하게 규정화 된 것이 아니며 이와같은 처리의 회수는 사용하는 기구의 형태에 따라 달라질 것이다. 역시 필요하다면 산성화 처리한 다음에 적당한 표백제를 사용하여서 표백할 수 있다. 그러나 보편적으로 표백할 산성화 처리 후 세척할 필요가 없으며, 오히려 세척 않는 편이 좋다.

본 예에서는 뱃치(Batch)식, 좀더 정확히 말해서 준 뱃치(準 Batch)식 공정을 설명한 것이나, 탈잉크 처리는 본 기술 분야에 숙달된 사람이면 연속 공정을 사용하여 수행할 수도 있다는 것을 알 수 잇을 것이다. 이 공정에서 사용되는 물은 연수(soft water)로서 철분이 없는 것이 좋다.