DE102005049230A1

DE102005049230A1 - Verfahren zur Behandlung unverwobener Faserstoffe und Vorrichtung zum Bleichen

Info

Publication number: DE102005049230A1
Application number: DE102005049230A
Authority: DE
Inventors: Helmut Dr. Figalist; Werner Dr. Hartmann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2005-06-16
Filing date: 2005-10-14
Publication date: 2006-12-28
Also published as: WO2006134127A1; ES2520891T3; EP1891266B1; EP1891266A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Bleichvorrichtung (38) und ein Verfahren zum Bleichen unverwobener Faserstoffe in einer Suspension, insbesondere als Pulpe oder Faserbrei, in einem oder an einem durch Begrenzungswände gegebenen Behandlungsvolumen, wobei in/durch das Behandlungsvolumen die Suspension einfüllbar oder durchfließbar ist, mit mindestens einer ersten Elektrode (43'). Durch einen mit der ersten Elektrode (43') verbundenen Hochspannungsimpulsgenerator (46), mit welchem im Behandlungsvolumen und/oder in dessen unmittelbarer Umgebung ein Plasma erzeugbar ist, wird eine bleichende Wirkung hervorgerufen. Der Einsatz von Chemikalien beim Bleichen von Faserstoffen wird durch die Erfindung weiter vermindert.

Description

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der industriellen Behandlung von faserigen Materialien.
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bleichen unverwobener Faserstoffe in einer Suspension, insbesondere als Pulpe oder Faserbrei, in einem oder an einem durch Begrenzungswände gegebenen Behandlungsvolumen, wobei in/durch das Behandlungsvolumen die Suspension einfüllbar oder durchfließbar ist.
Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Behandlung unverwobener Faserstoffe in einer Suspension, insbesondere als Pulpe oder Faserbrei, vorzugsweise zum Betrieb der Bleichvorrichtung nach der Erfindung.

Zur Entkeimung oder Sterilisierung oder auch zur Reinigung von Trinkwasser und Abwasser von kohlenwasserstoff-basierten Verunreinigungen sind aus „Satoh et al., Ozone generation by a discharge in bubbled water, Digest of Technical Papers 12th IEEE International Pulsed Power Conference 1999" ein Verfahren und eine Vorrichtung bekannt.

Aus WO 2004/101891 A1 ist ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung von Papier oder verbundenen Fasern mit Plasma bekannt.

Ein Ziel bei der Behandlung unverwobener Faserstoffe ist das Bleichen der Faserstoffe. Beim Bleichen von beispielsweise Zellstoff ist es u.a. ein Ziel, das in dem Zellstoff enthaltene Lignin zu entfernen oder bestimmte „farbige" Molekülgruppen zu zerstören. Diese Art der Behandlung führt vorzugsweise zu einem höheren Weißegrad des Zellstoffs.

Heutige Bleichverfahren beruhen auf der chemischen Behandlung des fasrigen Materials. Typische Bleichchemikalien sind Chlor, Chlordioxyd, schweflige Säuren, Extraktion mit Natronlauge, Sauerstoff, Wasserstoffperoxyd und Ozon. Abhängig von der verwendeten Methode sind alkalische oder saure Umgebungsbedingungen gefordert. Moderne Bleichverfahren nutzen häufig verschiedenen Bleichstufen, in denen verschiedene Bleichchemikalien zum Einsatz kommen, wobei jede Bleichstufe typischerweise aus einer Mischeinheit und einem nachfolgenden Reaktionsturm besteht. Bei diesen Verfahren müssen die zum Teil hochgiftigen (Chlordioxyd) oder stark ätzenden Säuren, Laugen oder Reagenzien in großer Menge transportiert, gelagert und nach Ablauf des Prozesses auch wieder aufgearbeitet bzw. entsorgt werden.

Eine Effektivität des Bleichprozesses hängt im Allgemeinen von der richtigen Konzentration gewisser Reagenzien in einer faserigen Suspension ab. Bei einer Peroxydbleiche hängt die Effektivität des Bleichprozesses ganz entscheidend von der Konzentration eines Perhydroxid (HOO^–) ab.

Eine Reaktionsrate hängt unter anderem von einem pH-Wert und einer Temperatur der Suspension ab. Ein typischer Wert für die Temperatur ist z.B. 60°C bis 70°C und ein typischer Wert für einen pH-Wert liegt bei ca. 10,5. Der pH-Wert wird in der Regel über die Zugabe zusätzlicher Chemikalien wie Natriumhydroxid oder Natriumsilikat gesteuert. Einige Verfahren benutzen Druck und höhere Temperaturen um eine notwendige Verweilzeit in beispielsweise einem Reaktionsturm zu reduzieren. Ein wesentlicher Kostenfaktor bei einem Bleichverfahren hängt zu einem großen Teil von der Art und der Menge der eingesetzten Chemikalien sowie deren Weiterbehandlung, wie einer Abtrennung oder einer Entsorgung, ab.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, um den Einsatz von Chemikalien beim Bleichen von unverwobenen Faserstoffen zu vermindern.

Die Aufgabe wird bezogen auf die eingangs genannte Vorrichtung gemäß der Erfindung gelöst durch einen mit einer ersten Elektrode verbundenen Hochspannungsimpulsgenerator, mit welchem im Behandlungsvolumen und/oder in dessen unmittelbarer Umgebung ein Plasma erzeugbar ist. Da der Prozess der Plasmaerzeugung in der Bleichvorrichtung gut steuerbar ist und kurze Reaktionszeiten besitzt, erhält man ein einfach zu regelndes, verbessertes Bleichverfahren in einer Bleichvorrichtung.

In einer bevorzugten Ausgestaltung wird das Plasma in einem Abstand von < 20 cm, vorzugsweise < 10 cm, vorzugsweise < 5 cm, vom Behandlungsvolumen erzeugt. Durch die direkte Behandlung der Faserstoffe, vorzugsweise Zellstofffasern, mit – vorzugsweise kaltem – Plasma werden in der Suspension bestimmte Radikale erzeugt. Diese Radikale haben bleichende chemische Reaktionen zur Folge.

Mit zusätzlichem Vorteil ist die Bleichvorrichtung für Faserstoffe für die Herstellung von Papier, Pappe oder Karton geeignet und/oder die Faserstoffe sind einem solchen Herstellungsprozess als Prozessgut zuführbar.

Zweckmäßig ist ferner, dass das Behandlungsvolumen zum Einfüllen bzw. Durchfließen der Suspension, vorzugsweise eines Ausgangsmaterials bei der Papier-, Pappe- bzw. Kartonherstellung, insbesondere einer zu bleichenden Pulpe oder eines zu bleichenden Faserbreis, geeignet ist. Durch ein Einfüllen bzw. Durchfließen der Suspension durch das Behandlungsvolumen lässt sich der Bleichprozess bereits während einer automatisierten Einfüllphase der Suspension starten. Auch die Zeit des Durchfließens bzw. Weiterfließens zu einem nächsten Prozessschritt kann für den Bleichprozess genutzt und somit eine effektive Bleichzeit stark herabgesetzt werden.

Eine andere bevorzugte Ausführungsform ist, dass mindestens eine zweite Elektrode zur Plasmaerzeugung vorhanden ist. Durch das gezielte Vorsehen einer zweiten Elektrode an für den Bleichprozess vorteilhaften Orten kann das erzeugte Plasma bzw. die erzeugte Gasentladung gezielt auf die Suspension oder in der Suspension appliziert werden.

Eine weitere Steigung des Bleichergebnisses wird dadurch erzielt, dass wenigstens eine der Elektroden derart angeordnet ist, dass sie bei in das Behandlungsvolumen eingefüllter oder darin durchfließender Suspension mit der Suspension in Berührung kommt.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist wenigstens eine der Elektroden derart angeordnet, dass das Plasma, vorzugsweise größtenteils, in einem oberflächennahen Volumen unter oder über der Oberfläche der eingefüllten Suspension erzeugt wird. Durch eine – vorzugsweise gepulste – Entladung im oberflächennahen Gasbereich der Suspension, insbesondere Pulpe, zwischen einem Elektrodensystem können in der Gasentladung erzeugte Radikale durch Diffusion gut in die Suspension gelangen.

Mit weiterem Vorteil sind die Elektroden flächig ausgebildet, wobei insbesondere die zweite Elektrode zumindest teilweise in der Suspension eintauchbar ist und/oder die erste Elektrode parallel zur zweiten Elektrode außerhalb der Suspension angeordnet ist. Das bereits erwähnte Diffundieren von beispielsweise Radikalen in die Suspension geschieht auf diese Weise noch effizienter. Durch eine solche Anordnung wird vorzugsweise eine hybride Entladung hervorgerufen.

Zweckmäßig ist außerdem, dass die Elektroden flächig ausgebildet sind, wobei die erste Elektrode und die zweite Elektrode parallel zueinander im oberflächennahen Bereich der Suspension angeordnet sind. Durch ein flächig ausgestaltetes Elektrodensystem wird das Plasma auf vorteilhafte Weise, beispielsweise im oberflächennahen Bereich eines Bleichbottichs, appliziert. Fließt die Suspension, vorzugsweise bei der Papierherstellung, auf ein Sieb und ist somit flächig verteilt, so kann eine Bleichvorrichtung mit einem flächig ausgestalteten Elektrodensystem mit Vorteil angewendet werden.

Nach einem weiteren Ausgestaltungsmerkmal ist eine Begrenzungswand des Behandlungsvolumens als Elektrode hergerichtet. Durch diese Art der Vorrichtung kann das Plasma bzw. die Gasentladung auch auf die gesamte Oberfläche, welche die Suspension in dem Behandlungsvolumen bildet, appliziert werden.

Weiterhin kann die Vorrichtung derart ausgestaltet sein, dass das Behandlungsvolumen als eine Rohrleitung, insbesondere als Verbindungselement, für den Transport der Suspension ausgestaltet ist. Eine Einrichtung zum Transport der Suspension kann somit auf vorteilhafte Weise sowohl als Transport- als auch als Bleichvorrichtung genutzt werden.

Bei einer vorrichtungsgemäßen Ausgestaltung des Elektrodensystems ist vorzugsweise mindestens eine Elektrode als Platte ausgestaltet.

Insbesondere sind die Elektroden als mindestens zwei gegenüberstehende, vorzugsweise parallel zueinander verlaufende, Platten angeordnet.

Nach einer weiteren Ausgestaltungsform der Bleichvorrichtung ist mindestens eine Elektrode als Draht ausgestaltet.

Weiterhin ist zweckmäßig, dass mindestens eine Elektrode als ein Drahtgeflecht, insbesondere als ein Drahtgitter ausgestaltet ist.

Weiterhin kann die Bleichvorrichtung derart hergerichtet sein, dass mindestens eine Elektrode als ein Gitter, insbesondere als eine Anordnung von sich rechtswinklig oder schräg kreuzenden Rundstäben und/oder Flachleisten, vorzugsweise in Form eines Siebes, ausgestaltet ist.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Elektroden als mindestens zwei gegenüberstehende, vorzugsweise parallel zueinander verlaufende, Gitter angeordnet. Bei einer fließenden Suspension, insbesondere ein herabfallender Vorhang aus Suspension, kann die Elektrodenanordnung mit Vorteil für ein beidseitiges Applizieren von Plasma auf den Suspensions-Vorhang genutzt werden.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Bleichvorrichtung weist vorzugsweise mindestens eine Elektrode eine oder mehrere Spitzen auf. Es ist bekannt, dass an Elektroden mit Spitzen besonders hohe Feldstärken auftreten, welche hier auf vorteilhafte Weise zur Plasmabildung genutzt werden können.

In einer anderen Ausgestaltungsvariante der Bleichvorrichtung ist vorzugsweise mindestens eine Elektrode als ein Rohr ausgestaltet. Beispielsweise mündet eine Ablassöffnung der Bleichvorrichtung zweckmäßiger Weise in das Rohr. Während des Durchfließens oder des Abfließens der Suspension durch das Rohr kann mittels der als Rohr ausgestalteten Elektrode die Suspension, insbesondere die darin enthaltenen Faser- oder Zellstoffe, gebleicht werden.

Weitere bevorzugte Ausgestaltungsmerkmale der Bleichvorrichtung, insbesondere der Elektrodenanordnungen der Bleichvorrichtung, sind durch die Patentansprüche 20–22 wiedergegeben.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weißt die Bleichvorrichtung ein Mittel zum Injizieren von Gas, insbesondere Luft oder Sauerstoff, vorzugsweise reinem Sauerstoff oder Sauerstoff mit beispielsweise Edelgas als Trägergas, in das Behandlungsvolumen auf. Durch diese vorteilhafte Anordnung werden, vorzugsweise fein verteilte Luftblasen oder Sauerstoff oder Sauerstoff mit einem Trägergas wie z.B. Argon, in die Suspension eingeströmt. Mittels des Mittels zum Injizieren von Gas sind im Entladungsbereich feinste „Gasperlen" vorhanden. Mit Hilfe dieser „Gasperlen" können auf besonders vorteilhafte Art und Weise Radikale erzeugt werden, welche sich schnell und gut verteilt in der Suspension lösen.

Nach der verfahrensseitigen Lösung der eingangs genannten Aufgabe durch die Erfindung ist vorgesehen, dass die Suspension mit, vorzugsweise nicht-thermischem, großflächigem Plasma unter mindestens Atmosphärendruck in Kontakt gebracht, das Plasma in unmittelbarer Nähe zur Suspension erzeugt oder in der Suspension oder in unmittelbarer Umgebung der Suspension eine Gasentladung insbesondere eine Koronaentladung unter mindestens Atmosphärendruck erzeugt wird. Durch die direkte Behandlung der Suspension, insbesondere Zellstofffasern, mit „kaltem Plasma" werden in der Suspension Radikale erzeugt. Diese Radikale lösen bleichende chemische Reaktionen in der Suspension bzw. in den Faserstoffen aus.

Vorteilhafterweise wird das Plasma in einem Abstand von < 20 cm, vorzugsweise < 10 cm, vorzugsweise < 5 cm, von der Suspension erzeugt. Um ein gutes Bleichergebnis zu erzielen ist es von Vorteil, das Plasma in der unmittelbaren Umgebung der Suspension zu erzeugen.

Mit besonderem Vorteil, insbesondere in der Papierindustrie, ist die Suspension für die Herstellung von Papier, Pappe oder Karton geeignet.

Eine, vorzugsweise abgelagerte, Suspension kann als ein feuchtes oder nasses Blatt verwendet werden. Mit Vorteil wird das feuchte oder nasse Blatt mit Plasma behandelt.

Auf besonders vorteilhafte Weise werden zur Erzeugung des Plasmas bzw. der Gasentladung zwischen Elektroden Hochspannungsimpulse mit einer Dauer von weniger als 10 μs erzeugt. Die Verwendung von derartig kurzen Hochspannungs-Einzelimpulsen hat sich als besonders vorteilhaft gezeigt, wogegen die Verwendung von Radiofrequenz- (RF) oder Mikrowellenimpul sen oder von Hochspannungseinzelimpulsen mit mehr als 10 μs Dauer weit weniger effizient ist.

Vorzugsweise wird das Plasma bzw. die Gasentladung vor und/oder während der Blattbildung an die Suspension appliziert, insbesondere beim Durchlauf durch oder über eine Siebvorrichtung. Von Vorteil ist es hierbei, dass das Plasma bzw. die Gasentladung an unterschiedlichen Orten innerhalb eines Papierherstellungsprozesses angewendet wird.

Um eine möglichst hohe Behandlungseffizienz, vorzugsweise beim Bleichen, zu erreichen, ist es von Vorteil, dass die Suspension beidseitig mit dem Plasma in Kontakt gebracht bzw. mittels der Gasentladung behandelt wird.

Vorteilhafterweise wird das Plasma bzw. die Gasentladung zum Bleichen der Suspension, der Pulpe oder des Faserbreis, insbesondere in einem Kocher, in einem Bleichbehältnis oder in einer Leitung, verwendet.

Hierbei ist es von besonderem Vorteil, dass die Suspension, die Pulpe oder Faserbrei, mit zumindest einer Elektrode zur Erzeugung des Plasmas bzw. der Gasentladung in Kontakt gebracht wird.

Vorzugsweise wird das Plasma bzw. die Gasentladung in der Suspension erzeugt. Um eine mögliche Streamerentladung mit einer effizienten Radikalenerzeugung in der Suspension einzuleiten, ist es von Vorteil, das Plasma direkt in der Suspension mit kurzen Hochspannungseinzelimpulsen zu erzeugen. Bei Verwendung langer Impulse wird der größte Anteil der Impulsenergie in Wärme umgewandelt. Der Grund liegt in der hohen Leitfähigkeit der u.a. mit einer Vielzahl von Chemikalien versetzten Suspension, so dass bei Verwendung langer Impulse der größte Anteil der Impulsenergie ungenutzt bleibt.

Zweckmäßigerweise wird das Verfahren auf verschiedene Arten bzw. Zustände von Suspensionen angewendet. Bei einer bevor zugten Anwendung liegt der Gehalt an Trägerflüssigkeit, insbesondere Wasser, in der Suspension im Bereich zwischen 40% und 99,9%, vorzugsweise im Bereich zwischen 80% und 98% und insbesondere im Bereich zwischen 85% und 98%.

Auf vorteilhafte Art und Weise werden im Plasma oder mittels der Gasentladung Radikale erzeugt, die auf die Faserstoffe einwirken. Diese Radikale lösen bleichende chemische Reaktionen aus, durch die entweder Bleichchemikalien ersetzt oder deren Verbrauch stark reduziert werden können.

Besonders bevorzugt und zweckmäßig ist es, dass für verschiedene Zustände von Suspensionen in einem Papier-, Karton- oder Pappe-Herstellungsprozess insbesondere an unterschiedlichen Prozessstufen, Radikale unterschiedlicher Art oder Zusammensetzung verwendet werden. Mögliche Prozessstufen, insbesondere in einem Papierherstellungsprozess, können sein Kochen, Malen, Bleichen, Sieben, Pressen. Mit Vorteil kann bereits beim Kochen der Ausgangsmaterialien die Suspension mit Plasma bzw. einer Gasentladung behandelt werden. Auch beim Sieben, welches bei einem Papierherstellungsprozess die Vorstufe zur Blattbildung darstellt, wird die Suspension vorzugsweise mit einer anderen Art von Radikalen, als sie beim Kochen eingesetzt wurden, behandelt.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird die Suspension innerhalb einer Prozessstufe in einem Papier- oder Karton-Herstellungsprozess Radikalen unterschiedlicher Art oder Zusammensetzung ausgesetzt, vorzugsweise zeitlich nacheinander folgend. Mit Vorteil wird so ein optimales Behandlungsergebnis Schritt für Schritt erzielt.

Vorzugsweise werden als Radikale Ozon (O₃), Wasserstoffperoxyd (H₂O₂), Hydroxyl-Radikale (OH), HO₂ und oder HO₂ ^– erzeugt. Beim Einsatz von H₂O₂ als OH-Radikal-Quelle sind zusätzlich auch nicht radikalische Reaktionswege möglich. Dabei bilden sich vorzugsweise Addukte von Nucleophilen und H₂O₂, die stärkere Oxidationsmittel als das Wasserstoffperoxyd selbst darstellen.

Auf vorteilhafte Weise wird beim Bleichen in der Suspension oder in der Pulpe oder in dem Faserbrei das Plasma oder die Gasentladung derart appliziert, dass als Radikale vermehrt Ozon (O₃) und oder Wasserstoffperoxyd (H₂O₂) gebildet wird.

In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung wird vorzugsweise beim Sieben und/oder in/im flächig verteilter/n Suspension oder Pulpe oder Faserbrei oder im sich bildenden oder gebildeten, noch ungepressten Blatt das Plasma oder die Gasentladung derart appliziert, dass als Radikale vermehrt Hydroxyl-Radikale, HO₂ und/oder HO₂ ^– gebildet wird.

Zweckmäßig ist, dass eine Erzeugungsrate der Radikale und/oder die Zusammensetzung der erzeugten Radikale durch Beeinflussung einer Amplitude, einer Impulsdauer und/oder einer Impulswiederholrate der Hochspannungsimpulse gesteuert wird. Da die Konzentration der Radikale durch einen elektrischen Prozess erzeugt und damit in Echtzeit sehr gut steuerbar ist, ist ein solches Verfahren sehr wirtschaftlich und kann innerhalb kürzester Zeit für unterschiedliche Behandlungsergebnisse nachgeregelt werden.

Zweckmäßig ist ferner, dass zur Steuerung und Regelung der Erzeugungsrate und/oder der Art der erzeugten Radikale eine Konzentration der erzeugten Radikale gemessen wird.

Weiterhin ist es zweckmäßig, dass zur Steuerung und Regelung der Erzeugungsrate oder der Zusammensetzung der erzeugten Radikale eine Eigenschaft der Suspension, vorzugsweise eine Qualitätseigenschaft, insbesondere dessen Opazität, Glanz, Weiße, Fluoreszenz oder Farbpunkt, gemessen wird. Anhand der Messung der Qualitätseigenschaften erhält man eine Rückmeldung, welche es gestattet den Behandlungsprozess optimal zu steuern.

Im Hinblick auf eine eingesetzte Automatisierungslösung für das Verfahren ist es von besonderem Vorteil, dass die Konzentration bzw. die Eigenschaft „online" gemessen wird.

Um die Erzeugungsrate der Radikale zu regeln oder zu steuern wird vorzugsweise die Amplitude der Hochspannungsimpulse bei konstanter Wiederholrate verändert.

Des Weiteren wird vorzugsweise zur Beeinflussung der Erzeugungsrate die Wiederholrate der Hochspannungsimpulse bei konstanter Amplitude verändert.

Eine weitere Steigerung des Behandlungsergebnisses, insbesondere eines Bleichergebnisses, wird dadurch erreicht, dass die Suspension, die Pulpe, oder der Faserbrei, vorzugsweise zum Bleichen im plasmabeaufschlagten Bereich mit Sauerstoff angereichert wird.

Vorteilhaft im Hinblick auf ein Behandlungsergebnis ist es ferner, dass in der Suspension, in der Pulpe oder in dem Faserbrei, vorzugsweise zum Bleichen, eine Hochspannungs-Impulsdauer von weniger als 100 ns verwendet wird. Ist beispielsweise das Elektrodensystem einer Bleichvorrichtung komplett im Inneren der Suspension angeordnet, ist es aufgrund der hohen Leitfähigkeit der Suspension sehr vorteilhaft mit kleinen Hochspannungs-Impulsdauern zu arbeiten.

Weiterhin ist es für ein gutes Behandlungsergebnis zweckmäßig, dass flächig verteilte/r Suspension, Pulpe oder Faserbrei oder sich bildendes oder gebildetes, noch ungepresstes Blatt, insbesondere beim Sieben, im plasmabeaufschlagten Bereich von einer mit Wasserdampf angereicherten Atmosphäre umgeben wird.

Weiterhin ist es zweckmäßig, dass an flächig verteilter/m Suspension, Pulpe oder Faserbrei oder sich bildendem oder gebildeten, noch ungepresstem Blatt, insbesondere beim Sieben, eine Hochspannungs-Impulsdauer von 100 ns bis 1 μs verwendet wird.

Weiterhin ist es vorteilhaft, dass bei flächig verteilter/m Suspension, Pulpe oder Faserbrei oder sich bildendem oder gebildeten noch ungepressten Blatt, insbesondere beim Sieben, eine Hochspannungs-Amplitude entsprechend mindestens dem zweifachen Wert, vorzugsweise mindestens dem dreifachen Wert, einer Korona-Einsatzspannung an die Elektroden angelegt wird.

Vorzugsweise werden zur Erzeugung des Plasmas bzw. der Korona-Entladung eine Gleichspannungs-Korona-Entladung erzeugt und der Gleichspannungs-Korona-Entladung die Hochspannungsimpulse überlagert. Die Überlagerung der Hochspannungsimpulse auf eine Gleichspannung hat den besonderen Vorteil, dass die energiereichen Hochspannungsimpulse bereits von einem sehr hohen Energieniveau starten können.

Je nach Lebensdauer oder Art oder Zusammensetzung der erzeugten Radikale ist es auch noch zweckmäßig, dass eine Impulswiederholrate zwischen 10 Hz und 5 kHz, insbesondere aus dem Bereich von 10 Hz bis 10 kHz, verwendet wird.

Weiterhin ist es von Vorteil, falls die Leistungseinkopplung elektrischer Energie in das Plasma vorwiegend über die Regelung von Amplitude, Impulsdauer und Impulswiederholrate der überlagerten Hochspannungsimpulse gesteuert wird.

Vorzugsweise für Suspensionen mit extrem hoher Leitfähigkeit ist es zweckmäßig, dass Hochspannungsimpulse mit einer Dauer von weniger als 3 μs, vorzugsweise von weniger als 1 μs, vorzugsweise von weniger als 500 ns, angewendet werden.

Zweckmäßig ist auch, dass ein homogenes, großvolumiges Plasma mit hoher Leistungsdichte erzeugt wird, ohne dass es zu Plasmaeinschnürungen oder Durchschlägen kommt. Durch die Erzeugung eines „stabilen" Plasmas kann die Erzeugungsrate hoch und konstant gehalten werden; kommt es hingegen zu Plasmaein schnürungen oder Durchschlägen so sinkt die Erzeugungsrate wieder.

Bevorzugt ist ferner, dass eine DC-Spannung von solcher Höhe eingesetzt wird, dass im Plasma nur in Verbindung mit überlagerten Hochspannungsimpulsen eine stabile DC-Korona-Entladung gebildet wird.

Mit besonderem Vorteil liegt dabei die eingesetzte DC-Spannung unter der Spannung für einen stabilen Betrieb ohne Hochspannungs-Impulsüberlagerung.

Des Weiteren ist es zweckmäßig, dass die eingesetzte Gesamtamplitude (DC-Spannung + Impulsamplitude) über der statischen Durchbruchspannung der Elektrodenanordnung liegt.

Zweckmäßig ist es, dass vorzugsweise für eine hohe Leistungseinkopplung die einsetzte Gesamtamplitude dem zwei- bis fünffachen der statischen Durchbruchspannung der Elektrodenanordnung entspricht.

Für die Anwendung der vorzugsweise eingesetzten DC-Spannung ist es von weiterem Vorteil, falls die Amplitude der Hochspannungsimpulse zwischen 10% und 1000% der eingesetzten DC-Spannung beträgt.

Eine weitere Steigerung eines Behandlungsergebnisses oder eines Bleichprozesses wird vorzugsweise dadurch erreicht, dass eine Gasströmung senkrecht zu der Elektrodenanordnung erzeugt wird.

Alternativ ist es möglich, dass eine Gasströmung parallel zu der Elektrodenanordnung erzeugt wird.

Bevorzugte, jedoch keinesfalls einschränkende Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nunmehr anhand der Zeichnung näher erläutert. Zur Verdeutlichung ist die Zeichnung nicht maßstäblich ausgeführt, und gewisse Merkmale sind nur schema tisiert dargestellt. Einander entsprechende Teile sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen. Im Einzelnen zeigt die
1 eine schematische Darstellung einer Papierherstellungsanlage mit einer Siebvorrichtung, einer Pressenvorrichtung und einer Veredelungs- und/oder Trockenanlage,
2 eine Bleichvorrichtung nach der Erfindung,
3 eine Darstellung (Schnitt) einer Anordnung zur Erzeugung von Radikalen in Koronaplasmen in Pulpe oder Luft: Parallelplatten- oder Rohranordnung mit Draht, dem eine gepulste Hochspannung überlagert wird,
4 eine Prinzipdarstellung von Impulsen zur Erzeugung von Radikalen in Koronaentladungen in Luft oder wässrigen Medien bei Einsatz kurzer (typisch < 1 μs) Hochspannungsimpulse mit hoher Impulswiederholrate,
5 bis 10 Elektrodenanordnungen und Elektrodensysteme zur Erzeugung von Koronaentladungen: Platte-Platte-, Platte-Draht-Platte-, koaxiale Draht-Rohr-, Spitze-Platte-, Mehrfachspitzen-Platte-, Gitter-Platte (Rohr)-, Gitter-Gitter-Anordnungen,
11 eine hybride Entladung, wobei sich eine Elektrode vollständig oberhalb des Mediums auf dem Sieb befindet, wogegen die zweite Elektrode durch das Sieb selbst gebildet wird,
12 eine Platten- oder Gitteranordnung mit gekrümmten Oberflächen zur Anpassung an Gefäßwände bzw. Nutzung derselben als Elektrode, konzentrische Elektroden in Rohrform zur Nutzung der vorhandenen Verrohrung oder Türme für die Pulpe als Reaktorgefäß,
13 eine gepulste Entladung im oberflächennahen Gasraum über Stoffauflauf auf dem Sieb mit Vielfachdraht-Platte-Anordnung, und
14 ein gepulstes Koronaentladungssystem mit koaxialem Draht-Rohr, mit eingeperlten, feinstverteilten Gasblasen, so dass im Entladungsbereich feinste Gasperlen vorhanden sind und eine Streamerbildung vorwiegend in den Gasblasen abläuft.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer komplexen Papierherstellungsanlage 1, wie sie in heutigen Papierfabriken eingesetzt wird. Deren Konstruktion und die Kombination unterschiedlicher Aggregate werden von der Art der zu erzeugenden Papier-, Karton- und Pappesorten sowie der eingesetzten Rohstoffe bestimmt. Die Papierherstellungsanlage 1 hat eine räumliche Ausdehnung von ungefähr 10 m in der Breite und ungefähr 120 m in der Länge. Pro Minute produziert die Papierherstellungsanlage bis zu 1400 m Papier 27. Es dauert nur wenige Sekunden vom ersten Auftreffen der Suspension oder der Pulpe 39 auf die Siebvorrichtung 9 bis zum fertigen Papier 27, welches letztendlich in einer Aufrollung 15 aufgerollt wird. Im Verhältnis 1 : 100 mit Wasser verdünnt, werden die Faserstoffe 30 (siehe 2) zusammen mit Hilfsstoffen auf die Siebvorrichtung 9 mit dem Sieb 10 aufgebracht. Die Fasern lagern sich auf dem Sieb 10 neben- und aufeinander ab. Das Siebwasser 23 kann mittels mehrerer Saugkammerbereiche 24 abfließen oder abgesaugt werden. Auf diese Weise entsteht ein gleichmäßiger Faserverbund, der durch mechanischen Druck in einer Pressenvorrichtung 11 und mit Hilfe von Dampfwärme weiter entwässert wird. Der gesamte Papierherstellungsprozess unterteilt sich dabei im Wesentlichen in die Bereiche Stoffaufbereitung, Papiermaschine, Veredelung und Ausrüstung.
Altpapier und in der Regel auch Zellstoff erreichen eine Papierfabrik in trockener Form, während Holzstoff normalerweise im gleichen Werk erzeugt und als Faser-/Wasser-Mischung, also einer Suspension aus unverwobenen Faserstoffen, in die Stoffzentrale 3 gepumpt werden. Altpapier und Zellstoff 30 (siehe 2) werden ebenfalls unter Zugabe von Wasser in einem Fasertrog 35 (2) aufgelöst. Papierfremde Bestandteile werden über verschiedene Sortieraggregate ausgeschleust (hier nicht dargestellt). In der Stoffzentrale 3 erfolgt je nach gewünschter Papiersorte die Mischung der verschiedenen Rohstoffe. Hier werden auch Füll- und Hilfsstoffe zugegeben, die der Verbesserung der Papierqualität und der Erhöhung der Produktivität dienen.
Der Stoffauflauf 7 der Papierherstellungsanlage 1 verteilt die Faserstoff-Suspension gleichmäßig über die gesamte Siebbreite. Am Ende der Siebvorrichtung 9 enthält die Papierbahn 27 noch immer ca. 80% Wasser.
Ein weiterer Entwässerungsprozess erfolgt durch mechanischen Druck in der Pressenvorrichtung 11. Dabei wird die Papierbahn 27 mittels eines saugfähigen endlosen Filztuches zwischen Walzen aus Stahl, Granit oder Hartgummi hindurchgeführt und dadurch entwässert. Das durch den Saugkammerbereich 24 aufgenommene Siebwasser 23 wird zu einem Teil zu einem Sortierer 5 zugeführt und zu einem anderen Teil zu einem Stofffänger 17 zurückgeführt. An die Pressenvorrichtung 11 schließt sich eine Trocknungsanlage 13 an. Das verbleibende Restwasser wird in der Trocknungsanlage 13 verdampft. Slalomartig durchläuft die Papierbahn 27 mehrere dampfbeheizte Trockenzylinder. Am Ende hat das Papier 27 eine Restfeuchte von wenigen Prozent. Der in der Trocknungsanlage 13 entstandene Wasserdampf wird abgesaugt und in eine nicht dargestellte Wärmerückgewinnungsanlage geführt.
Für eine Behandlung der Fasersuspension 39 nach der Erfindung sind bei einem ersten Ausführungsbeispiel zwischen dem Stoffauflauf 7 und dem Anfangsbereich der Siebvorrichtung 9 eine erste Elektrode 43 unter der Siebvorrichtung 9 und eine zweite Elektrode 44 über der Siebvorrichtung 9 angeordnet. Die Elektroden 43 und 44 sind derart angeordnet, dass die flächig verteilte Faser-Suspension 39 zwischen ihnen verläuft. Damit zur Behandlung der Faser-Suspension 39 ein großflächiges Plasma unter Atmosphärendruck in unmittelbarer Nähe zu der Faser-Suspension 39 erzeugt werden kann, sind die Elektroden 43 und 44 mit einem Hochspannungsimpulsgenerator 46 verbunden. Mit Hilfe dieses Hochspannungsimpulsgenerators 46 wird zwischen den Elektroden 43 und 44 ein großvolumiges Plasma mit einem großen Querschnitt und mit hoher Leistungsdichte hergestellt. Hierbei ist eine Plasmadichte homogen über den Behandlungsbereich, welcher durch die Elektroden 43 und 44 abgedeckt wird, verteilt. Erfindungsgemäß wird dieses großvolumige Plasma mit hoher Leistungsdichte dadurch erzeugt, dass einer DC-Korona-Entladung intensive, kurz andauernde Hochspannungsimpulse mit einer hohen Impulswiederholrate von 1 kHz überlagert werden. Bei dieser Betriebsweise wird ein äußerst homogenes, großvolumiges Plasma mit einer hohen Leistungsdichte erzeugt, ohne dass es zu den bei DC-Korona-Entladungen bekannten Plasmaeinschnürungen kommt.
Um die Behandlungswirkung, welche das kalte großflächige Plasma auf die Faser-Suspension ausübt, zu unterstützen, wird gegebenenfalls mittels eines Gasverteilers 81 über eine Gasleitung 80 Sauerstoff mit Argon als Trägergas in den Behandlungsraum zwischen die Elektroden 43 und 44 eingeleitet. Mit Hilfe des Sauerstoff-Argon-Gemisches werden besonders vorteilhaft Hydroxyl-Radikale erzeugt. Hydroxyl-Radikale sind als besonders aggressiv und oxidierend, dadurch wird an der nur wenige Sekunden im Behandlungsbereich zwischen den Elektroden 43 und 44 verweilenden Faser-Suspension eine bleichende Wirkung erzielt.
Analog zu dem zuvor beschriebenen wird mit einem Elektrodensystem 47, 48 in der Pressenvorrichtung 11 ein großflächiges Plasma zur Behandlung der Papierbahn 27 erzeugt. Die erste Elektrode 47 in der Pressenvorrichtung 11 ist als eine halbrunde Gitterelektrode ausgeführt. Durch die halbrunde Ausgestaltung der Elektrode 47 kann sie dem Papierbahnverlauf über einer Transportrolle 12 folgen. Die zweite Elektrode 48 in der Pressenvorrichtung 11 ist als eine Plattenelektrode ausgestaltet und derart angeordnet, dass die Transportrolle 12 zwischen den Elektroden 47 und 48 geführt werden kann. Um auch hier die Radikalbildung im Plasma anzuregen, wird gegebenenfalls auch hier der Plasmabehandlungsbereich über den Gasverteiler 81 mit der Gasleitung 80 mit einem Sauerstoff-Argon-Gemisch angeströmt.
Der Pressvorgang verdichtet das Papiergefüge, eine Festigkeit erhöht sich und eine Oberflächengüte wird entscheidend beeinflusst. Durch die Behandlung des gepressten Papiers mit kaltem Plasma, insbesondere mit den erzeugten Radikalen, wird die molekulare Struktur der Papieroberfläche weiter verändert. Die Festigkeit des Papiers 27 wird erhöht und eine Bedruckbarkeit verbessert.
Mit den vorbenannten Elektrodenanordnungen 43 und 44 sowie 47 und 48 ist es nach dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich die Papierbahn 27 zwischen Streamer-Entladungen zu führen. Ein Streamer ist eine spezielle Form einer sich linear fortbewegenden Plasmawolke oder ein in der Entwicklung befindlicher Entladungskanal, der sich aufgrund der angeregten hohen externen Feldstärke ausbildet. Ein Aufbau solcher Streamer findet innerhalb weniger 10 ns statt und geht sehr schnell in einen thermischen Durchschlagskanal über. Vorbenannte Anordnungen der Elektrodensysteme, wobei sich die Papierbahn 27 zwischen den zur Streamer-Entladung benutzten Elektroden befindet, ist besonders vorteilhaft, da das Papier 27 dadurch teilweise als eine dielektrische Barriere fungiert, wodurch sich der Übergang vom Streamerdurchschlag unterdrücken lässt.
2 zeigt mit einem zweiten Ausführungsbeispiel eine erfindungsgemäße Bleichvorrichtung 38. Ein Rohstoff 30, insbesondere Zellstoff, wird über ein Transportband 33 in einen Fasertrog 35 befördert. Im Fasertrog 35 wird der Rohstoff 30 mit Wasser versetzt und über eine Rohrleitung 36 in einen Bleichtrog 37 gepumpt. Eine erste Elektrode 43' und eine zweite Elektrode 44' sind jeweils als eine kreisflächige Gitterelektrode ausgeführt. Die erste Elektrode 43' ist im Gasraum der in den Bleichtrog 37 eingefüllten Zellstofffaser-Suspension 39 angeordnet. Die zweite Elektrode 44' ist im Inneren des Bleichtroges 37 angeordnet und wird damit vollständig von der Zellstofffaser-Suspension 39 bedeckt. Zwischen den beiden Elektroden 43' und 44' wird mittels des Hochspannungsimpulsgenerators 46 ein großflächiges kaltes Plasma erzeugt.
Durch eine direkte Behandlung der Zellstofffaser-Suspension 39 mit dem kalten Plasma werden in der Suspension 39 vorzugsweise die Radikale OH^–, HOO^–, O, O₃ erzeugt. Diese Radikale lösen eine bleichende chemische Reaktion aus. Der Hochspannungsimpulsgenerator 46 wird derart betrieben, dass er Hochspannungsimpulse mit einer Dauer von 1 μs zwischen den Elektroden 43' und 44' erzeugt. Eine für die Erzeugung von Radikalen und Ozon in der Zellstofffaser-Suspension notwendige DC-Spannung liegt bei ca. bei einigen 10 kV bis 100 kV. Die Hochspannungsimpulse werden der DC-Spannung überlagert und bilden so eine Gesamtamplitude von einigen 10 kV bis über 100 kV. Durch die Behandlung der Zellstofffaser-Suspension 39 mit einer kalten elektrischen Entladung, also dem Plasma, werden die Radikale in-situ erzeugt. So können große Gesamtmengen von Radikalen in die Suspension 39 eingebracht werden. Die Radikale werden zudem feinst verteilt in der Suspension erzeugt, so dass auch der bisherige nötige Aufwand zur Mischung von Chemikalien mit der Suspension reduziert werden kann.
Für eine weitere Steigerung des Bleichprozesses wird in den Bleichtrog 37 über eine Gasleitung 80 ein Sauerstoff-Argon-Gemisch, welches in einem Gasverteiler 81 aufbereitet wurde, eingeleitet.
3 zeigt als drittes Ausführungsbeispiel eine Schnittdarstellung eines Bleichgefäßes. In der Mitte des Bleichgefäßes ist eine Hochspannungselektrode 50 angeordnet. Der Außenmantel des Bleichgefäßes ist als eine Gegenelektrode 51 hergerichtet. In dem Bleichgefäß befindet sich eine Zellstofffaser-Suspension 39. Zwischen den Elektroden 50 und 51 ist ein Streamer 53 dargestellt. Radikale werden in Streamern dadurch erzeugt, dass energiereiche Elektronen mit Molekülen zusammenstoßen und diese dadurch dissoziieren oder anregen. Bei der Dissoziation werden unmittelbar Radikale 59 freigesetzt, während bei der Anregung durch einen anschließenden strahlenden Übergang UV-Licht erzeugt wird. Dieses erzeugte UV-Licht reagiert wiederum mit Wassermolekülen und dissoziiert diese.
In 4 ist der verwendete Spannungsverlauf der Hochspannungsimpulse dargestellt. Ein erster Impuls 66 und ein zweiter Impuls 67, mit je einer Impulsbreite 62, weisen einen Abstand von einer Pulswiederholzeit 63 auf. Auf der Abszisse ist die Zeit in ms und auf der Ordinate die Spannung in kV angegeben. Die Einheiten sind willkürlich gewählt. Ein Niveau von ca. 100 kV der DC-Spannung fällt mit der dargestellten Abszisse zusammen. Die dargestellte Impulsspannung ist also der DC-Spannung überlagert. Die Impulse 66 und 67 haben eine Pulsbreite 62 von kleiner 1 μs auf, wobei die einzelnen Impulse 66, 67 eine stark ansteigende Flanke mit einer Anstiegszeit 64 und einer weniger steil abfallende Flanke aufweisen. Die Impulswiederholzeit 63 liegt typischer Weise zwischen 10 μs und 100 ms.
Dabei haben die einzelnen Impulse 66, 67 eine solche Gesamtamplitude, dass über die vorgegebene Gleichspannung hinaus eine vorgegebene Energiedichte erreicht wird. Wie erwähnt, ist meist die Pulsanstiegszeit 64 dabei kurz im Vergleich zur Pulsabfallzeit. Durch eine solche Art der Impulse wird erreicht, dass elektrische Durchschläge, die zu räumlichen und zeitlichen Störungen in der homogenen Plasmadichteverteilung führen würden, vermieden werden.
5 bis 10 zeigen weitere Beispiele für Elektrodensysteme zur Erzeugung von Korona-Entladungen in vorzugsweise wässrigen Medien, insbesondere zur alternativen Verwendung bei den vorgenannten Ausführungsbeispielen. In 5 ist eine Platte-Platte-Anordnung von einer ersten Platte 70a als Elektrode und einer zweiten Platte 70b als Elektrode dargestellt. Die erste Platte 70a und die zweite Platte 70b sind parallel zu einander angeordnet. Die erste Platte 70a bildet die Hochspannungselektrode und ist über ein Hochspannungskabel mit dem Hochspannungsimpulsgenerator 46 verbunden. Die zweite Platte 70b bildet die Gegenelektrode und steht als geerdete Elektrode mit dem Hochspannungsimpulsgenerator 46 in Verbindung.
Eine entsprechende Anordnung mit speziell ebenen Plattenelektroden ist in 6 dargestellt. Es sind wiederum zwei massive Plattenelektroden 70a und 70c im festen Abstand vorhanden, wobei mittig eine Hochspannungselektrode 71 verläuft. Bei dieser Platte-Draht-Platte-Anordnung ist die Hochspannungselektrode 71 als massiver Draht ausgeführt und mit dem Hochspannungsausgang des Hochspannungsimpulsgenerators 46 verbunden. Die geerdeten Platten 70a, 70c stehen ebenfalls mit dem Hochspannungsimpulsgenerator in Verbindung.
7 zeigt eine Draht-Rohr-Anordnung als Elektrodensystem. In eine zylinderförmige Elektrode 72 ragt mittig eine Hochspannungselektrode 71 hinein. Wie in 6 ist die Hochspannungselektrode 71 als massiver Draht ausgeführt und mit dem Hochspannungsimpulsgenerator 46 verbunden. Die zylinderförmige Elektrode 72, welche vorzugsweise als ein Drahtgeflecht ausgestaltet ist, ist geerdet und steht mit dem Hochspannungsimpulsgenerator 46 in Verbindung.
8 zeigt eine Spitze-Platte-Anordnung als Elektrodensystem. Die beispielsweise drei Spitzen 73 sind über eine Hochspannungsleitung mit dem Hochspannungsimpulsgenerator 46 verbunden. Die Spitzen 73 sind rechtwinklig zu einer geerdeten Plattenelektrode 74 angeordnet. Der Abstand der Spitzenelektroden 73 zu der Plattenelektrode 74 ist einstellbar und kann somit für unterschiedliche Prozessbedingungen angepasst werden.
9 zeigt eine Elektrodensystemanordnung, welche 3 Platten 70a, 70d und 70e umfasst. Die erste Platte 70a, welche als Hochspannungselektrode mit dem Hochspannungsimpulsgenerator 46 verbunden ist, ist mittig zwischen zwei massiven Platten 70d und 70e angeordnet. Die Platten 70a und 70b sind über einen Plattenverbinder 70f verbunden. Da die Platte 70d als geerdete Gegenelektrode mit dem Hochspannungsimpulsgenerator 46 in Verbindung steht, hat die Platte 70e über dem Plattenverbinder 70f ebenfalls die Funktion einer geerdeten Gegenelektrode.
10 zeigt ein Elektrodensystem als Gitter-Gitter-Anordnung. Analog zur 5 stehen sich hier ein erstes Gitter 75a und ein zweites Gitter 75b parallel gegenüber. Das erste Gitter 75a bildet hierbei die Hochspannungselektrode und ist mit dem Hochspannungsimpulsgenerator 46 verbunden. Das zweite Gitter 75b bildet die geerdete Gegenelektrode und steht mit dem Hochspannungsimpulsgenerator 46 in Verbindung.
Eine hybride Entladung, wobei sich eine Elektrode 75a vollständig außerhalb einer zu bleichenden Pulpe 39 befindet und eine zweite Elektrode 76b ganz oder teilweise in der Pulpe 39 eingetaucht ist, wird mit der Anordnung in 11 erzeugt. Die Elektrode 76a ist bei diesem weiteren Ausführungsbeispiel als eine Gitterelektrode ausgeführt und steht mit dem Hochspannungsimpulsgenerator 46 in Verbindung. Auch die geerdete Gegenelektrode 76b ist als eine Gitterelektrode ausgeführt.
In 12 ist als anderes Ausführungsbeispiel ein Bleichbottich mit einer Gefäßwand 77 in einer Draufsicht dargestellt. Für den Bleichbottich wird eine Platten- oder Gitteranordnung mit gekrümmten Oberflächen zur Anpassung an die Gefäßwände bzw. Nutzung der Gefäßwände als Elektrode verwendet. Eine Vielfachdrahtelektrode 79 ist als eine konzentrische Elektrode, dem Verlauf der Gefäßwand 77 folgend angeordnet und steht mit dem Hochspannungsimpulsgenerator 46 in Verbindung. Ihr stehen zwei Gegenelektroden gegenüber: Zum einen die Gefäßwand 77 und zum anderen eine Plattenelektrode 78. Die Hochspannungselektrode 79 ist zwischen der Gefäßwand 77 und der Plattenelektrode 78 berührungsfrei angeordnet. Die Gefäßwand 77 und die Plattenelektrode 78 sind elektrisch leitend miteinander verbunden und bilden somit die geerdeten Gegenelektroden, welche mit dem Hochspannungsimpulsgenerator 46 in Verbindung stehen.
Um gepulste Entladungen im oberflächennahen Gasraum über der Pulpe 39 zu erzeugen ist in 13 als weiteres Ausführungsbeispiel eine spezielle Elektrodenanordnung dargestellt. Eine Hochspannungselektrode 50 umfasst mehrere elektrisch mitein ander verbundene Stabelektroden und ist im oberflächennahen Gasraum der Pulpe 39 derart angeordnet, dass ihre Stäbe parallel zur Oberfläche verlaufen. Eine geerdete Gegenelektrode 51 ist als massive Platte ausgeführt und in über die ganze Fläche verteilten äquidistanten Abständen zur Hochspannungselektrode 50 angeordnet.
14 zeigt mit einem letzten Ausführungsbeispiel ein gepulstes Korona-Entladungssystem in einer wässrigen Lösung oder Pulpe 39. Das Elektrodensystem ist analog zur 3 als ein Koaxialdraht-Rohrelektrodensystem ausgebildet. Die Hochspannungselektrode 50 ist koaxial zu der Gegenelektrode 51, welche die Gefäßwand bildet, angeordnet. Zur Unterstützung der bleichenden Wirkung werden über eine Gasleitung 80 mittels eines Gasverteilers 81 feinste Gasperlen in den Entladungsbereich eingeleitet. In den Gasblasen 82 und 83 bilden sich vorzugsweise die zu 3 erläuterten Streamer aus. Aufgrund der Streamerentladungen entstehen Oxidanzien 57. Es werden also in der Suspension bestimmte Radikale erzeugt.

Claims

Bleichvorrichtung (38) zum Bleichen unverwobener Faserstoffe in einer Suspension, insbesondere als Pulpe oder Faserbrei, in einem oder an einem durch Begrenzungswände gegebenen Behandlungsvolumen, wobei in/durch das Behandlungsvolumen die Suspension einfüllbar oder durchfließbar ist, gekennzeichnet durch mindestens eine erste Elektrode (43') und einen mit der ersten Elektrode (43') verbundenen Hochspannungsimpulsgenerator (46), mit welchem im Behandlungsvolumen und/oder in dessen unmittelbarer Umgebung ein Plasma erzeugbar ist.
Bleichvorrichtung (38) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Plasma in einem Abstand von kleiner als 20 cm, vorzugsweise kleiner als 10 cm, vorzugsweise kleiner als 5 cm, vom Behandlungsvolumen erzeugt wird.
Bleichvorrichtung (38) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserstoffe für die Herstellung von Papier, Pappe oder Karton geeignet sind und/oder einem solchen Herstellungsprozess als Prozessgut zuführbar sind.
Bleichvorrichtung (38) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Behandlungsvolumen zum Einfüllen bzw. Durchfließen der Suspension, vorzugsweise eines Ausgangsmaterials (30) bei der Papier-, Pappe- bzw. Kartonherstellung, insbesondere einer zu bleichenden Pulpe (39) oder eines zu bleichenden Faserbreis, geeignet ist.
Bleichvorrichtung (38) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine zweite Elektrode (44') zur Plasmaerzeugung vorhanden ist.
Bleichvorrichtung (38) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Elektroden (44') derart angeordnet ist, dass sie bei in das Behandlungsvolumen eingefüllter oder darin durchfließender Suspension mit der Suspension in Berührung kommt.
Bleichvorrichtung (38) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Elektroden (43', 44') derart angeordnet ist, dass das Plasma, vorzugsweise größtenteils, in einem oberflächennahen Volumen unter oder über der Oberfläche der eingefüllten Suspension erzeugt wird.
Bleichvorrichtung (38) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (43', 44') flächig ausgebildet sind, wobei insbesondere die zweite Elektrode (44') zumindest teilweise in der Suspension eintauchbar ist und/oder die erste Elektrode (43') parallel zur zweiten Elektrode (44') außerhalb der Suspension angeordnet ist.
Bleichvorrichtung (38) nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (43', 44') flächig ausgebildet sind, wobei die erste Elektrode (43') und die zweite Elektrode (44') parallel zueinander im oberflächennahen Bereich der Suspension angeordnet sind.
Bleichvorrichtung (38) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Begrenzungswand (51) des Behandlungsvolumens als Elektrode hergerichtet ist.
Bleichvorrichtung (38) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Behandlungsvolumen als eine Rohrleitung (36, 72, 77), insbesondere als Verbindungselement, für den Transport der Suspension ausgestaltet ist.
Bleichvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Elektrode als Platte (70a, 70b) ausgestaltet ist.
Bleichvorrichtung (38) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden als mindestens zwei gegenüberstehende, vorzugsweise parallel zueinander verlaufende, Platten (70a, 70b) angeordnet sind.
Bleichvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Elektrode als Draht (71) ausgestaltet ist.
Bleichvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Elektrode als ein Drahtgeflecht, insbesondere als ein Draht-Gitter (75a, 75b), ausgestaltet ist.
Bleichvorrichtung (38) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Elektrode als ein Gitter (75a, 75b), insbesondere als eine Anordnung von sich rechtwinklig oder schräg kreuzenden Rundstäben und/oder Flachleisten, vorzugsweise in Form eines Siebes, ausgestaltet ist.
Bleichvorrichtung (38) nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden als mindestens zwei gegenüberstehende, vorzugsweise parallel zueinander verlaufende, Gitter (75a, 75b) angeordnet sind.
Bleichvorrichtung (38) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Elektrode eine oder mehrere Spitze(n) (73) aufweist.
Bleichvorrichtung (38) nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Elektrode als ein Rohr (36, 72, 77) ausgestaltet ist.
Bleichvorrichtung (38) Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden als ein Rohr (72) mit einem darin, vorzugsweise koaxial, angeordneten Draht (71) ausgestaltet sind.
Bleichvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden derart angeordnet sind, dass zwischen zwei über mindestens einen Plattenverbinder (70f) miteinander elektrisch verbundenen Platten (70d, 70e), welche die erste Elektrode bilden, ein Draht (71) oder ein Gitter (75a) als zweite Elektrode angeordnet ist.
Bleichvorrichtung (38) nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine – vorzugsweise flächig ausgebildete – Elektrode (78, 79) zumindest teilweise parallel zu einer, insbesondere gekrümmten, Mantelfläche oder zu einer Begrenzungswand (77) des Behandlungsvolumens angeordnet ist.
Bleichvorrichtung (38) nach einem der Ansprüche 1 bis 22, gekennzeichnet durch ein Mittel (81) zum Injizieren von Gas, insbesondere Luft oder Sauerstoff, vorzugsweise reinem Sauerstoff oder Sauerstoff mit beispielsweise Edelgas als Trägergas, in das Behandlungsvolumen.
Verfahren zur Behandlung unverwobener Faserstoffe in einer Suspension, insbesondere als Pulpe oder Faserbrei, vorzugsweise zum Betrieb der Bleichvorrichtung nach einem der vorstehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Suspension mit, vorzugsweise nicht-thermischem, großflächigem Plasma unter mindestens Atmosphärendruck in Kontakt gebracht, das Plasma in unmittelbarer Nähe zur Suspension erzeugt oder in der Suspension oder in un mittelbarer Umgebung der Suspension eine Gasentladung, insbesondere eine Koronaentladung, unter mindestens Atmosphärendruck erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass das Plasma in einem Abstand von kleiner als 20 cm, vorzugsweise kleiner als 10 cm, vorzugsweise kleiner als 5 cm, von der Suspension erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Suspension für die Herstellung von Papier, Pappe oder Karton geeignet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass als Suspension ein feuchtes oder nasses Blatt verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung des Plasmas bzw. der Gasentladung zwischen Elektroden (43, 44) Hochspannungsimpulse (66, 67) mit einer Dauer (62) von weniger als 10 μs erzeugt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass das Plasma bzw. die Gasentladung vor und/oder während der Blattbildung an die Suspension appliziert wird, insbesondere beim Durchlauf durch oder über eine Siebvorrichtung (9).
Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Suspension beidseitig mit dem Plasma in Kontakt gebracht bzw. mittels der Gasentladung behandelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass das Plasma bzw. die Gasentladung zum Bleichen der Suspension, der Pulpe (39) oder des Faserbreis, insbesondere in einem Kocher, in einem Bleichbehältnis (37) oder in einer Leitung, verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass die Suspension, die Pulpe (39) oder der Faserbrei, mit zumindest einer Elektrode zur Erzeugung des Plasmas bzw. der Gasentladung in Kontakt gebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass das Plasma bzw. die Gasentladung in der Suspension erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehalt an Trägerflüssigkeit, insbesondere Wasser, in der Suspension im Bereich zwischen 40% und 99,9%, vorzugsweise im Bereich zwischen 80% und 98% und insbesondere im Bereich zwischen 85% und 98%, liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 34, dadurch gekennzeichnet, dass im Plasma oder mittels der Gasentladung Radikale (59) erzeugt werden, die auf die Faserstoffe einwirken.
Verfahren nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, dass für verschiedene Zustände von Suspensionen in einem Papier-, Karton- oder Pappe-Herstellungsprozess, insbesondere an unterschiedlichen Prozessstufen, Radikale (59) unterschiedlicher Art oder Zusammensetzung verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 35 oder 36, dadurch gekennzeichnet, dass die Suspension innerhalb einer Prozessstufe in einem Papier- oder Karton-Herstellungsprozess Radikalen (59) unterschiedlicher Art oder Zusammensetzung ausgesetzt wird, vorzugsweise zeitlich nacheinander folgend.
Verfahren nach einem der Ansprüche 35 bis 37, dadurch gekennzeichnet, dass als Radikale (59) Ozon (O₃), Wasserstoffperoxid (H₂O₂), Hydroxyl-Radikale (OH), HO₂ und/oder HO₂ ^– erzeugt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 35 bis 38, dadurch gekennzeichnet, dass beim Bleichen in der Suspension oder in der Pulpe (39) oder in dem Faserbrei das Plasma oder die Gasentladung derart appliziert wird, dass als Radikale (59) vermehrt Ozon (O₃) und/oder Wasserstoffperoxid (H₂O₂) gebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 35 bis 39, dadurch gekennzeichnet, dass beim Sieben und/oder in/im flächig verteilter/n Suspension oder Pulpe (39) oder Faserbrei oder im sich bildenden oder gebildeten, noch ungepressten Blatt das Plasma oder die Gasentladung derart appliziert wird, dass als Radikale (59) vermehrt Hydroxyl (OH), HO₂ und/oder HO₂ ^– gebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 35 bis 40, dadurch gekennzeichnet, dass eine Erzeugungsrate der Radikale (59) und/oder die Zusammensetzung der erzeugten Radikale (59) durch Beeinflussung einer Amplitude (U), einer Impulsdauer (62) und/oder einer Impulswiederholrate (63) der Hochspannungsimpulse (66, 67) gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 41, dadurch gekennzeichnet, dass zur Steuerung und Regelung der Erzeugungsrate und/oder der Art der er zeugten Radikale (59) eine Konzentration der erzeugten Radikale (59) gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 41 oder 42, dadurch gekennzeichnet, dass zur Steuerung und Regelung der Erzeugungsrate oder der Zusammensetzung der erzeugten Radikale (59) eine Eigenschaft der Suspension, vorzugsweise eine Qualitätseigenschaft, insbesondere dessen Opazität, Glanz, Weisse, Fluoreszenz oder Farbpunkt, gemessen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 42 oder 43, dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentration bzw. die Eigenschaft "online" gemessen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 41 bis 44, dadurch gekennzeichnet, dass zur Regelung die Amplitude (U) der Hochspannungsimpulse (66, 67) bei konstanter Wiederholrate (63) verändert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 41 bis 45, dadurch gekennzeichnet, dass zur Regelung die Wiederholrate (63) der Hochspannungsimpulse (66, 67) bei konstanter Amplitude (U) verändert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 46, dadurch gekennzeichnet, dass die Suspension, die Pulpe (39) oder der Faserbrei, vorzugsweise zum Bleichen, im plasmabeaufschlagten Bereich mit Sauerstoff angereichert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 47, dadurch gekennzeichnet, dass in der Suspension, in der Pulpe (39) oder in dem Faserbrei, vorzugsweise zum Bleichen, eine Hochspannungs-Impulsdauer (62) von weniger als 100 ns verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 48, dadurch gekennzeichnet, dass flächig verteilte/r Suspension, Pulpe (39) oder Faserbrei oder sich bildendes oder gebildetes, noch ungepresstes Blatt, insbesondere beim Sieben, im plasmabeaufschlagten Bereich von einer mit Wasserdampf angereicherten Atmosphäre umgeben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 41 bis 49, dadurch gekennzeichnet, dass an flächig verteilter/m Suspension, Pulpe (39) oder Faserbrei oder sich bildendem oder gebildeten, noch ungepresstem Blatt, insbesondere beim Sieben, eine Hochspannungs-Impulsdauer (62) von 100 ns bis 1 μs verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 41 bis 50, dadurch gekennzeichnet, dass bei flächig verteilter/m Suspension, Pulpe (39) oder Faserbrei oder sich bildendem oder gebildeten, noch ungepresstem Blatt, insbesondere beim Sieben, eine Hochspannungs-Amplitude (U) entsprechend mindestens dem zweifachen Wert, vorzugsweise mindestens dem dreifachen Wert, einer Korona-Einsatzspannung an die Elektroden angelegt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 41 bis 51, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung des Plasmas bzw. der Korona-Entladung eine Gleichspannungs-Korona-Entladung erzeugt wird und der Gleichspannungs-Korona-Entladung die Hochspannungsimpulse (66, 67) überlagert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 41 bis 52, dadurch gekennzeichnet, dass eine Impulswiederholrate (63) zwischen 10 Hz und 5 kHz, insbesondere aus dem Bereich von 10 Hz bis 10 kHz, verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 41 bis 53, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungseinkopplung elektrischer Energie in das Plasma vorwie gend über die Regelung von Amplitude (U), Impulsdauer (62), und Impulswiederholrate (63) der überlagerten Hochspannungsimpulse gesteuert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 54, dadurch gekennzeichnet, dass Hochspannungsimpulse (66, 67) mit einer Dauer (62) von weniger als 3 μs, vorzugsweise von weniger als 1 μs, vorzugsweise von weniger als 500 ns, angewendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 55, dadurch gekennzeichnet, dass ein homogenes, großvolumiges Plasma mit hoher Leistungsdichte erzeugt wird, ohne dass es zu Plasmaeinschnürungen oder Durchschlägen kommt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 56, dadurch gekennzeichnet, dass eine DC-Spannung von solcher Höhe eingesetzt wird, dass im Plasma nur in Verbindung mit überlagerten Hochspannungsimpulsen eine stabile DC-Koronaentladung gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 57, dadurch gekennzeichnet, dass die eingesetzte DC-Spannung unter der Spannung für einen stabilen Betrieb ohne Hochspannungs-Impulsüberlagerung liegt.
Verfahren nach Anspruch 57 oder 58, dadurch gekennzeichnet, dass die eingesetzte Gesamtamplitude (DC-Spannung + Impulsamplitude) über der statischen Durchbruchspannung der Elektrodenanordnung liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 57 bis 59, dadurch gekennzeichnet, dass die eingesetzte Gesamtamplitude dem zwei- bis fünffachen der statischen Durchbruchspannung der Elektrodenanordnung entspricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 57 bis 60, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplitude (U) der Hochspannungsimpulse zwischen 10% und 1000% der eingesetzten DC-Spannung beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 61, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gasströmung senkrecht zu der Elektrodenanordnung (43, 44) erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 62, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gasströmung parallel zu der Elektrodenanordnung (43, 44) erzeugt wird.