紙をほぐすことと、溶かすことは違う
古紙を水の中でほぐすと、紙の形が崩れて細かな繊維が広がります。これを「紙が水に溶けた」と言いたくなるかもしれませんが、砂糖のように溶液になったのとは異なります。紙の材料となる繊維を水に分散させ、必要に応じて異物やインクを除き、再び繊維を集めて紙にします。形がなくなっただけで、溶けたと判断しないことが、この題材の入口です。
古紙は均一な一種類の物質ではありません。インク、接着剤、表面の加工などが含まれる場合があります。そのため、集めた古紙が100gなら、新しい紙を必ず100g作れるわけではありません。回収される繊維の量、除かれる成分、水分の量を別々に数えます。再利用の話を質量計算にするときには、乾燥質量にそろえているかが特に重要です。
繊維の長さも品質に関わる
繰り返しほぐしたり扱ったりする過程で、繊維が短くなることがあります。長さの分布が変われば、新しい紙にしたときの強さや作りやすさにも影響します。「紙という物質が何回目で突然使えなくなる」という一律の数え方ではありません。原料や処理、目的の紙によって条件が違うので、実験では一定の方法で測った結果を比較します。
細かくした方が見た目は均一になっても、必ず強い紙になるとは限りません。繊維を短くすることと、繊維を十分ほぐして絡み合いやすくすることは同じではないからです。厚さ、面積、乾燥状態まで違えば、破れにくさを繊維だけの効果にできません。紙の重さだけで品質を順位付けしないようにします。
例題1｜二段階の回収量
乾燥した古紙100gを処理し、第一段階で乾燥繊維を80％回収できました。第二段階で、その繊維の90％が新しい紙に残りました。ほかの固体を加えない模型で、新しい紙の乾燥質量は何gですか。
答え・解説：最初の回収量は100×0.8＝80g、そのうち90％が残るので80×0.9＝72gです。80％と90％を足した170％や、平均した85％を使ってはいけません。二段階目の分母は初めの100gではなく、その段階へ届いた80gです。工程を矢印でつなぎ、それぞれの矢印に残る割合を書くと、分母の変化を追えます。
例題2｜湿った紙を比べる
出来上がった湿った紙Aは30g、Bは24gでした。乾燥後はAが12g、Bが14gです。新しい紙に残った固体の量が多いのはどちらですか。乾燥で減ったものを水だけとするなら、AとBの水分は何gでしたか。
答え・解説：乾燥後の固体が多いのはBです。水分はAが30−12＝18g、Bが24−14＝10gでした。湿った状態ではAが重くても、固体が多いとは限らないことが分かります。紙の厚さが見た目で同じでも、含まれる水の量によって測定値が変わります。回収の成績を比較するなら、同じ乾燥条件で測った値を使う必要があります。
除いた物質の行き先まで考える
脱墨では、インクなどを繊維から分ける工程が使われます。白くなったからインクの質量が消えたのではありません。別の液や取り除いた成分の側へ移っています。全工程の質量を確認するなら、紙になった部分だけでなく、除かれた固体や水も対象へ入れます。環境について考える場合も、回収率の高さだけで水やエネルギーの使用量まで判断できません。
家庭で紙をすく様子の写真と、工場での再生工程の図では、除去できる成分も管理条件も違います。同じ「再生紙」という言葉でも、実験の条件がどこまでそろっているかを確認しましょう。中学入試の資料では、廃棄物を減らすという大きな目的の中から、特定の工程の割合だけを問う場合があります。そのときは、求める量の単位をg、％、枚数のどれなのか先に書き、繊維の量と完成品の見かけを混ぜずに解き進めます。
一枚の重さと原料の利用率は別の値
同じ72gの繊維を回収しても、厚い紙6枚にすくか、薄い紙12枚にすくかで一枚の重さは変わります。前者は一枚12g、後者は6gですが、繊維の回収総量が二倍違うわけではありません。「たくさん紙ができた」と枚数で述べる場合には、面積と厚さもそろえる必要があります。再生の効率を問うなら、枚数だけでなく乾燥質量や単位面積当たりの質量を確認します。
同じ面積の紙を引っ張って切れる力を比べる実験では、試験片の幅が重要です。幅の広い紙が大きな力に耐えても、材料そのものが強いという比較にはなりません。切り出す方向や乾燥後の湿度が影響する場合もあります。繊維の長さの効果を調べたいのに、紙厚や水分が変わっていれば、別の要因を一緒に比べたことになります。重さの回収試験と強さの試験は、目的が違うため記録欄も分けます。
水にほぐした繊維を網ですくったとき、目を通り抜ける小さな繊維があれば回収量は減ります。これはすべて水へ溶けた証拠ではありません。網より細かいものが通った可能性を、液の観察や別の分離方法で確かめる必要があります。溶けたかどうかを判定するために、ただ目で見えないという条件だけを使わないことが重要です。水面の下で散らばったものも、乾燥して再び集めれば見えることがあります。
原料の紙の色が新しい紙へ残る場合、インクが全部残ったのか、染料や繊維自体の色が関係するのかを色だけで区別できないこともあります。白さの指標を回収率の指標と同じにせず、何を改善したい実験なのかを明示しましょう。紙の再利用は、分離、質量、物性をつなぐ題材です。どの工程でどの量を測ったかを図に戻すと、生活の中の見た目を理科の測定へ置き換えられます。
関連する記事でつなぐ
食塩水をろ過すると、食塩は取れる？｜溶けたものと、溶け残りを分けよう