DE10120965A1 - Verfahren zur Herstellung von resistenten und hydrophobierten feinspänigen bzw. feinfasrigen Lignozellulosen - Google Patents

Abstract

Aufgabe der Erfindung ist die Entwicklung eines Verfahrens zur Herstellung von resistenten und hydrophobierten feinspänigen bzw. feinfaserigen Lignozellulosen für unterschiedliche Anwendungsbereiche, die keine Umweltbelastung verursachen, die mit niedrigen Kosten herstellbar sind und bei deren Herstellung keine Stoffwandlungsverluste und keine Emissionen auftreten. DOLLAR A Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass als Schutz- und Hydrophobierungsstoff eine niedrig inkohlte und bitumenhaltige jungtertiäre Weichbraunkohle genutzt wird. Die Weichbraunkohle wird hydromechanisch aufgeschlossen, damit die in ihr enthaltenen Stoffgruppen mit hydrophobierender und resistent machender Wirkung verfügbar werden und damit solche Stoffgruppen entstehen. Die auf Faser- bzw. Spänefeinheit zerkleinerten Lingozellulosen werden mit der hydromechanisch aufgeschlossenen Weichbraunkohle so vermischt, dass eine vollständige Durchtränkung der Späne und Fasern mit den kohlestämmigen Schutz- und Hydrophobierungssubstanzen erfolgt. Die behandelten Lignozellulosen werden anschließend getrocknet. DOLLAR A Die Erfindung ist anwendbar zur Herstellung von Bodenverbesserungsstoffen, Bodenbedeckungsstoffen, Basisstoffen für Werk- und Baustoffe.

Description

Lignozellulosen sind aus unterschiedlichen Stoffgruppen aufgebaute Naturstoffe. Die wichtigs­ ten Stoffgruppen sind Zellulose, Hemizellulose und Lignin. Hinzu kommen in geringeren Antei­ len Eiweiße, Fette, Zuckerverbindungen, Harze, Wachse u. a. m. Alle Pflanzeninhaltsstoffe sind biologisch mehr oder weniger schnell abbaubare Substanzen Das ist eine wichtige Grundlage für den Stoffkreislauf in der Natur. Für die praktische Nutzung dieser Rohstoffe ist die schnelle biologische Abbaubarkeit ein Nachteil, weil dadurch die Nutzungsdauer der aus ihnen herge­ stellten Produkte begrenzt wird bzw. ihr Einsatz für bestimmte Anwendungsfälle ausgeschlos­ sen werden muss. Wegen der biologischen Abbaubarkeit der Lignozellulosen wie z. B. Holz, Stroh, Schilf u. a. m müssen für deren technische Nutzung enorme Aufwendungen für ständige Erneuerungs- und Reparaturarbeiten getätigt werden.

Zur Verhinderung bzw. zur Reduzierung der biologischen Abbaubarkeit von Lignozellulosen im Nutzungsbereich wurden sehr viele Produkte und Verfahren entwickelt. Das wichtigste und sehr wirksame sowie besonders umweltschonende Verfahren zum Schutz von Holz, Stroh und ande­ ren Lignozellulosen vor biologischem Abbau ist das Trocknungsverfahren. Die Lignozellulosen sind sehr lange und teilweise über Jahrhunderte vor biologischem Abbau geschützt, wenn sie unter ihren rohstoffspezifischen maximalen Konservierungswassergehalt von größtenteils klei­ ner/gleich 15% getrocknet sind. Das Verfahren hat aber den Nachteil, dass der biologische Abbau sofort wieder einsetzt, wenn die Lignozellulosen durch Aufnahme von Wasser und/oder Luftfeuchtigkeit wieder feucht werden. Die Gefahr der Wiederbefeuchtung ist groß, weil die na­ turbelassenen Lignozellulosen hygroskopische Rohstoffe sind. Dieser Nachteil kann z. B. durch parzielle Denaturierung der besonders leicht abbaubaren und zudem stark hygroskopischen Stoffgruppen der Lignozellulosen mittels Heißdampf oder Heißluft weitgehend beseitigt werden. Für die Heißdampf- oder Heißluftbehandlung ist ein hoher Aufwand an Energie und Anlagen­ technik erforderlich und das Holz verliert durch die thermische Behandlung auch etwas an Fes­ tigkeit.

Für den Schutz von Lignozellulosen und insbesondere von Holz wurde des Weiteren eine Viel­ zahl an Produkten und Verfahren entwickelt, bei denen der biologische Abbau durch Holz­ schutzmittel in Form von unterschiedlichen chemischen Substanzen und Stoffkombinationen, wie z. B. Salzlösungen, Teeren und Bitumina sowie daraus hergestellten Dispersionen, von phenolhaltigen Lösungen u. a. m. verhindert oder vermindert wird. Alle diese Produkte und Ver­ fahren haben den Nachteil, dass naturfremde Stoffe verwendet werden, diese Produkte teilwei­ se relativ teuer sind und sie die Umwelt mehr oder weniger stark während der Behandlung der Lignozellulosen mit den Schutzstoffen und/oder in der Nutzungsphase der behandelten Pro­ dukte und/oder bei der späteren Entsorgung belasten. Der Aufwand für die Verhinderung einer Umweltbelastung ist hoch.

Das Ziel der Erfindung ist die Entwicklung eines Verfahrens zur Herstellung von resistenten und hydrophobierten feinspänigen Lignozellulosen für unterschiedliche Anwendungsbereiche, die durch die Verwendung eines natürlich entstandenen und ausreichend verfügbaren Rohstoffes als Schutz- und Hydrophobierungsstoff keine Umweltbelastung verursachen, die mit niedrigen Kosten herstellbar sind und für deren Herstellung keine chemischen Umwandlungssynthesen erforderlich sind, so dass keine Stoffumwandlungsverluste und keine Emissionen auftreten. Der Schutz- und Hydrophobierungsstoff soll selbst und auch die mit ihnen behandelten Lignozellu­ losen ohne Umweltbelastung recycelbar sein.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass für die Herstellung der resistenten und hydrophobierten feinspänigen Lignozellulosen als Schutz- und Hydrophobierungsstoff eine niedrig inkohlte und bitumenhaltige jungtertiäre Weichbraunkohle genutzt wird.

Die jungtertiäre Weichbraunkohle wird für die Herstellung eines umweltverträglichen Schutz- und Hydrophobierungsstoffes verwendet, weil sie ein allein durch bio- und geochemische Ab­ bauprozesse und Umwandlungsreaktionen aus Phytomasse entstandener Naturstoff ist. In der Weichbraunkohle haben sich alle Stoffgruppen angereichert, die sich durch eine hohe Resis­ tenz von Natur aus auszeichnen sowie durch strukturelle Umwandlung und/oder durch die Ein­ wirkung von natürlichen Schutzstoffen resistent geworden sind. Zu den natürlichen Schutzstof­ fen zählen z. B. die vielfältigen Abwehrstoffe der früheren Phytomasse sowie deren Wachse und Harze, die während des Inkohlungsprozesses fast vollständig erhalten geblieben sind und jetzt das extrahierbare Bitumina bilden. Hinzu kommen die Substanzen mit Schutzfunkionen, die von den Mikroorganismen in den verschiedenen Phasen der Kohlebildung erzeugt wurden sowie die aus dem Lignin der früheren Phytomasse entstandenen Huminsäuren und Huminstoffe.

Die Inhaltsstoffe der jungtertiären Weichbraunkohle mit hydrophobierender und gegen biologi­ schen Abbau schützender Wirkung sind nach der Förderung der Kohle aus dem Tagebau nicht 70 wirksam. Das ist der Grund, warum die Weichbraunkohle bislang nicht als Schutzstoff verwen­ det wurde. Die Stoffe sind eingekapselt oder sie haben sich unter den Reaktionsbedingugen in der Lagerstätte zu neuen Stoffaggregationen verbunden.

Die Aktivierung der Substanzen und Stoffgruppen mit hydrophobierender und resistent ma­ chender Wirkung der jungtertiären Weichbraunkohle wird erfindungsgemäß durch einen intensi­ ven hydromechanischen Aufschluss der Weichbraunkohle realisiert. Durch die intensive Nassaufschlussmahlung werden die eingekapselten Stoffe aufgeschlossen und die aggregierten Substanzen aufgetrennt. Des Weiteren entstehen durch Bruch von makromolekularen Struktu­ ren neue Stoffe, die direkt oder nach Verbindung mit anderen Kohlebestandteilen eine Schutz- und/oder hydrophobierende Wirkung erlangt haben. Die Schutz- und Hydroprobierungsstoffe werden also durch den hydromechanischen Aufschluss verfügbar gemacht, reaktiviert und durch Molekülbrüche erzeugt.

Bei der Nassaufschlussmahlung entsteht nach Bedarf ein dickbreiiges bis dünnflüssiges Mahl­ produkt. Die Kohlesubstanz ist zum großen Teil auf kolloidale Feinheit aufgeschlossen. Das Wasser fungiert bei der Nassaufschlussmahlung durch seine Quell- und Löseeigenschaften als Mahlhilfs- und als Dispersionsmittel. Aufgeschlossene Substanzen werden durch Hydrathüllen stabilisiert. Das Wasser vermittelt zudem Reaktionen zwischen aufgeschlossenen Feststoffen und/oder mit gelösten Substanzen. Die Mahlflüssigkeit ist selbst eine gesättigte Lösung und das Dispersionsmittel für die aufgeschlossenen feinen Kohlepartikel.

Die Menge der bei der Nassaufschlussmahlung zusätzlich benötigten Wassermenge ist vom Wassergehalt der Weichbraunkohle, von den Aufschlussbedingungen hinsichtlich Temperatur, den Beanspruchungsbedingungen und der Mahldauer sowie von den Verarbeitungsbedingun­ gen der Dispersion abhängig. Die erforderliche Wassermenge variiert zwischen wenigen Pro­ zent und kann sehr groß sein. Voraussetzung ist aber, dass eine fließfähige Dispersion ent­ steht.

Eine Aufheizung während der Nassaufschlussmahlung ist nicht unerlässlich notwendig, aber für den Aufschlussprozess sehr vorteilhaft. Der notwendige hohe Aufschlusseffekt wird durch in­ tensive und länger einwirkende Druck- und Schlagbeanspruchung und/oder durch Druck- Scherbeanspruchung realisiert. Für den hydromechanischen Aufschluss der jungtertiären bitu­ menhaltigen Weichbraunkohle sind lntensivmischer mit sehr hohem Eintrag an mechanischer Energie, sowie vor allem Schwingmühlen, Rührwerksmühlen, Extruder mit einer oder mit meh­ reren Schnecken, Refiner, Kolloidmühlen und ähnlich intensiv zerkleinernde Maschinen geeig­ net, wenn sie für die Nassmahlung tauglich sind.

Die Schutzwirkung der durch hydromechanischen Aufschluss von jungtertiärer bitumenhaltiger Weichbraunkohle erzeugten Kohledispersion beruht auf unterschiedlichen Effekten und ist des­ halb besonders wirksam. Es werden die Stoffe reaktiviert, die früheren Pflanzen vor Zerstörung durch Mikro- und Makroorganismen geschützt haben und die auch die Braunkohle in der Lagerstätte vor totalem Zerfall bewahrt haben. Eine weitere markante Schutzwirkung ha­ ben die Montanwachse und Montanharze der Weichbraunkohle, die selbst sehr resistent sind, so dass sie während der Inkohlung im naturnahen Zustand erhalten geblieben sind. Außerdem sind die Montanwachse und Montanharze ausgezeichnete Hydrophobierungsstoffe, die die Lignozellulosen vor Wasseraufnahme schützen und so die Lebensgrundlage für die Mikroorga­ nismen beeinträchtigen. Eine weitere erhebliche Schutzwirkung der aufgeschlossenen Weich­ braunkohle entsteht durch die Inertisierung der abbaubaren Bestandteile der Lignozellulosen als Folge von Reaktionen zwischen aktivierten Kohlesubstanzen und den Pflanzeninhaltsstoffen auf der Basis von Haupt- und Nebenvalenzbindungen, die insbesondere bei einer nachfolgen­ den Trocknung intensiviert werden. Des Weiteren entstehen resistent machende und zudem auch hydrophobierend wirkende Substanzen durch irrevlersible Reaktionen zwischen aufge­ schlossenen Kohlebestandteilen untereinander bei der Abtrocknung des Wassers und insbe­ sondere bei der thermischen Trocknung. Dabei entstehen wasserbeständige und biologisch schwer abbaubare Substanzen, die die Lignozellulosen schützen.

Eine weitere notwendige Maßnahme für das Wirksamwerden der aufgeschlossenen bitumen­ haltigen jungtertiären Weichbraunkohle ist die durchgängige Durchtränkung der Lignozellulosen mit der Kohledispersion. Das Auftragen der Kohle auf die äußeren Oberflächen der Lignozellu­ losen wäre nur eine begrenzt wirksame Maßnahme. Eine besonders hohe Schutz- und Hydrophobierungswirkung wird mit der aufgeschlossenen Weichbraunkohle erst dann ereicht, wenn

• - auch die Lignozellulosen auf eine hohe Feinheit zerkleinert werden, damit die Diffusionswe­ ge für das Eindringen der aufgeschlossenen Weichbraunkohle in die Späne bzw. in die Fa­ sern kurz sind,
• - ein großer Teil der Weichbraunkohle bis auf kolloidale Feinheit zerkleinert wurde bzw. mak­ romolekular in Wasser aufgelöst ist, damit der Eindringwiderstand in die Struktur der Ligno­ zellulosen möglichst gering ist. Der Eindringprozess in die Lignozellulosen wird durch Ver­ dünnung und Erwärmung der aufgeschlossenen Kohlesubstanz beschleunigt,
• - der Durchtränkungsprozess durch Einwirken von hydrostatischen und/oder mechanischem Druck erzwungen wird, damit auch die schwer zugänglichen bzw. noch verschlossenen Be­ reiche der Lignozellulosen durchtränkt werden.

Die genannten Maßnahmen können nacheinander realisiert werden. Die aufgeschlossene und aktivierte Weichbraunkohle kann z. B. mit bereits fein zerkeinerten Lignozellulosen mittels Inten­ sivmischer durchtränkend vermischt werden. Des Weilteren ist eine durchtränkende Vermi­ schung von bereits zerkleinerten Lignozellulosen mit der Weichbraunkohle auch durch Nass­ mahlung mit Schwingmühlen möglich. Unter diesen Bedingungen werden die elastischen und zähen Lignozellulosen nur wenig zerkleinert. In der Mühle wird vor allem die Weichbraunkohle hydromechanisch aufgeschlossen und gleichzeitig durch die anhaltende Druckbeanspruchung in das Innere der Lignozellulosen getrieben. Besonders wirksam ist die gemeinsame Nassauf­ schlussmahlung von Lignozellulosen und Weichbraunkohle bei erhöhten Temperaturen von größer/gleich 80°C unter starker und länger einwirkender Druck-Scherbeanspruchung z. B. im Extruder.

Die Schutz- und Hydrophobierungswirkung der aufgeschlossenen Weichbraunkohle ist schon im feuchten Zustand der Produkte parziell vorhanden, wenn die Lignozellulosen mit der Kohle­ dispersion durchtränkt werden. Die Schutz- und Hydrophobierungswirkung wird aber wesentlich auf das notwendige hohe Niveau verstärkt, wenn das Wasser nicht notwendigerweise, aber vorzugsweise durch thermische Trocknung bei erhöhten Temperaturen von größer 80°C ver­ dunstet wird. Der wichtigste Grund für diesen die Schutz- und Hydrophobierungswirkung der Weichbraunkohle beträchtlich verstärkenden Effekt ist das Entstehen neuer Produkte durch irreversible Reaktion zwischen Pflanzeninhaltsstoffen und aktivierten Kohlebestandteilen sowie zwischen aktivierten Kohlebestandteilen untereinander als Folge des Wasserentzuges und/oder der Erwärmung. Dabei entstehen schwer abbaubare und hydrophobe Stoffe.

Durch die Durchtränkung der Lignozellulosen mit aufgeschlossener jungtertiärer Weichbraun­ kohle entsteht ein späniger und/oder fasriger Rohstoff, der auch unter feuchten Bedingungen lange beständig ist. Durch Trocknung der mit aufgeschlossener Weichbraunkohle durchtränkten Lignozellulose entsteht ein stark hydrophobierter und sehr resistenter späniger oder fasriger Stoff, der z. B. trotz seiner Feinheit im Gegensatz zu ungeschützten Holzspänen oder Holzfa­ serstoffen mehr als ein Jahr auf Wasser ohne jegliche biologische Abbauprozesse schwimmt, dessen hygroskopische Eigenschaften im Vergleich zu den Lignozellulosen im Ausgangszu­ stand stark reduziert sind, der sich beim Kontakt mit Wasser schwer benetzen lässt und der wenig Wasser in die Fasern aufnimmt.

Die Späne bzw. der Faserstoff aus Lignozellulosen und aufgeschlossener Weichbraunkohle sind z. B. einsetzbar als Dämmstoffe, als Bodenbedeckungs- oder Bodenverbesserungsstoffe, als Rohstoff für mit und ohne Binde- oder Klebstoffe gebundene Bau- und Werkstoffe u. a. m.

Ausführungsbeispiel

70% Holzhackschnitzel im waldfrischen Zustand mit einem Wassergehalt von 53 Masse- Prozent und 30 Masse-Prozent jungtertiäre Weichbraunkohle mit einem Feuchtegehalt von et­ wa 60 Masse-Prozent und einem Gehalt an 12 Masse-Prozent extrahierbaren Wachsen und Harzen werden vermischt. Das Mischgut aus Holzhackschnitzel und Weichbraunkohle wird an­ schließend mit 15 Masse-Prozent Wasser befeuchtet und danach mit einem Doppelschnecken­ extruder zerkleinert. Im Doppelschneckenextruder wird das Mischgut durch sehr hohe und län­ ger einwirkende Druck-Scherbeanspruchungen zerkleinert. Die Intensität der Beanspruchung ist so groß, dass sich das Gut schnell auf 100°C erwärmt und den Extruder als heiße, stark zerkleinerte fließfähige Masse verlässt. Die Holzhackschnitzel werden auf hohe Feinheit zerfasert. Die Braunkohle wird dispergiert und zum großen Teil auf kolloidale Feinheit aufgeschlossen. Durch den Überdruck im Extruder und die hohe mechanische Beanspruchung wird der Holzfa­ serstoff durchgängig mit aufgeschlossenen Kohlebestandteilen durchtränkt. Der Holz/Kohle- Faserstoff hat nach der Trocknung auf einen Wassergehalt von 14% stark hydrophobe Eigen­ schaften und ist sehr widerstandsfähig gegenüber biologischem Abbau. Nach dem Auflegen auf Wasser ist auch nach 6 Monaten die volle Schwimmfähigkeit erhalten. Biologische Abbaupro­ zesse und Geruchsbildung sind nicht feststellbar.

Claims (5)

1. Verfahren zur Herstellung von resistenten und hydrophobierten feinspänigen bzw. feinfasrigen Lignozellulosen, die ohne Umweltbelastung erzeugt, eingesetzt und recycelt sowie mit geringen Kosten hergestellt werden können, gekennzeichnet dadurch, dass als Schutz- und Hydrophobierungsstoff für die Lignozellulosen eine unter natürlichen Bedingungen entstandene niedrig inkohlte und bitumenhaltige jungtertiäre Weichbraunkohle genutzt wird und für die Herstellung der resistenten und hydrophobierten Lignozellulosen folgende Verfahrensbedingungen eingehalten werden:

• a) Überführung der niedrig inkohlten bitumenhaltigen jungteritären Weichbraunkohlen durch intensiven hydromechanischen Aufschluss mittels Schlag- und/oder Druck- Scherbeanspruchung in ein in Wasser dispergiertes dickbreiiges bis dünnflüssiges Stoffsystem mit hoher Feinheit und hohem Anteil an kolloiddispergierter und gelöster Kohlesubstanz, in dem die Substanzen und Stoffgruppen mit hydrophobierender und resistent machender Wirkung aus dem ursprünglichen Aggregationsverbund entkoppelt und zudem durch Auflösen und/oder Molekülbruch bei der Nassaufschlussmahlung neu erzeugt werden,
• b) Zerkleinerung der Lignozellulosen auf hohe Späne- und Faserfeinheit zur Verringerung des Diffusionswiderstandes für das Eindringen des Schutz- und Hydrophobierungsstoffes,
• c) Vollständige Durchtränkung der spänigen oder fasrigen Lignozellulosen mit den fließfähigen und sehr fein aufgeschlossenen Schutz- und Hydrophobierungsstoffen aus jungtertiärer bitumenhaltiger Weichbraunkohle unter Einwirkung von hydrostatischem und/oder mechanischem Überdruck z. B. in Intensivmischern oder in Extrudern,
• d) Trocknung der mit der aufgeschlossenen jungtertiären bitumenhaltigen Weichbraunkohle durchtränkten Lignozellulosespäne bzw. Lignozellulosefasern auf Feuchtegehalte mit mindestens kleiner/gleich 35% und vorzugsweise kleiner/gleich 20%, wobei die Trocknung nicht notwendigerweise, aber vorzugsweise durch thermische Trocknung mit Temperaturen von größer 80°C durchgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutz- und Hydrophobierungswirkung der hydromechanisch aufgeschlossenen jungtertiären und bitumenhaltigen Weichbraunkohle durch die Reaktivierung von Schutzsubstanzen der ursprünglichen Phytomasse, durch den Aufschluss und die Dispergierung von Montanwachsen und Montanharzen, durch die Erzeugung neuer Schutzstoffe durch Makromolekülbruch bei der Nassaufschlussmahlung sowie durch Reaktionen zwischen Kohlesubstanzen und Pflanzeninhaltsstoffen und aufgeschlossenen Kohlebestandteilen untereinander als Folge der Trocknung erreicht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der hydromechanische Aufschluss der jungtertiären bitumenhaltigen Weichbraunkohle nicht notwendigerweise, aber vorteilhaft bei erhöhten Temperaturen von größer/gleich 80 °C durchgeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die unter Anspruch 1 genannten Prozessschritte a) bis c) nacheinander, aber vorzugsweise gleichzeitig durchgeführt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für den hydromechanischen Aufschluss der Weichbraunkohle Maschinen mit hohem und anhaltend hohem mechanischen Energieeintrag verwendet werden, wie z. B. lntensivmischer und vor allem Schwingmühlen, Rührwerksmühlen, Extruder, Refiner, Kolloidmühlen u. a. m..