DE10033979A1 - Verfahren zum Beladen von Fasern mit Calciumcarbonat - Google Patents

Verfahren zum Beladen von Fasern mit Calciumcarbonat

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Abstract

Bei einem Verfahren zum Beladen von in einer Faserstoffsuspension enthaltenen Fasern mit Calciumcarbonat durch eine chemische Reaktion wird der Faserstoffsuspension ein Calciumoxid und/oder Calciumhydroxid enthaltendes Medium zugesetzt, die so behandelte Faserstoffsuspension insbesondere in wenigstens einem Reaktor mit einem weiteren, reines Kohlendioxid oder Kohlendioxid enthaltenden Medium beaufschlagt und im Verlauf der chemischen Reaktion für eine zumindest im wesentlichen vollständige Umsetzung der genannten Ausgangsstoffe Calciumoxid bzw. Calciumhydroxid und Kohlendioxid in die Reaktionsprodukte Calciumcarbonat und Wasser gesorgt, indem der pH-Wert der Faserstoffsuspension entsprechend geregelt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beladen von in einer Faserstoff­ suspension enthaltenen Fasern mit Calciumcarbonat durch eine chemi­ sche Reaktion.
Faserstoffsuspensionen der eingangs genannten Art dienen insbesondere der Papier- und/oder Kartonherstellung. Der insbesondere auch aus öko­ nomischen und ökologischen Gründen erforderliche schonende Umgang mit Rohstoffresourcen äußert sich bei der Papierherstellung in zuneh­ mend niedrigeren Flächengewichten der Papierbahn sowie im teilweisen Ersatz des Faserstoffes durch Füllstoffe. Werden kostengünstigere Roh­ stoffe eingesetzt, so soll die Papierqualität zumindest beibehalten werden. Hierbei spielen unter anderem die Festigkeit, die optischen Eigenschaften sowie die Verarbeitbarkeit des Endproduktes eine entscheidende Rolle.
Ziel der Erfindung ist es, das Verfahren der eingangs genannten Art ins­ besondere im Hinblick auf eine möglichst hohe Wirtschaftlichkeit und eine möglichst hohe Qualität der Faserstoffsuspension weiter zu optimieren.
Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, der Faserstoffsus­ pension ein Calciumoxid und/oder Calciumhydroxid enthaltendes Medi­ um zugesetzt wird, daß die so behandelte Faserstoffsuspension insbeson­ dere in wenigstens einem Reaktor mit einem weiteren, reines Kohlendioxid oder Kohlendioxid enthaltenden Medium beaufschlagt wird und daß im Verlauf der chemischen Reaktion für eine zumindest im wesentlichen voll­ ständige Umsetzung der genannten Ausgangsstoffe Calciumoxid bzw. Calciumhydroxid und Kohlendioxid in die Reaktionsprodukte Calciumcar­ bonat und Wasser gesorgt wird, indem der pH-Wert der Faserstoffsuspen­ sion entsprechend geregelt wird. Dabei kann die Messung des pH-Wertes an einer oder mehreren Stellen im Prozeßablauf erfolgen.
Aufgrund dieser Ausbildung wird eine deutlich höhere Wirtschaftlichkeit sowie eine höhere Qualität der Faserstoffsuspension erreicht.
Bei dem Beladen der Fasern wird Calciumcarbonat an die benetzten Fa­ seroberflächen eingelagert, indem dem feuchten Fasermaterial Calcium­ oxid und/oder Calciumhydroxid zugesetzt wird, wobei zumindest ein Teil davon sich mit dem Wasser der Faserstoffmenge assoziieren kann. Das so behandelte Fasermaterial wird dann mit dem reinen Kohlendioxid oder mit dem Kohlendioxid enthaltenden Medium beaufschlagt. Überdies kann das entstandene CaCO3 um die Fasern eine Suspension bilden.
Dabei kann der Begriff "benetzte Faseroberflächen" alle benetzten Oberflä­ chen der einzelnen Fasern umfassen. Damit ist insbesondere auch der Fall mit erfaßt, bei dem die Fasern sowohl an ihrer Außenfläche als auch in ihrem Innern (Lumen) mit Calciumcarbonat beladen werden.
Demnach werden die Fasern mit dem Füllstoff Calciumcarbonat beladen, wobei die Anlagerung an die benetzten Faseroberflächen durch einen sog. "Fiber Loading™"-Prozeß erfolgt, wie er als solcher in der US-A-5 223 090 beschrieben ist. In diesem "Fiber Loading™"-Prozeß rea­ giert das CO2 mit dem Calciumhydroxid zu Wasser und Calciumcarbonat.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der jeweilige pH-Istwert mit einem entsprechend vorgebbaren Soll­ wert verglichen und die Regelabweichung über wenigstens eine der folgen­ den Prozeßstellgrößen vermindert oder beseitigt:
  • - Verweilzeit der Faserstoffsuspension im Reaktor
  • - Zuflußgeschwindigkeit der Faserstoffsuspension
  • - Druck des Kohlendioxids
  • - Temperatur der Faserstoffsuspension und/oder des Calciumhydroxids
  • - Druck im Reaktor
  • - Temperatur des CO2
  • - Druck des CO2
  • - Konzentration des CO2 im Medium
  • - Konzentration des CaO, des Ca(OH)2 und der Fasern
  • - spezifische Faseroberfläche.
Vorteilhafterweise ist der pH-Wert der Faserstoffsuspension in einem Be­ reich von etwa 5,5 bis etwa 10,5 regelbar.
Von Vorteil ist auch, wenn der Aschegehalt der Faserstoffsuspension in einem Bereich von etwa 1% bis etwa 70% regelbar ist.
Das Kohlendioxid wird vorzugsweise gasförmig zugeführt.
Die Temperatur des zugeführten Kohlendioxids kann in einem Bereich von etwa -10° bis etwa 250°C einstellbar oder regelbar sein.
In bestimmten Fällen ist es von Vorteil, wenn zusätzlich optische Eigen­ schaften, beispielsweise Weisse (Brightness), Helligkeit, Opazität Farbort, Lichtstreuungskoeffizient, als Indikator für den Ablauf der chemischen Reaktion herangezogen werden.
Im übrigen kann bei dem Beladen der Fasern mit Calciumcarbonat insbe­ sondere so vorgegangen werden, wie dies in der US-A-5 223 090 beschrie­ ben ist. Der Inhalt dieser Druckschrift wird hiermit durch Bezugnahme in die vorliegende Anmeldung mit aufgenommen.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgen­ den Beschreibung von Ausführungsbeispielen, bei der auf die Zeichnung Bezug genommen wird; in dieser zeigen:
Fig. 1 in schematischer Darstellung eine mögliche Ausfüh­ rungsform einer Vorrichtung zum Beladen von in einer Faserstoffsuspension enthaltenen Fasern mit Calcium­ carbonat,
Fig. 1a-1c verschiedene pH-Wert-Verläufe über der Reaktionszeit und
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausfüh­ rungsform zum Beladen von Fasern.
Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung eine rein beispielhafte Ausfüh­ rungsform einer Vorrichtung 10 zum Beladen von in einer Faserstoffsus­ pension enthaltenen Fasern mit Calciumcarbonat (CaCO3). Entsprechend dient diese Vorrichtung 10 der Einlagerung von Calciumcarbonat an die benetzten Faseroberflächen des Fasermaterials. Dabei kann dieses Bela­ den der Fasern dem Prinzip nach insbesondere entsprechend dem zuvor genannten "Fiber Loading™"-Prozeß erfolgen.
Die Vorrichtung 10 kann einen oder mehrere Reaktoren Ri umfassen, in der die mit Calciumoxid (CaO) und/oder Calciumhydroxid (Ca(OH)2) ver­ setzte Faserstoffsuspension mit reinem Kohlendioxid (CO2) oder mit einem Kohlendioxid (CO2) enthaltenden Medium beaufschlagbar ist.
pH-Meßort:
  • - mindestens vor/nach Reaktion;
  • - auch während der Reaktion;
  • - ggf. mehrere Messungen.
Vor und/oder nach und/oder in dem bzw. den Reaktoren Ri kann jeweils ein Fluffer 14 vorgesehen sein, in dem das Fasermaterial der Fasersus­ pension mit dem Ziel gespalten wird, die spezifische Oberfläche des Fa­ sermaterials derart zu vergrößern, daß die Zugänglichkeit für die Edukte an die Fasermaterialoberfläche optimiert wird.
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der erste Fluffer 14 zwi­ schen einem Reiner 16 und dem bzw. den Reaktoren 12 i vorgesehen. Al­ ternativ oder zusätzlich ist es beispielsweise auch möglich, einen solchen Fluffer 14 zwischen dem wenigstens einen Reaktor 12 i und einem Tank 18 vorzusehen. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel folgt auf den Tank 18 wieder ein Refiner 20, wonach es zur Papiermaschine PM geht.
Auch die weiteren in Fig. 1 noch enthaltenen Angaben sind rein bei­ spielhaft und einzeln oder in beliebiger Kombination verwendbar.
Beispielsweise mittels dieser Vorrichtung 10 kann somit eine Anlagerung von Calciumcarbonat an die benetzten Faseroberflächen des Fasermateri­ als erfolgen, wobei dieses Beladen der Fasern vom Prinzip her insbesonde­ re wieder entsprechend dem zuvor genannten "Fiber Loading™"-Prozeß erfolgen kann.
Dabei kann dem Fasermaterial das Calciumoxid und/oder Calcium­ hydroxid (gelöschter Kalk) enthaltende Medium insbesondere so zugesetzt werden, daß zumindest ein Teil davon sich mit dem im Fasermaterial, d. h. zwischen den Fasern, in den Hohlfasern und in deren Wänden, vorhande­ nen Wasser assoziieren kann, wobei sich die folgende chemische Reaktion einstellt:
CaO + H2O ⇒ Ca(OH)2
Löschen von gebranntem Kalk Löschkalk
In einem jeweiligen Reaktor wird das Fasermaterial dann derart mit Koh­ lendioxid (CO2) beaufschlagt, daß Calciumcarbonat (CaCO3) an die be­ netzten Faseroberflächen weitestgehend angelagert wird. Dabei stellt sich die folgende chemische Reaktion ein:
"Fiber Loading": Ca(OH)2 + CO2 ⇒ CaCO3 + H2O
(Calciumcarbonat + Wasser)
Beispielsweise mittels der zuvor beschriebenen Vorrichtung wird bei dem "Fiber Loading"-Prozeß nun vorzugsweise so vorgegangen, daß der Faser­ stoffsuspension ein Calciumoxid und/oder Calciumhydroxid enthaltendes Medium zugesetzt wird, daß die so behandelte Faserstoffsuspension ins­ besondere in wenigstens einem Reaktor mit einem weiteren, reines Koh­ lendioxid oder Kohlendioxid enthaltenden Medium beaufschlagt wird und daß im Verlauf der chemischen Reaktion für eine zumindest im wesentli­ chen vollständige Umsetzung der genannten Ausgangsstoffe Calciumoxid bzw. Calciumhydroxid und Kohlendioxid in die Reaktionsprodukte Calci­ umcarbonat und Wasser gesorgt wird, indem der pH-Wert der Faserstoff­ suspension entsprechend geregelt wird.
Dabei ist es von Vorteil, wenn der jeweilige pH-Istwert mit einem entspre­ chend vorgebbaren Sollwert verglichen und die Regelabweichung über we­ nigstens eine der folgenden Prozeßstellgrößen vermindert oder beseitigt wird:
  • - Verweilzeit der Faserstoffsuspension im Reaktor
  • - Zuflußgeschwindigkeit der Faserstoffsuspension
  • - Druck des Kohlendioxids
  • - Temperatur der Faserstoffsuspension und/oder des Calcium­ hydroxids
  • - Druck im Reaktor
  • - Temperatur des CO2
  • - Druck des CO2
  • - Konzentration des CO2 im Medium
  • - Konzentration des CaO, des Ca(OH)2 und der Fasern
  • - spezifische Faseroberfläche.
Eine solche pH-Regelung ist beispielsweise auch bei der in der Fig. 2 dargestellten Ausführungsform möglich.
Gemäß dieser Fig. 2 wird das vorliegende Faserstoff-Ausgangsmaterial 22 in einem Pulper 24 zu einem Fasermaterial 26 aufbereitet, in dem die Fasern dann zumindest im wesentlichen bereits vereinzelt, d. h. voneinan­ der getrennt sind. Das Fasermaterial 26 enthält zumindest teilweise Was­ ser. Dieses kann sowohl zwischen den Fasern als auch in den Innenräu­ men (Lumen) und in den Wänden der Hohlfasern vorhanden sein. Das Fa­ sermaterial 26 kann beispielsweise in Form eines sogenannten "dewatered crump pulp" (vgl. die US-A-5 223 090) vorgesehen sein.
Das Fasermaterial 26 wird anschließend einem Sammelbehälter 28 oder dergleichen zugeführt, in dem ein Calciumoxid und/oder Calciumhydroxid (gelöschter Kalk) enthaltendes Mittel 30 so zugesetzt wird; daß zumindest ein Teil davon sich mit dem im Fasermaterial, d. h. zwischen den Fasern, in den Hohlfasern und in deren Wänden, vorhandenen Wasser assoziiert. Dabei stellt sich wieder die folgende, oben bereits erwähnte chemische Re­ aktion ein:
CaO + H2O ⇒ Ca(OH)2
Löschen von gebranntem Kalk Löschkalk
Im Anschluß daran kann der Trockengehalt des Fasermaterials erhöht werden, beispielsweise durch Zuführung zu einer Presse 32, deren Preß­ wasser 34 wieder in den Kreislauf zurückgeführt wird. In diesem bei­ spielsweise durch zwei Fluffer 14 abgeschlossenen Reaktor 36 wird das Fasermaterial 26 mit dem reines Kohlendioxid oder Kohlendioxid enthal­ tenden Medium beaufschlagt, was in der Fig. 2 durch den in den Reak­ tor 36 weisenden Pfeil angedeutet ist.
Durch die Beaufschlagung des in der beschriebenen Weise bereits vorbe­ handelten Fasermaterials mit dem reines Kohlendioxid oder Kohlendioxid enthaltenden Medium stellt sich die folgende, zuvor ebenfalls bereits er­ wähnte chemische Reaktion ein:
"Fiber Loading™": Ca(OH)2 + CO2 ⇒ CaCO3 + H2O
(Calciumcarbonat + Wasser)
Unabhängig von der jeweiligen Art der verwendeten Vorrichtung sind hin­ sichtlich einer weiteren Optimierung des "Fiber Loading™"-Prozesses ein­ zeln oder in beliebiger Kombination auch die folgenden Maßnahmen oder Merkmale von Vorteil:
Zur Überwachung und/oder Regelung der chemischen Reaktion kann der pH-Wert der Faserstoffsuspension gemessen werden. Dabei ist der pH-Wert vorzugsweise in einem Bereich von etwa 5,5 bis etwa 10,5 einstell­ bar.
Der Aschegehalt der Faserstoffsuspension ist beispielsweise in einem Be­ reich von etwa 1% bis etwa 70% regelbar.
Das Kohlendioxid kann insbesondere gasförmig zugeführt werden. Die Temperatur des zugeführten. Kohlendioxids ist zweckmäßigerweise in ei­ nem Bereich von etwa -10° bis etwa 250°C einstellbar.
Als Indikatoren für die Regelung der chemischen Reaktion können bei­ spielsweise optische Eigenschaften, beispielsweise Weisse (Brightness), Helligkeit, Opazität, Farbort, Lichtstreuungskoeffizient, herangezogen werden.
Grundsätzlich ist es auch möglich, bei der Regelung der chemischen Re­ aktion als Regelgröße den pH-Wert, den Ascheanteil und/oder den Anteil an Calciumcarbonat (CaCO3) heranzuziehen.
In den in der Fig. 1 mit "VD" bezeichneten Bereichen ist auch eine Ver­ dünnung (H2O) möglich.
Auch die im folgenden genannten Maßnahmen oder Merkmale können, einzeln oder in beliebiger Kombination, einer weiteren Optimierung des Faserladeprozesses dienen:
AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Zufuhr von Pulp:
  • - Volumen und Massenstrom regelbar
  • - Temperatur regelbar in einem Bereich von etwa 5°C bis etwa 95°C
  • - Stoffdichte regelbar in einem Bereich von etwa 15% bis etwa 40% vorzugsweise von etwa 20% bis etwa 25%
  • - pH-Wert regelbar von etwa 10 bis etwa 13.
Calciumcarbonat (CaCO) im Reaktor:
  • - Kristalltypen: rhomboedrisch, skalenoedrisch, rosettenartig, sphärisch, nadelförmig, prismenförmig, aragonitisch, plättförmig, GCC und ähnliche
  • - Reaktion unter etwa 0,1 bis etwa 20 bar
  • - Temperatur von etwa -10° bis etwa 200°C
  • - Verweilzeit von etwa 1 Minute bis etwa 1 Stunde
Fluffing:
  • - dient der Vergrößerung der spezifischen Oberfläche
  • - einsetzbar vor und/oder nach und/oder in einem jeweiligen Reaktor bzw. den Reaktoren
  • - Spaltweite von etwa 0,1 bis etwa 100 mm, vorzugsweise einstellbar
  • - Energieeintrag in einen Bereich von etwa 5 kWh/t bis etwa 200 kWh/t
Refining:
  • - vor und/oder nach und/oder in einem jeweiligen Reaktor bzw. den Reaktoren bzw. dem "Fiber Loading™"-Prozeß
Druckbehälter oder Reaktor (*)/Verweilpulper nach Reaktor (**):
  • - (*) Kristalltypen: rhomboedrisch, skalenoedrisch, rosettenartig, sphärisch, nadelförmig, prismenförmig, aragonitisch, plättförmig, GCC und ähnliche
  • - (*) Reaktion unter etwa 0,1 bis etwa 20 bar
  • - (**) Temperatur in einem Bereich von etwa -10° bis etwa 250°C
  • - (*) pH-Wert von etwa 5,5 bis etwa 10,5 regelbar
  • - (**) Stoffdichte etwa 0,1% bis etwa 15%
  • - (**) CO2-Zugabe
  • - (**) Verweilzeit
CaCO3-Anteil am Pulp:
  • - Bei einem zugrundeliegenden Massenanteil von etwa 1% bis etwa 70% des Füllstoffs, etwa 1% bis etwa 60% an den Fasern ange­ lagerter Füllstoff, der Rest freies FLPCC™ (Fiber Loaded Precipia­ ted Calcium Carbonate) in der Suspension.
Fluffer ≈ Refiner
In den Fig. 1a-c ist für verschiedene Ausführungsbeispiele jeweils der pH-Wert über der Reaktionszeit dargestellt.
Weitere Informationen zu:
  • - pH-Meßort
  • - Referenzmessung am Fluffer 2 (vor/nach) - RS-Optimierung
Bezugszeichenliste
10
Vorrichtung zum Beladen von Fasern
12 i
Reaktor
14
Fluffer
16
Reimer
18
Tank
20
Refiner
22
Ausgangsmaterial
24
Pulper
26
Fasermaterial
28
Sammelbehälter
30
Calciumoxid und/oder Calciumhydroxid enthaltendes Reaktionsmittel
32
Presse
34
Preßwasser
36
Reaktor
38
Ventil
40
Papiermaschine
VD Verdünnung (H2
O)

Claims (9)

1. Verfahren zum Beladen von in einer Faserstoffsuspension (26) ent­ haltenen Fasern mit Calciumcarbonat durch eine chemische Reakti­ on, dadurch gekennzeichnet, daß der Faserstoffsuspension (26) ein Calciumoxid und/oder Calci­ umhydroxid enthaltendes Medium (30) zugesetzt wird, daß die so behandelte Faserstoffsuspension (26) insbesondere in wenigstens einem Reaktor (12, 36) mit einem weiteren, reines Kohlendioxid oder Kohlendioxid enthaltenden Medium beaufschlagt wird und daß im Verlauf der chemischen Reaktion für eine zumindest im wesentli­ chen vollständige Umsetzung der genannten Ausgangsstoffe Calci­ umoxid bzw. Calciumhydroxid und Kohlendioxid in die Reaktions­ produkte Calciumcarbonat und Wasser gesorgt wird, indem der pH- Wert der Faserstoffsuspension (26) entsprechend geregelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der jeweilige pH-Istwert mit einem entsprechend vorgebbaren Sollwert verglichen und die Regelabweichung über wenigstens eine der folgenden Prozeßstellgrößen vermindert oder beseitigt wird:
  • - Verweilzeit der Faserstoffsuspension (26) im Reaktor (12, 36)
  • - Zuflußgeschwindigkeit der Faserstoffsuspension (26)
  • - Druck des Kohlendioxids
  • - Temperatur der Faserstoffsuspension (26) und/oder des Calciumhydroxids
  • - Druck im Reaktor
  • - Temperatur des CO2
  • - Druck des CO2
  • - Konzentration des CO2 im Medium
  • - Konzentration des CaO, des Ca(OH)2 und der Fasern
  • - spezifische Faseroberfläche.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der pH-Wert der Faserstoffsuspension (26) in einem Bereich von etwa 5,5 bis etwa 10,5 regelbar ist.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Aschegehalt der Faserstoffsuspension (26) in einem Bereich von etwa 1% bis etwa 70% regelbar ist.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Kohlendioxid gasförmig zugeführt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des zugeführten Kohlendioxids in einem Bereich von etwa -10° bis etwa 250°C einstellbar oder regelbar ist.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich optische Eigenschaften, beispielsweise Weisse (Brightness), Helligkeit, Opazität, Farbort, Lichtstreuungskoeffizient, als Indikatoren für den Ablauf der chemischen Reaktion herangezo­ gen werden.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bezüglich des pH-Meßortes wenigstens einer der folgenden Schritte gewählt wird:
  • - mindestens vor/nach Reaktion;
  • - auch während der Reaktion;
  • - ggf. mehrere Messungen.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Druckregelung im Bereich von etwa 0,1 bis etwa 20 bar vorgesehen ist.
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