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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Behandlung eines Prozessgutes
bei der Herstellung von Papier, Karton oder Pappe, wobei ein, vorzugsweise
nicht thermisches, großflächiges Plasma
oder eine Gasentladung, insbesondere eine Koronaentladung, unter
mindestens Atmosphärendruck
appliziert wird und bei der Plasmaerzeugung und/oder bei der Gasentladung
entstehende Radikale auf das Prozessgut einwirken.
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Heute übliche Verfahren
der Behandlung und/oder Veredelung von Papier oder Papieroberflächen sind
beispielsweise,
- – Kalandrieren,
- – Oberflächenbehandlung
mit einer Leim- oder Filmpresse,
- – Streichen
von Papier und/oder Karton mit verschiedenen Verfahren und Materialien,
- – Beschichtung
von Papier im Extruderverfahren,
- – Kaschierung
mit anderen Materialien (z.B. Aluminiumfolie),
- – Verklebung
von Papier und Karton,
- – Tränken von
Papier,
- – Bleichen.
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Eine
Veredelung erfolgt entweder integriert in eine Papier/Kartonmaschine
oder auf einer separaten Anlage. Üblicherweise erfolgt eine Veredelung in
mehreren aufeinander folgenden Verfahrensschritten. Folgende Qualitätseigenschaften
werden durch die Veredelung positiv beeinflusst:
- – Optische
Eigenschaften, wie Glätte,
Glanz, Weiße,
Gleichmäßigkeit
und Kontrast eines später durchgeführten Druckergebnisses,
- – Verbesserung
der Bedruckbarkeit für
moderne Druckverfahren,
- – Erhöhung der
Papierfestigkeit und der Rupffestigkeit,
- – Dimensionsstabilität des Papiers,
Unempfindlichkeit gegen Feuchte,
- – Erhaltung
der Recyclingfähigkeit
des Papiers.
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Eine
Mehrzahl dieser genannten Behandlungsverfahren beruht auf einer
Behandlung mit chemischen Stoffen. Insbesondere beim Bleichen von Papier
bzw. dessen Ausgangsstoffen werden im hohen Maße Bleichchemikalien eingesetzt.
Typische Bleichchemikalien sind Chlor, Chlordioxid, schweflige Säuren, Extraktion
mit Natronlauge, Sauerstoff, Wasserstoffperoxid und Ozon. Abhängig von
der verwendeten Methode sind alkalische oder saure Umgebungsbedingungen
gefordert. Moderne Bleichverfahren nutzen häufig verschiedene 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 (Chlordioxid) oder stark ätzenden Säuren, Laugen oder Reagenzien
in großer Menge
transportiert, gelagert, und nach Ablauf des Prozesses auch wieder
aufgearbeitet bzw. entsorgt werden.
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Aus "A. Mizuno et al.,
OH radical generation by atmospheric pressure pulsed discharge plasma and
its quantitative analysis by monitoring CO oxidation, J. Phys. D:
Appl. Phys. 35 (2002), 3192–3198" ist eine Erzeugung
von Radikalen und Ozon in gasförmigen
Medien bekannt.
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Bisher
beschränkt
sich die Anwendung jedoch auf Methoden zur Reinigung von Abgasen,
siehe „Winands
et al., 16th Intern. Symp. on Plasma Chemistry (ISPC 16), Taormina,
Italy, June 22–27, 2003", oder zur Oberflächenbehandlung
von Geweben (Textilien) und Kunststoffen, siehe auch: "Carneiro, N. et al.,
Industrial impact of corona plasma treatments in the wet processing
of cotton materials, World Congress Textiles in the Millenium 1999,
pp. 207" oder "P.A.F. Herbert, E.
Bourdin, New generation atmospheric pressure plasma technology for
industrial on-line processing, Index'99. Nonwoven Congress, Manufacturing
1, EDANA, Geneva, CH, Apr 27–30,
1999".
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Aus
DE 198 36 669 A1 ist
der Einsatz von atmosphärischen
Plasmen zur Behandlung von Papieroberflächen bekannt.
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Aus
WO 2004 101 891 A1 ist ein Verfahren zum Einsatz von nicht thermischem
atmosphärischem
Plasma für
die Papierbehandlung bekannt.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung den Einsatz von Chemikalien bei der Papier-,
Karton- oder Pappeherstellung oder bei der Behandlung von zugehörigen Prozessgütern weiter
zu vermindern.
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Die
Aufgabe wird dadurch gelöst,
dass für wenigstens
zwei verschiedene Arten von Prozessgütern oder an wenigstens zwei
unterschiedlichen Prozessstufen Radikale unterschiedlicher Art oder
Zusammensetzung verwendet werden. Durch die simultane Erzeugung
einer Reihe von unterschiedlich oxidierenden und funktionalisierenden
Radikalen (O, OH, HO2, HO2 –,
O2, O3, ...) und die Anwendung solcher verschiedener Radikalen auf
das Prozessgut an unterschiedlichen Stellen im Prozess kann mit
Vorteil bei der Papierherstellung das Zugeben von Feststoff- und/oder Flüssig-Chemikalien
reduziert werden.
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Bevorzugt
ist, dass die Prozessgüter
aus folgenden Ausgangsmaterialien und/oder Zwischenprodukten ausgewählt sind:
- – Trockene
Fasern,
- – unverwobene
Faserstoffe,
- – voluminöse/r Pulpe
oder Faser-Suspension oder Faserbrei,
- – aufgelaufene/r
und/oder flächig
verteilte/r Pulpe oder Faser-Suspension oder Faserbrei,
- – sich
bildendes oder gebildetes, noch ungepresstes Blatt, mit Restfeuchte.
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Die
zuvor genannten Prozessgüter
treten, z.B. als Ausgangsprodukte und/oder Zwischenprodukte, an
unterschiedlichen Prozessstufen innerhalb des Papierherstellungsprozesses
auf.
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Besonders
zweckmäßig ist,
falls die Prozessstufen aus folgenden Stufen ausgewählt sind:
- – Kochen,
- – Mahlen,
- – Bleichen,
- – Sieben,
- – Pressen.
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Mit
weiterem Vorteil werden als Radikale Ozon, Wasserstoffperoxid, Hydroxyl-Radikale,
HO2 und/oder HO2 – erzeugt.
Radikale werden vorzugsweise in Gasentladungen dadurch erzeugt,
dass energiereiche Elektronen mit Molekühlen zusammenstoßen und
diese dadurch dissoziieren oder anregen. Bei der Dissoziation werden
unmittelbar Radikale freigesetzt, während bei der Anregung durch
anschließende
strahlende Übergänge UV-Licht
erzeugt wird, welches wiederum mit Luft- und/oder Wassermolekühlen reagiert
und diese dissoziiert.
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Nach
einer ersten bevorzugten Ausführungsform
wird beim Bleichen des Prozessgutes das Plasma oder die Gasentladung
derart appliziert, dass als Radikale vermehrt Ozon und/oder Wasserstoffperoxid
gebildet werden.
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Nach
einer zweiten vorzugsweisen Ausführungsform
wird beim Sieben und/oder bei flächig
verteiltem Prozessgut oder in sich bildenden oder gebildeten, noch
ungepressten Blatt das Plasma oder die Gasentladung derart appliziert,
dass als Radikale vermehrt OH, HO2 und/oder
HO2 – gebildet wird.
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Vorteilhafterweise
wird eine Erzeugungsrate der Radikale und/oder die Zusammensetzung
der erzeugten Radikale durch eine Beeinflussung einer Amplitude,
einer Impulsdauer und/oder einer Impulswiederholrate von Hochspannungsimpulsen
gesteuert und/oder geregelt. Da die Erzeugungsrate der Radikale
von einem 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, beispielsweise
durch einen lernfähigen
Algorithmus.
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Eine
andere bevorzugte Ausführungsform der
Erfindung ist, dass zur Steuerung und/oder Regelung der Erzeugungsrate und/oder
der Art der erzeugten Radikale eine Konzentration der erzeugten Radikale
gemessen wird.
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Im
Besonderen ist es im Hinblick auf eine Behandlung an unterschiedlichen
Prozessstufen von Vorteil, dass zur Steuerung und/oder Regelung
der Erzeugungsrate oder der Zusammensetzung der erzeugten Radikale
für verschiedene
Arten von Prozessgütern
jeweils eine andere Eigenschaft des Prozessgutes, vorzugsweise eine
Qualitätseigenschaft, insbesondere
dessen Opazität,
Glanz, Weiße,
Fluoreszenz oder Farbpunkt, gemessen wird.
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Ebenfalls
zweckmäßig ist
es, dass die Konzentration bzw. die Eigenschaft "online" gemessen wird. Im Hinblick auf eine
eingesetzte Automatisierungslösung
für das
Verfahren ist es vom besonderen Vorteil, dass ein, die Qualitätseigenschaften
beschreibender Messwert, quasi zeitgleich ausgewertet und beispielsweise
durch ein Beeinflussen der Erzeugungsrate auf ihn reagiert werden
kann.
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Um
die Erzeugungsrate der Radikale zu kontrollieren, kann zur Regelung
die Amplitude der Hochspannungsimpulse bei konstanter Wiederholrate
oder/und die Wiederholrate der Hochspannungsimpulse bei konstanter
Amplitude verändert
werden.
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Von
besonderem Vorteil ist es, falls das Plasma und/oder die Gasentladung
zwischen Elektroden erzeugt werden.
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Eine
weitere Steigerung des Behandlungsergebnisses wird dadurch erreicht,
dass das Prozessgut im plasmabeaufschlagten Bereich mit Sauerstoff angereichert
wird.
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Nach
besonders vorteilhafter Weise werden zur Erzeugung des Plasmas bzw.
der Gasentladung zwischen den 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 Mikrowel lenimpulsen oder von Hochspannungs-Einzelimpulsen
mit mehr als 10 μs Dauer,
weit weniger effizient ist.
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Vorzugsweise
für Prozessgüter mit
einer hohen 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. Hochspannungsimpulse
mit einer Dauer von mehr als 10 μs,
wie bereits erwähnt,
oder Hochspannungsimpulse, welche eine nicht steil genug ansteigende
Impulsflanke aufweisen, haben hier den Nachteil, dass ihre Energie
in sehr leitfähigen
Materialien als "ohmscher-Anteil" zunichte gemacht
wird.
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Somit
ist es weiterhin zweckmäßig, dass
bei einer Pulpe, einer Faser-Suspension oder einem Faserbrei als
Prozessgut, vorzugsweise beim Bleichen, eine Hochspannungs-Impulsdauer
von weniger als 100 ns verwendet wird.
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Weiterhin
ist es zweckmäßig, dass
bei flächig
verteiltem Prozessgut oder in sich bildenden oder gebildeten, noch
ungepressten Blatt, insbesondere beim Sieben, eine Hochspannungs-Impulsdauer von 100
ns bis 1 μs
verwendet wird.
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Um
auf vorteilhafte Weise eine weitere Steigerung des Behandlungsergebnisses
zu erzielen, wird bei flächig
verteiltem Prozessgut oder in sich bildenden oder gebildeten, noch
ungepressten Blatt, insbesondere beim Sieben, der mit Plasma beaufschlagte
Bereich von einer mit Wasserdampf angereicherten Atmosphäre umgeben.
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Darüber hinaus
ist es bevorzugt, dass bei flächig
verteiltem Prozessgut oder in sich bildenden oder gebildeten, noch
ungepressten Blatt, insbesondere beim Sieben, eine Amplitude entsprechend
mindestens dem zweifachen Wert, vorzugsweise mit mindestens dem
dreifachen Wert einer Korona-Einsatzspannung, an die Elektroden
angelegt wird.
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Zweckmäßig ist
ferner, dass zur Erzeugung des Plasmas bzw. der Korona-Entladung
eine Gleichspannungs-Korona-Entladung erzeugt wird und der Gleichspannungs-Korona-Entladung
die Hochspannungsimpulse überlagert
werden. Die Überlagerung
der Hochspannungsimpulse mit einer Gleichspannung hat den besonderen
Vorteil, dass die energiereichen Hochspannungsimpulse bereits von
einem sehr hohen Energieniveau starten können.
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Je
nach Lebensdauer oder Art oder Zusammensetzung der erzeugten Radikale
ist es zweckmäßig, dass
eine Impulswiederholrate zwischen 10 Hz und 5 kHz, insbesondere
aus dem Bereich von 10 Hz bis 10 kHz, verwendet wird.
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Weiterhin
vorzugsweise wird die Leistungseinkopplung elektrischer Energie
in das Plasma vorwiegend über
die Regelung von Amplitude, Impulsdauer und Impulswiederholrate
der überlagerten Hochspannungsimpulse
gesteuert.
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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 Plasmaeinschnürungen oder
Durchschlägen,
so sinkt die Erzeugungsrate wieder.
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Zweckmäßig ist
es, 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.
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Mit
Vorteil liegt die eingesetzte DC-Spannung unter der Spannung für einen
stabilen Betrieb ohne Hochspannungs-Impulsüberlagerung.
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Des
Weiteren ist es zweckmäßig, dass
die eingesetzte Gesamtamplitude (DC-Spannung + Impulsamplitude) über der
statischen Durchbruchspannung der Elektrodenanordnung liegt.
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Zweckmäßig ist,
falls die eingesetzte Gesamtamplitude dem zwei- bis fünffachen
der statischen Durchbruchspannung der Elektrodenanordnung entspricht.
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Vorzugsweise
wird die Spannung so gewählt,
dass die Amplitude der Hochspannungsimpulse zwischen 10% und 1000%
der eingesetzten DC-Spannung beträgt.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung wird das Plasma in einem Abstand
von kleiner 20 cm, vorzugsweise kleiner 10 cm, vorzugsweise kleiner
5 cm von dem Prozessgut erzeugt.
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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 schematisiert dargestellt. Einander entsprechende
Teile sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
Im Einzelnen zeigt die
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1 eine
schematische Darstellung einer Papierherstellungsanlage mit einer
Siebvorrichtung, einer Pressen vorrichtung und einer Veredelungs- und/oder
Trockenanlage,
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2 eine
Bleichvorrichtung,
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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,
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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,
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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,
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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,
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12 eine
Platten- oder Gitteranordnungen 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,
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13 eine
gepulste Entladung im oberflächennahen
Gasraum über
Stoffauflauf auf dem Sieb mit Vielfachdraht-Platte-Anordnung, und
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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.
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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
wei ter entwässert
wird. Der gesamte Papierherstellungsprozess unterteilt sich dabei
im Wesentlichen in die Bereiche Stoffaufbereitung, Papiermaschine,
Veredelung und Ausrüstung.
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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.
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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.
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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.
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Für eine Behandlung
der Fasersuspension 39 als erste Art von Prozessgut sind
nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
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 typisch 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.
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Um
die Behandlungswirkung, welche das kalte großflächige Plasma auf die Faser-Suspension ausübt, zu unterstützen, kann
mittels eines Gasverteilers 81 über eine Gasleitung 80 Sauerstoff
mit Argon als Trägergas
in den Behandlungsraum zwischen die Elektroden 43 und 44 eingeleitet
werden. Mit Hilfe des Sauerstoff-Argon-Gemisches werden besonders
vorteilhaft Hydroxyl-Radikale erzeugt. Hydroxyl-Radikale sind besonders
aggressiv und oxidierend, dadurch wird an dem nur wenige Sekunden im
Behandlungsbereich zwischen den Elektroden 43 und 44 verweilenden
Faser-Suspension eine bleichende Wirkung erzielt.
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Analog
zu dem zuvor beschriebenen wird mit einem Elektrodensystem 47, 48 in
der Pressenvorrichtung 11 ein großflächiges Plasma zur Behandlung
der Papierbahn 27 als zweite Art von Prozessgut 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, kann
auch hier der Plasmabehandlungsbereich über den Gasverteiler 81 mit der
Gasleitung 80 mit einem Sauerstoff-Argon-Gemisch angeströmt werden.
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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.
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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 verzögern
oder unterdrücken
lässt.
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2 zeigt,
wie bei einer Bleichvorrichtung 38 der selben Anlage 1 ein
Rohstoff 30, insbesondere Zellstoff, als dritte Art von
Prozessgut über
ein Transportband 33 in einen Fasertrog 35 befördert wird.
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.
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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
typisch 1 μs
zwischen den Elektroden 43' und 44' erzeugt. Eine
für die
Erzeugung von Radikalen und Ozon in der Zellstofffaser-Suspension
notwendige Spannung liegt bei ca. 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 bisher nötige Aufwand zur Mischung von
Chemikalien mit der Suspension reduziert werden kann.
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Für eine weitere
Steigerung des Bleichprozesses kann in den Bleichtrog 37 über eine
Gasleitung 80 ein Sauerstoff-Argon- Gemisch, welches in einem Gasverteiler 81 aufbereitet
wurde, eingeleitet werden.
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3 zeigt
eine Schnittdarstellung eines – zu 2 alternativen – 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.
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In 4 ist
der Spannungsverlauf der applizierten 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 einigen 10 kV der DC-Spannung fällt mit der dargestellten Abszisse
zusammen. Die dargestellte Impulsspannung ist also der DC-Spannung überlagert.
Die Impulse 66 und 67 weisen 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 haben. Die Impulswiederholzeit 63 liegt
typischer Weise zwischen 10 μs
und 100 ms.
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Dabei
haben die einzelnen Impulse 66, 67 eine solche
Gesamtamplitude, dass über
die vorgegebene Gleichspannung hinaus eine vorgegebene Energiedichte
erreicht wird. Wie erwähnt,
ist die Pulsanstiegszeit 64 dabei kurz im Vergleich zur
Pulsabfallzeit. Durch eine solche Art der Impulse wird erreicht,
dass elektrische Durchschläge,
die zu räumlichen
und zeit lichen Störungen
in der homogenen Plasmadichteverteilung führen würden, vermieden werden.
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5 bis 10 zeigen
Beispiele für
weitere Elektrodensysteme zur Erzeugung von Korona-Entladungen in
vorzugsweise wässrigen
Medien. 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.
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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.
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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.
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8 zeigt
eine Spitze-Platte-Anordnung als Elektrodensystem. Im gezeigten
Beispiel sind drei Spitzen 73 über eine Hochspannungsleitung
mit dem Hochspannungsimpulsgenerator 46 verbunden. Die Spitzen 73 sind
rechtwinklig zu einer geerde ten Plattenelektrode 74 angeordnet.
Der Abstand der Spitzenelektroden 73 zu der Plattenelektrode 74 ist
einstellbar und kann somit für
unterschiedliche Prozessbedingungen angepasst werden.
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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.
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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.
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Für alle aufgeführten Elektrodenanordnungen
ist es im Hinblick auf eine Steigerung eines Behandlungsergebnisses
oder eines Bleichprozesses vorteilhaft, dass eine Gasströmung senkrecht
zu der Elektrodenanordnung erzeugt wird. Ebenso ist es zweckmäßig, dass
eine Gasströmung
parallel zu der Elektrodenanordnung erzeugt wird.
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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 als eine Gitterelektrode ausgeführt und
bildet die Hochspannungselektrode, welche mit dem Hochspannungsimpulsgenerator 46 in
Verbindung steht. Auch die geerde te Gegenelektrode 76b ist
als eine Gitterelektrode ausgeführt
und steht mit dem Hochspannungsimpulsgenerator 46 in Verbindung.
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In 12 ist
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.
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Um
gepulste Entladungen im oberflächennahen
Gasraum über
der Pulpe 39 zu erzeugen ist in 13 eine
weitere Elektrodenanordnung dargestellt. Eine Hochspannungselektrode 50 umfasst mehrere
elektrisch miteinander 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.
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14 zeigt
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 erwähnten Streamer aus. Aufgrund
der Streamerentladungen entstehen Oxidanzien 57. Es werden
also in der Suspension bestimmte Radikale erzeugt.