| Forside | | Indhold | | Forrige | | Næste |

Miljøoptimering af afvaskning ved tryk med vandfortyndbar flexotrykfarve

Bilag G
RT-forsøg og -udregninger

I nærværende bilag findes resultaterne af de forsøg og beregninger, der er udført i forbindelse med afprøvning og vurdering af ideer til renere teknologitiltag. Det drejer sig om forsøg til bestemmelse af betydningen af konstruktions- og driftsparametre for farvespild ved afvaskning udført på TRESUs forsøgsanlæg, forsøg til bestemmelse af betydningen af renere teknologitiltag på trykfarvens egenskaber - herunder trykkvalitet, samt modelberegninger for renere teknologiideer inden for genbrug af skyllevand. Hertil kommer laboratorieundersøgelser af bølgepapflexotrykfarvers nitrifikationshæmning samt sammenhængen mellem tørstofindhold og farvemængde i en vandig fortynding af farven, svarende til en skyllevandsprøve.

Anvendte måle- og analysemetoder svarer til dem, der er anvendt ved udredningsundersøgelser, og som er beskrevet i bilag C.

G.1 Forsøg til bestemmelse af betydningen af konstruktions- og driftsparametre for farvespild ved afvaskning udført på TRESUs forsøgsanlæg under kontrollerede forhold

Ved at udføre en række forsøg på TRESUs forsøgsanlæg er forskellige RT-tiltag blevet undersøgt under kontrollerede forhold. Forsøgene har især omhandlet optimering af driftsparametre og designets betydning for farvespild.

TRESUs forsøgsanlæg består af en roterbar aniloxvalse, en kammerrakel i plexiglas med indbyggede vaskedyser, en højtrykspumpe og en pumpeenhed. Kammerraklens vaskesystem og pumpeenheden sørger tilsammen for rensningen af kammerraklen, aniloxvalsen samt rør og slanger inklusiv studse, dvs. hele farveværket/farvefremføringssystemet. Pumpeenheden, TRESUs Pump Unit, er i rustfrit stål og er monteret på hjul, således at den er mobil. Den er placeret på en rist-platform, hvorpå farvespand og vandspand anbringes side om side. På platformen sidder desuden en arm, hvorpå omrøring og farve-/vandtilførings- og -tilbageføringsstudse er monteret. Armen skifter ved hjælp af PLC-styret pneumatik fra farvespand til vandspand og omvendt. Farven pumpes gennem plastslanger, plastikrør og rustfri stålrør (studse) af en farvefremføringspumpe og en farvetilbageføringspumpe, og anlægget er opstillet således, at slangerne har et jævnt fald fra kammerraklen ned mod pumperne, som er placeret nederst i pumpeenheden. Pumper, ventiler og pneumatik styres af en indbygget programmerbar PLC (lille computer), som også styrer højtryksvaskeanlægget. Pumpeenheden har indgang for vand (3 bar) og afløb til kloak/renseanlæg. Kammerraklen, som er en normalt TRESU kammerrakel, der blot er udført i klart plexiglas, har indgange i bunden for tilførsel af farve og en udgang øverst i hver side. I kammerraklen er der en række højtryksdyser til vask af rakel og aniloxvalse samt to dyser ved hver af pakningerne. Vandet til højtryksdyserne leveres fra vaskesystemets højtrykspumpe (12 bar) og styres som nævnt fra pumpeenhedens PLC.

Tabel G.1
RT-diagram: Udpumpningstidens betydning for farverest i farvefremføringssystem

Forsøgsbetingelser:

* Indhold i tilløbs- og fraløbsstudse løber passivt af inden udpumpning

Procesbeskrivelse:

1. Pump Unit stilles i print position
2. Farven recirkuleres og rotation af aniloxvalse startes
3. Efter et par minutter stilles Pump Unit i tøm position
4. Farven pumpes (tømmes) ud og opsamles
5. Forsøget gentages, og tømningsperioden varieres (5, 10, 15, 20 og 25 s)

Resultater:

Tabel G.2
RT-diagram: Opsamling af første "boostvand" med henblik på genbrug som farve

Forsøgsbetingelser:

Procesbeskrivelse:

1. Pump Unit stilles i print position
2. Farven recirkuleres og rotation af aniloxvalse startes
3. Efter et par minutter stilles Pump Unit i tøm position
4. Farven pumpes (tømmes) ud i 20 sek.
5. Kammeret (kammerraklen) højtryksspules med frisk vand via dyser
6. Vandet med farverest pumpes i 15 sek. til tilløbs- eller fraløbsstuds
7. Vandet med farverest opsamles fra tilløbs- eller fraløbsstuds (5-15 sek. afdryp)
8. Proceduren (1-6) gentages med varierende boost (spule) tider

Resultater (opsamling fra fraløbsstuds – her kommer mindst ud. Farvens viskositet = 30 sek. -> 15 sek.; pH = 8,20):

Resultater (opsaml. fra tilløbsstuds – her kommer mest ud. Farvens viskositet = 15 sek.; pH = 8,14; mængde(start) = 11,47 kg (2,718 g TS):

Tabel G.3
RT-diagram: Opsamling af første skyllevand med henblik på genbrug som farve

Forsøgsbetingelser:

Procesbeskrivelse:

1. Pump Unit stilles i print position
2. Farven recirkuleres og rotation af aniloxvalse startes
3. Efter et par minutter stilles Pump Unit i tøm position
4. Farven pumpes (tømmes) ud i 20 sek., afdrypper 15 sek.
5. Pump Unit sættes i recirc. position
6. Friskvand fra vandspand pumpes via tilløbsstuds gennem farvefremføringssystemet
7. Første vand med farverest opsamles løbende fra fraløbsstuds
8. Vaskeproceduren med recirkulerende vand kører færdig

Resultater:

Tørstofbalance:

Tørstofmængde ved afslutning af forsøg, alle tal i g TS: 2.501(start) – 22 (prøve) – (96 + 30)(opsamlet + ud med ikke opsamlet skyllevand) = 2.353 g TS

Farvemængde ved afslutning, alle tal i kg: 11,19 (start) + 0,28 (residualvand ved start) – 0,1 (prøve) – 0,6 (residualfarvemængde) = 10,77 kg farve

Tørstofindhold: 2.353g TS/10,77 kg = 218,6 g TS/kg

Inden næste forsøg (Tabel G.4: Tørstofindhold i brugt skyllevand ….. af 2/12-99 hos TRESU) fortyndes farven med ca. 0,28 kg vand (vanddødvolumenet), der står i systemet.

Farvens tørstofindhold inden næste forsøg (tabel G.4): (10,77 kg · 218,6 g TS/kg)/(10,77 kg + 0,28 kg) = 212,7 g TS/kg

Tabel G.4
RT-diagram: Bestemmelse af residualfarvemængde før og efter opsamling af restfarve (første skylle-/boostvand) til genbrug

Forsøgsbetingelser:

Procesbeskrivelse:

Resultater:

Tabel G.5
RT-diagram: Bestemmelse af residualfarvemængde - herunder indhold i pumper

Forsøgsbetingelser:

1. Pump Unit stilles i print position
2. Farven recirkuleres (ingen rotation af aniloxvalse)
3. Efter et par minutter stilles Pump Unit i tøm position, og der pumpes tilbage i 20 sek.
4. Al tilbageværende farve på systemet opsamles. Tilbageløbspumpen adskilles, og indhold af farve opsamles. Pumpen tørres af med papir.
5. Der skylles med recirkulerende rent vand fra vandspanden i 40 sek. Prøve udtages.

Resultater:

Tabel G.6
RT-diagram: Bestemmelse af residualfarvemængde og residualvandmængde

Forsøgsbetingelser:

1. Pump Unit stilles i print position
2. Farven recirkuleres (ingen rotation af aniloxvalse)
3. Efter et par minutter stilles Pump Unit i tøm position, og der pumpes tilbage i 20 sek.
4. Der skylles med recirkulerende, rent vand fra vandspanden i 40 sek.
5. Vaskevandet pumpes til kloak
6. Der boostes som "normalt" for TRESU’s Pump Unit: 2 sek. boost - 4 sek. pause - 2 sek. boost + sideboost - 4 sek. pause - 2 sek. boost + sideboost - 4 sek. pause - 1,5 sek. boost - 8 sek. pause - 0,1 sek. boost.

Resultater:

Én pumpe blev adskilt, og volumenet blev målt til 0,073 liter fra indgang til udgang. I Pump Uniten sidder pumperne imellem to stykker vandrette rør, der forbinder dem med henholdsvis slangerne fra kammerraklen på den ene side og farvestudsene på den anden side. Disse vandrette rør udgør sammen med pumperne det laveste punkt i Pump Uniten. Volumenet af de vandrette rør og pumpen blev målt til at være 0,204 liter pr. pumpe, dvs. 0,408 liter i alt.

Tabel G.7
RT-diagram: Bestemmelse af mængden af vand der medgår til det boost, som går i farvespanden

1. Tilbagepumpning 20 sek. af rent vand
2. Boost med given PLC-tid
3. Tilbagepumpning 15 sek. af rent vand

Resultater:

Tabel G.8
RT-diagram: Bestemmelse af vandresidualmængde (vanddødvolumen)

Tabel G.9
RT-diagram: Boosttidens betydning for farvegenvinding

1. Print med farve
2. Tilbagepumpning af farve
3. Boost til farvespand, 1 boost eller 1 + 2 boost (opsamles via ventil)
4. Resterende boost
5. Udpumpning af boostvand og rest farve (opsamles i sidste forsøg, PLC-tid 0,06 sek.)

Forsøget gik ud på at bestemme betydningen af boosttiden og antallet af boost for hvor meget farve, der går med boost retur til farvespanden.

Resultater:

Under forsøget blev cyklus (1-5) kørt et større antal gange, og for hver gang blev farven fortyndet lidt, idet den mængde vaskevand, der står tilbage på systemet efter vask i en cyklus, fortynder den farve, der påføres i næste cyklus. Dette fremgår klart af nedenstående.

Tabel G.10
RT-diagram: Bestemmelse af residualfarvemængde

Procesbeskrivelse:

1. Print med farve
2. Boost 0,06 sek. der går til farvespand
3. Recirkulation af rent vand fra vandspanden
4. Udpumpning af recirkuleret vand (prøve udtaget)
5. Normal boostcyklus
6. Udpumpning af boostvand og restfarve (prøve udtaget)

Resultater:

G.2 Bestemmelse af egnetheden af tørstof som mål for farvekoncentration

I de fleste forsøg er farvekoncentrationer blevet beregnet udfra målt tørstofindhold under anvendelse af en lineær sammenhæng mellem tørstof og farvekoncentration. Sammenhængen er for en sort bølgepapflexotrykfarve undersøgt i dette forsøg, og resultatet viser, at den er lineær. Resultaterne fremgår af tabel G.11 og figur G.1.

Tabel G.11
Sammenhæng mellem tørstof og farvekoncentration i vandige fortyndinger

* Dobbeltbestemmelse
  

Figur G.1
Tørstofindhold som funktion af trykfarvekoncentration

G.3 Undersøgelse af vandfortyndbare flexotrykfarvers følsomhed over for fortynding

Formålet med denne undersøgelse har været at undersøge betydningen af en fortynding af flexotrykfarver med 1-10% vand for farvernes egenskaber og det resulterende tryks farvestyrke og dermed kvalitet. Fire procesfarver, sort, cyan, magenta og gul, er undersøgt. Disse farver er først karakteriseret ved hjælp af termisk analyse (Mettler Toledo System TA 4000), hvor fordampeligt materiale og tørstof er bestemt. En prøve på ca. 30 mg vejes af i en Al₂O₃-digel med låg på en mikrovægt, og prøven varmes op med 10° C/min. fra 30ºC til 600° C, i N₂ atmosfære, 10 cm³/min. Analysen er udført som dobbeltbestemmelse. Resultatet opsamles på PC og kurven evalueres med softwareprogrammet METTLER TOLEDO STARe System. Kurven giver vægttabet som funktion af temperaturen. Kurven deles op i en række intervaller, hvor vægtændringen beregnes. I tabel G.12 er resultatet af dobbeltbestemmelserne sammenfattet.

Tabel G.12
Karakterisering af vandfortyndbare flexotrykfarver ved termisk analyse. Tallene angiver vægttab i %.

G.3.1 Effekt på anvendelsesegenskaber ved fortynding

G.3.1.1 Måling af vandfortyndbare flexotrykfarvers viskositet som funktion af fortynding

Trykfarvernes viskositet er målt ved forskellige fortyndinger med et udløbsbæger (DIN 4 ifølge DIN 53 211-87) ved 23° C. Resultatet angives i sekunder. Fortyndingsgraden er varieret med tilsætning af 1-10% vand. Fortynding med 2% vand skal forstås således, at vandet efter fortynding udgør 2%, dvs. der tilsættes 2 dele vand til 98 dele farve. Alle angivelser er vægtangivelser.

Resultatet af disse målinger er angivet i tabel G.13. Som det fremgår af resultaterne for den statistiske behandling for linearitet i tabel G.13 og figur G.2, kan man med rimelighed regne med et lineært fald i viskositet som funktion af en stigende fortynding med vand på 1-10%. Dette forhold er dog mest udpræget for den sorte farve (se figur G.2), mens det for de øvrige farver detaljeret betragtet gælder, at viskositeten falder mest med det første vand, der tilsættes, og faldet pr. tilsat mængde vand bliver mindre, jo mere der tilsættes, altså et eksponentielt forløb.

Tabel G.13
Vandfortyndbare flexotrykfarvers viskositet som funktion af fortynding ved 23ºC. Statistiske data for linearitet.

Figur G.2
Forsøg med fortynding af fire procesfarver med vand

Undersøgelserne beskrevet i det følgende er kun udført for den sorte farve.

G.3.1.2 Overfladespænding

Der er målt overfladespænding på den sorte, vandfortyndbare flexotrykfarve ved hjælp af et Krüss tensiometer ved 23ºC. Disse målinger er udført for at undersøge, om overfladespændingen ændres væsentligt ved fortynding og derved kan påvirke farvens befugtning af underlaget. Overfladespændingen for den sorte farve er uden fortynding 35,4 mN/m, og ved tilsætning af 5% vand sker en reduktion til 34,8 mN/m. Denne ændring vurderes at ligge inden for målemetodens usikkerhed og være uden indflydelse på trykfarvens befugtning af underlaget. Normalt vil tilsætning af vand medføre en stigning i overfladespændingen, og det registrerede fald tilskrives måleusikkerhed.

G.3.1.3 Lagtykkelse af prøvetryk

Der er fremstillet prøvetryk med 4 forskellige spiralapplikatorer. Disse 4 applikatorer er mærket 8 m , 12 m , 20 m og mrk. 10, hvor mrk. 10 giver det tykkeste lag. Den sorte farve i fortyndinger fra 0-8 vægt-% vand er påført liner med alle fire applikatorer. Disse tryk er tørret i minimum 24 timer før bestemmelse af lagtykkelse. Alle prøver er opbevaret i klimarum ved 23° C og 50% relativ luftfugtighed.

For at bestemme lagtykkelsen blev det forsøgt at anvende differensvejning, hvor massen af laget og derved tykkelsen bestemmes ud fra den gennemsnitlige forskel på 10 prøver med tryk og 10 prøver uden tryk. Forsøget viste, at variansen på masse/areal for 10 prøver af lineren i sig selv var for stor til, at fortyndingens betydning for lagtykkelse kunne bestemmes. Derfor er fortyndingens betydning for lagtykkelse beregnet teoretisk, som vist i tabel G.14.

Tabel G.14
Lagtykkelse bestemt for tørt tryk i gram/m² for sort flexotrykfarve

G.3.1.4 Densitet af prøvetryk (efter tørring 24 timer)

Der er målt densitet, som er en refleksionsmåling, på de forskellige tryk med Gretag D 186, da densitetsmåling anvendes i trykkerierne som et mål på farvestyrken. Det vil sige, densitet anvendes for at opnå samme trykkvalitet/farvestyrke fra gang til gang.

Densitetsmålingerne, som er vist i tabel G.15, er udført som 10-dobbelte bestemmelser, hvor gennemsnit og standardafvigelse er beregnet. Resultaterne viser, at der med denne metode ikke kan registreres nogen forskel i refleksion ved fortynding af farven med 1-8% vand. Standardafvigelsen på målingerne er størst for de tyndeste farvelag, hvilket formentlig skyldes, at underlaget har større indflydelse på farvelagets udseende ved påføring af meget tynde lag.

Tabel G.15
Densitet målt på sorte prøvetryk som funktion af påført lag

G.3.1.5 Måling af kulør på prøvetryk (efter tørring 24 timer)

En mere nøjagtig vurdering af farvelagets udseende kan udføres ved hjælp af kulørmåling. Denne måling er udført med et spektrofotometer (X-RITE SP 78), hvor der er målt inden for bølgelængdeområdet 400-700 nm. Målingerne er udført som to gange tredobbelte bestemmelser, hvor et gennemsnit er anvendt til beregning af tristimulusværdier (CIE L* a* b*). L*-aksen går fra hvid til sort, a*-aksen går fra rød til grøn, og b*-aksen går fra gul til blå.

Beregningen af farveforskel er udført ved hjælp af følgende ligninger:

D L*= L*₁ - L*₀ ; D a*= a*₁ - a*₀ ; D b*= b*₁ - b*₀ ;
D E*= [(D L*)²+ (D a*)²+ (D b*)² ]^½
hvor 0 = reference og 1 = prøve

Resultatet af de beregnede farveforskelle kan ses i tabel G.16. I tabellen er det påførte lag af farven, som er påført med 8 m applikator, anvendt som reference. Denne måling viser en tydelig trend, både hvad angår fortynding og lagtykkelse. Farveforskellen stiger med stigende fortynding af farven. Generelt er forskellen ved 8% fortynding af størrelsesorden 0,4-0,5, og denne farveforskel er synlig for et trænet øje. Forskellen svarer til at der påføres ca. 1 g/m² mindre.

Tabel G.16
Kulørforskel målt på sorte prøvetryk med forskellige lagtykkelser

G.4 Vandbaserede flexotrykfarvers nitrifikationshæmning

Nitrifikationshæmning af sort, magenta, gul og cyan vandfortyndbare flexotrykfarver - alle fortyndet tyve gange (20 x) med vand - blev udført efter samme metode som anvendt under udredningsundersøgelserne, se bilag C. Der blev fremstillet 10 mL glas med 20 eller 200 mL/L fortyndet farve, 480 eller 300 mL/L postevand og 500 mL/L aktivt slam (2,34 g SS/L) fra Nivå Renseanlæg. Kontroller blev fremstillet tilsvarende blot uden farve og med postevand i stedet. NOx-indholdet blev målt ved start for postevand, fortyndet farve og slam og for blandingen efter 2 timer. Heraf kan 0-ordens nitrifikationshastigheden beregnes og hæmningen som nitrifikationshastigheden i glassene med trykfarve divideret med nitrifikationshastigheden i kontrollerne. Endvidere blev tørstofindholdet i både de ufortyndede og fortyndede trykfarveprøver målt.

For alle fortyndede farver gjaldt det, at der ikke kunne måles nogen NOx ved forsøgets start, men at detektionsgrænsen, på grund af den stærke farve, var forholdsvis høj. Benyttes detektionsgrænsen som startværdi betyder det, at den udregnede hæmning er en maksimalværdi. Alternativt kan en minimumsværdi beregnes, hvis det antages, at NOx-koncentrationen i farveprøverne er den samme som i postevand.

Tabel G.17
Nitrifikationshæmning og tørstofindhold af 20 X fortyndede trykfarver (tørstof tillige for ufortyndet farve), testet ved 200 mL/L og 20 mL/L. Hvad angår nitrifikationshæmning er tallene i parantes maksimumværdier, mens tallene uden for parantes er minimumsværdier.

G.5 Model for beregning af vandforbrug og effektivitet af skylleprocedurer

G.5.1 Skyl uden returskyl til farvekar

Der er opstillet en model til beskrivelse af en skylleproces på TRESU’s Pump Unit (beskrevet i afsnit G.1) med direkte genbrug af vand i skylleproceduren. Modellen anvendes til at vurdere effekten af en miljømæssig optimering, hvad angår processens effektivitet med hensyn til vask/skyl.

G.5.1.1 Test af antagelsen om fuldstændig opblanding

Der er gennemført et forsøg med kronologisk udtag af skyllevand fra maskinen under skylning (se tabel G.3). Skyllevandet har således ikke fået lov til at recirkulere, hvorfor antagelsen om fuldstændig opblanding ikke opfyldes fuldstændigt. Under normal skylning vil anvendes recirkulering, hvorfor antagelsen vil passe bedre på denne situation.

I figur G.3 er illustreret henholdsvis de målte og de beregnede værdier af TS-indholdet i skyllevandet. Det fremgår, at der i vid udstrækning er overensstemmelse mellem de to datasæt. Det ses dog, at de målte værdier konsekvent er lavere end de beregnede værdier. Dette vurderes at skyldes den manglende recirkulering, idet der ikke når at indstille sig en ligevægtskoncentration i skyllevandet. Forskellen kan også skyldes en mindre fejl på den vurderede mængde af restfarve i maskinen inden skylning.

Figur G.3
Test af antagelsen om fuldstændig opblanding ved sammenligning af målte og beregnede værdier af TS-indholdet i skyllevand. De målte værdier er foretaget på fortyndet farve (218 g/L), og modellen er tilpasset dette ændrede forhold.

Det vurderes, at antagelsen om fuldstændig opblanding under skylning er holdbar, og at den opstillede model vil give resultater af tilfredsstillende nøjagtighed til at foretage beregninger på forskellige skylleprocedurer.

G.5.1.2 Direkte skyl

Ved direkte skyl forstås skylning med vand i en batch, som derefter ledes til sumpen. Denne procedure gentages, indtil en tilfredsstillende vandkvalitet er opnået. En 3-trins skylleproces er illustreret i figur G.4.

Figur G.4
Procedure for skylning ved direkte skyl

Matematisk kan modellen for denne skylleprocedure udtrykkes ved n ligninger med n ubekendte:

Resultatet af massebalanceberegningen fremgår af tabel G.18.

Tabel G.18
Massebalance for 3-trins direkte skyl

G.5.1.3 Genbrug af sidste skyl

Et 3-trinsskyl med genanvendelse af sidste skyl som skyllevand i første skyl er illustreret i figur G.5. Denne procedure er således en kombination af direkte skyl og modstrømsskyl. Ved et uændret antal skyl vil skyllekvaliteten alt andet lige være dårligere end ved direkte skyl.

Figur G.5
Procedure for skylning ved genbrug af sidste skyl

Matematisk kan modellen for denne skylleprocedure udtrykkes ved n ligninger med n ubekendte:

Resultatet af massebalanceberegningen fremgår af tabel G.19.

Tabel G.19
Massebalance for 3-trins direkte skyl med genbrug af sidste skyl

G.5.1.4 Modstrømsskyl

Ved modstrømsskyl anvendes kun friskvand i det sidste skyl. Efter skylning opbevares dette indtil næste skylleproces, hvor det vil blive genbrugt i det umiddelbart foregående skyl osv., indtil vandet ledes til sumpen efter brug i første skyl. Ved denne procedure reduceres skyllevandsforbruget til et minimum, og der opnås den højeste grad af opkoncentrering af stof. Ved et uændret antal skyl vil skyllekvaliteten alt andet lige være dårligere end ved direkte skyl og genbrug af kun sidste skyl.

Figur G.6
Procedure for skylning ved fuldstændigt modstrømsprincip (3-trin)

Matematisk kan modellen for denne skylle procedure udtrykkes ved n ligninger med n ubekendte:

Resultatet af massebalanceberegningen for henholdsvis 3 og 4 trin fremgår af tabel G.20 og G.21.

Tabel G.20
Massebalance for 3-trins modstrømsskyl

Tabel G.21
Massebalance for 4-trins modstrømsskyl

G.5.2 Skyl med returskyl til farvekar

Resultatet af massebalancen fremgår af de efterfølgende tabeller.

Tabel G.22
Massebalance for 2-trins direkte skyl uden genbrug (1)

Tabel G.23
Massebalance for 2-trins modstrømsskyl (2)

Tabel G.24
Massebalance for 3-trins direkte skyl (3)

Tabel G.25
Massebalance for 3-trins direkte skyl med genbrug af sidste skyl (4)

Tabel G.26
Massebalance for 3-trins modstrømsskyl (5)

Tabel G.27
Massebalance for 4-trins modstrømsskyl (6)