DE102005049231A1

DE102005049231A1 - Verfahren zur Behandlung eines Prozessgutes bei der Herstellung von Papier, Karton oder Pappe

Info

Publication number: DE102005049231A1
Application number: DE102005049231A
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: EP1893803B9; EP1893803A1; ATE487823T1; EP1893803B1; WO2006134064A1; DE502006008282D1

Abstract

Verfahren zur Behandlung eines Prozessgutes bei der Herstellung von Papier (27), Karton oder Pappe, wobei ein, vorzugsweise nicht thermisches, großflächiges Plasma oder eine Gasentladung, insbesondere eine Koronaentladung, unter mindestens Atmosphärendruck auf das Prozessgut appliziert wird. Der Einsatz von Chemikalien bei der Papierherstellung oder bei der Behandlung von zugehörigen Prozessgütern wird mittels Radikalen (59) unterschiedlicher Art oder Zusammensetzung, welche an unterschiedlichen Prozessstufen oder für unterschiedliche Arten von Prozessgütern verwendet werden, reduziert.

Description

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.

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.

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.

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.

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.

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".

Aus DE 198 36 669 A1 ist der Einsatz von atmosphärischen Plasmen zur Behandlung von Papieroberflächen bekannt.

Aus WO 2004 101 891 A1 ist ein Verfahren zum Einsatz von nicht thermischem atmosphärischem Plasma für die Papierbehandlung bekannt.

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.

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.

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.

Die zuvor genannten Prozessgüter treten, z.B. als Ausgangsprodukte und/oder Zwischenprodukte, an unterschiedlichen Prozessstufen innerhalb des Papierherstellungsprozesses auf.

Besonders zweckmäßig ist, falls die Prozessstufen aus folgenden Stufen ausgewählt sind:

– Kochen,
– Mahlen,
– Bleichen,
– Sieben,
– Pressen.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Von besonderem Vorteil ist es, falls das Plasma und/oder die Gasentladung zwischen Elektroden erzeugt werden.

Eine weitere Steigerung des Behandlungsergebnisses wird dadurch erreicht, dass das Prozessgut im plasmabeaufschlagten Bereich mit Sauerstoff angereichert wird.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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

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.

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.

Mit Vorteil liegt 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, falls die eingesetzte Gesamtamplitude dem zwei- bis fünffachen der statischen Durchbruchspannung der Elektrodenanordnung entspricht.

Vorzugsweise wird die Spannung so gewählt, dass die Amplitude der Hochspannungsimpulse zwischen 10% und 1000% der eingesetzten DC-Spannung beträgt.

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.

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
1 eine schematische Darstellung einer Papierherstellungsanlage mit einer Siebvorrichtung, einer Pressen vorrichtung und einer Veredelungs- und/oder Trockenanlage,
2 eine Bleichvorrichtung,
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 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,
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 wei ter 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 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.
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.
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.
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 verzögern oder unterdrücken lässt.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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. 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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.

Claims

Verfahren zur Behandlung eines Prozessgutes bei der Herstellung von Papier (27), 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 (59) auf das Prozessgut einwirken, dadurch gekennzeichnet, dass für wenigstens zwei verschiedene Arten von Prozessgütern oder an wenigstens zwei unterschiedlichen Prozessstufen Radikale (59) unterschiedlicher Art oder Zusammensetzung verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozessgüter aus folgenden Ausgangsmaterialien und/oder Zwischenprodukten ausgewählt sind: – trockene Fasern, – unverwobene Faserstoffe, – voluminöse/r Pulpe oder Faser-Suspension oder Faserbrei (39), – aufgelaufene/r und/oder flächig verteilte/r Pulpe oder Faser-Suspension oder Faserbrei (39), – sich bildendes oder gebildetes, noch ungepresstes Blatt mit Restfeuchte.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozessstufen aus folgenden Stufen ausgewählt sind: – Kochen, – Mahlen, – Bleichen, – Sieben, – Pressen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Radikale (59) Ozon (O₃), Wasserstoffperoxid (H₂O₂), Hydroxyl-Radikale (OH), HO₂ und/oder HO₂ ^– erzeugt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass beim Bleichen des Prozessgutes 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 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass beim Sieben und/oder bei flächig verteiltem Prozessgut oder im sich bildenden oder gebildeten, noch ungepressten Blatt das Plasma oder die Gasentladung derart appliziert wird, dass als Radikale (59) vermehrt OH, HO₂ und/oder HO₂ ^– gebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Erzeugungsrate der Radikale (59) und/oder die Zusammensetzung der erzeugten Radikale (59) durch eine Beeinflussung einer Amplitude (U), einer Impulsdauer (62) und/oder einer Impulswiederholrate (63) von Hochspannungsimpulsen (66, 67) gesteuert und/oder geregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Steuerung und/oder Regelung der Erzeugungsrate und/oder der Art der erzeugten Radikale (59) eine Konzentration der erzeugten Radikale (59) gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Steuerung und/oder Regelung der Erzeugungsrate oder der Zusammensetzung der erzeugten Radikale (59) für verschiedene Arten von Prozessgütern jeweils eine andere Eigenschaft des Prozessgutes, vorzugsweise eine Qualitätseigenschaft, insbeson dere dessen Opazität, Glanz, Weiße, Fluoreszenz oder Farbpunkt, gemessen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentration bzw. die Eigenschaft "online" gemessen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zur Regelung die Amplitude (U) der Hochspannungsimpulse (66,67) bei konstanter Wiederholrate (63) verändert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zur Regelung die Wiederholrate (63) der Hochspannungsimpulse (66,67) bei konstanter Amplitude (U) verändert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Plasma bzw. die Gasentladung zwischen Elektroden (43, 44) erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Prozessgut im plasmabeaufschlagten Bereich mit Sauerstoff angereichert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Elektroden (43, 44) Hochspannungsimpulse (66, 67) mit einer Dauer (62) von weniger als 10 μs erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass Hochspannungsimpulse (66, 67) mit einer Impulsdauer (62) von weniger als 3 μs, vorzugsweise von weniger als 1 μs, vorzugsweise von weniger als 500 ns, angewendet werden.
Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Pulpe (39), einer Faser-Suspension oder einem Faserbrei als Prozessgut, vorzugsweise beim Bleichen, eine Hochspannungs-Impulsdauer (62) von weniger als 100 ns verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass bei flächig verteiltem Prozessgut oder im sich bildenden oder gebildeten, noch ungepressten Blatt, insbesondere beim Sieben, eine Hochspannungs-Impulsdauer (62) von 100 ns bis 1 μs verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass bei flächig verteiltem Prozessgut oder im sich bildenden oder gebildeten, noch ungepressten Blatt, insbesondere beim Sieben, der mit Plasma beaufschlagte Bereich von einer mit Wasserdampf angereicherten Atmosphäre umgeben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass bei flächig verteiltem Prozessgut oder im sich bildenden oder gebildeten, noch ungepressten Blatt, insbesondere beim Sieben, eine 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 7 bis 20, 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 7 bis 21, 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 7 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungseinkopplung elektrischer Energie in das Plasma vorwiegend über die Regelung von Amplitude (U), Impulsdauer (62), und Impulswiederholrate (63) der überlagerten Hochspannungsimpulse gesteuert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 23, 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 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass eine DC-Spannung von solcher Höhe eingesetzt wird, dass im Plasma in Verbindung mit überlagerten Hochspannungsimpulsen eine stabile DC-Koronaentladung gebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die eingesetzte DC-Spannung unter der für einen stabilen Betrieb ohne Hochspannungs-Impulsüberlagerung liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass die eingesetzte Gesamtamplitude (DC-Spannung + Impulsamplitude) über der statischen Durchbruchspannung der Elektrodenanordnung liegt.
Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass die eingesetzte Gesamtamplitude dem zwei- bis fünffachen der statischen Durchbruchspannung der Elektrodenanordnung entspricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 26 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplitude (U) der Hochspannungsimpulse zwischen 10% und 1000% der eingesetzten DC-Spannung beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass das Plasma in einen Abstand von kleiner als 20 cm, vorzugsweise kleiner als 10 cm, vorzugsweise kleiner als 5 cm, von dem Prozessgut erzeugt wird.