DE102005049287A1

DE102005049287A1 - Siebvorrichtung für die Herstellung von Papier und Verfahren zur Behandlung unverwobener Faserstoffe

Info

Publication number: DE102005049287A1
Application number: DE102005049287A
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

Abstract

Es ist eine Siebvorrichtung (9) beschrieben zum Entziehen von Trägerflüssigkeit aus einer Faser-Suspension (39) bei der Herstellung von Papier (27), Pappe oder Karton. Um die Verarbeitungsgeschwindigkeit bei der Papierherstellung zu steigern, weist die Siebvorrichtung (9) eine über, in oder unter einem Siebbereich angeordnete erste Elektrode (43) auf, welche mit einem Hochspannungsimpulsgenerator (46) verbunden ist, wobei in der Faser-Suspension (39) oder in ihrer unmittelbaren Umgebung ein Plasma erzeugbar ist. Dadurch wird auch die Reißfestigkeit des Papiers (27) erhöht.

Description

Siebvorrichtung für die Herstellung von Papier und Verfahren zur Behandlung unverwobener Faserstoffe
Die Erfindung betrifft eine Siebvorrichtung zum Entziehen von Trägerflüssigkeit aus einer Faser-Suspension bei der Herstellung von Papier, Pappe oder Karton.
Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Behandlung unverwobener Faserstoffe in einer Suspension, insbesondere als Pulpe oder Faserbrei, während die Suspension gesiebt oder ihr Trägerflüssigkeit entzogen wird, vorzugsweise zum Betrieb der Siebvorrichtung nach der Erfindung.
In einer Papierherstellungsanlage oder in Teilen einer Papierherstellungsanlage verlässt die Faser-Suspension einen Stoffauflauf und gelangt von dort auf ein, vorzugsweise umlaufendes, Sieb (Langsieb oder Siebzylinder). Auf dem Sieb wird das Blatt bis zu einem Trockengehalt von vorzugsweise 16 bis 25 % entwässert. Während der Entwässerung treten zwei verschiedene Arten einer Blattbildung auf: Filtration und Eindickung. Die Filtration ist ein scharfer Übergang zwischen einer schon gebildeten Fasermatte und der darüber liegenden Faser-Suspension. Bei der Eindickung nimmt die Konzentration von Faserstoffen von oben nach unten hin stetig zu. Eine Festigkeit des Blattes nimmt mit zunehmender Entwässerung zu. Papierfasern bestehen vorzugsweise aus zahlreichen Zelluloseketten mit vielen OH-Gruppen. Die Festigkeit des Papiers entsteht über dazwischen liegende Wassermoleküle, die die Fasern über Wasserstoffbrücken miteinander verbinden. Die Anzahl der Wasserstoffbrücken kann durch Pressung oder leichte Streckung gesteigert werden, z.B. in einer Pressenpartie.

Aus WO 2004/101891 A1 ist ein Verfahren zur Behandlung von Papier nach abgeschlossener Blattbildung mit Plasma bekannt.

Aus DE 198 36 669 A1 ist ein Verfahren zur Oberflächen-Vorbehandlung am festen Papier nach abgeschlossener Blattbildung bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, um die Verarbeitungsgeschwindigkeit bei der Papierherstellung zu steigern.

Die vorrichtungsbezogene Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, dass über, in oder unter einem Siebbereich der Siebvorrichtung mindestens eine erste Elektrode angeordnet ist, welche mit einem Hochspannungs-Impulsgenerator verbunden ist, wobei in der Faser-Suspension oder in ihrer unmittelbaren Umgebung ein Plasma erzeugbar ist.

Durch die Behandlung der Fasern auf dem Sieb, vorzugsweise vor der eigentlichen Blattbildung, mit einem, vorzugsweise kalten Koronaplasma, wird die molekulare Struktur der Faseroberflächen verändert. Dadurch werden folgende positive Effekte erzielt:

– Erhöhung der Festigkeit des Blattes noch vor einer Pressenpartie,
– Beseitigung von, farbigen "Molekülgruppen" (insbesondere Lignin und restlichen Farbstoffmolekülen aus dem Kreislaufwasser) an der Oberfläche und eine zeitgleiche Aufhellung des Papiers.

Insbesondere durch die Erhöhung der Festigkeit des Blattes können bei der Papierherstellung höhere Verarbeitungsgeschwindigkeiten erzielt werden. Ebenso wird die Wahrscheinlichkeit von Papierrissen reduziert. Im Bereich der Siebvorrichtung wird die Faser-Suspension noch vor abgeschlossener Blattbildung mit Vorteil im Hinblick auf die späteren Materialeigenschaften mit Plasma behandelt.

Zweckmäßig ist, dass das Plasma in einem Abstand von kleiner als 20 cm, vorzugsweise kleiner als 10 cm, vorzugsweise kleiner als 5 cm, von der Faser-Suspension erzeugt wird. Durch die direkte Behandlung der Faser-Suspension, vorzugsweise Zellstofffasern, mit kalten Plasma werden vorzugsweise im Gasraum der Faser-Suspension bestimmte Radikale erzeugt. Diese Radikale begünstigen eine Festigkeitssteigerung des Papiers.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist, dass ein Sieb als eine Elektrode hergerichtet ist. Durch die Behandlung mit vorzugsweise kaltem Plasma auf dem Sieb entstehen zu einem frühen Zeitpunkt im Blatt mehr Wasserstoffbrückenbindungen als ohne die Plasmabehandlung. Die Festigkeit des Blattes auf dem Sieb nimmt daher weiter zu. Die früher erreichte Festigkeit des Blattes reduziert die Gefahr von Papierrissen weiter.

Zweckmäßig ist, dass mindestens eine zweite Elektrode zur Plasmaerzeugung vorhanden ist. Eine Anordnung von mindestens zwei Elektroden ermöglicht eine beidseitige Behandlung der Faser-Suspension bzw. des ungepressten Blattes.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Elektroden in unmittelbarer Nähe von einem Saugkammerbereich, insbesondere einem Nasssaugbereich oder einem Flachsaugbereich, angeordnet. Vorteilhafterweise erfolgt die Plasmabehandlung des noch ungepressten Faserbreis auf dem Sieb in den Saugkammerbereichen (Flachsauger, Nasssauger). Dadurch wird eine radikalenhaltige Luft aus einem Plasmareaktorbereich oberhalb des Siebes durch den Faserbrei bzw. die Faser-Suspension hindurchgesaugt und es entsteht eine besonders innige Verbindung zwischen radikalenhaltiger Luft und der Faseroberfläche.

Zweckmäßig ist dabei, falls die erste Elektrode und die zweite Elektrode derart in unmittelbarer Nähe von dem Saugkammerbereich angeordnet sind, dass die Faser-Suspension zwischen den Elektroden geführt ist. Eine beidseitige Behandlung der Faser-Suspension verbessert das Behandlungsergebnis, welches mittels der erfindungsgemäßen Siebvorrichtung erreicht wird.

Vorzugsweise sind die Elektroden derart hergerichtet, dass eine Gasentladung durch die Elektroden oder an den Elektroden vorbei, insbesondere durch die Faser-Suspension hindurch, saugbar ist.

Weiterhin kann die Vorrichtung mit einem Mittel zum Einleiten von Gas, insbesondere Luft oder Sauerstoff, vorzugsweise reinem Sauerstoff oder Sauerstoff mit beispielsweise Edelgas als Trägergas, zwischen oder in die unmittelbare Nähe der Elektroden ausgestaltet sein. Durch diese vorteilhafte Anordnung werden, vorzugsweise fein verteilte Luftblasen oder Sauerstoff oder Sauerstoff mit einem Trägergas wie z.B. Argon, in die Faser-Suspension eingeströmt. Mit Hilfe dieses eingeströmten Gases und der gleichzeitigen Behandlung mit Plasma wird die spätere Reißfestigkeit des Papiers weiter erhöht.

Zweckmäßig ist ferner, dass mindestens eine Elektrode als Platte ausgestaltet ist. Bei einer vorzugsweise fließenden Suspension, insbesondere ein herabfallender Vorhang aus Suspension, kann eine Elektrodenanordnung mit zwei Platten mit Vorteil für ein beidseitiges Applizieren von Plasma auf den Suspensions-Vorhang genutzt werden.

Weitere Ausgestaltungsmerkmale der Siebvorrichtung, insbesondere der Elektrodenanordnungen der Siebvorrichtung, sind durch die Patentansprüche 10 bis 16 wiedergegeben.

Nach der verfahrensseitigen Maßgabe der Erfindung ist vorgesehen, dass die Suspension mit vorzugsweise nichtthermischen, großflächigem Plasma unter mindestens Atmosphärendruck in Kontakt gebracht, dass 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.

Bei der Behandlung der rohen noch weitgehend ungebundenen Papieroberfläche mit kaltem Plasma kurz vor dem Sieb, auf dem Sieb oder unmittelbar danach, beispielsweise im ersten Teil der Pressenpartie, werden bestimmte Radikale erzeugt (z.B. OH^-, HOO^-, O, O₃), welche mit der Papieroberfläche und insbesondere der Faser-Suspension chemisch reagieren.

Weitere bevorzugte Verfahrensmerkmale sind durch die Patentansprüche 18 bis 54 beschrieben. Diesen liegen u.a. folgende Überlegungen zu Grunde:

Radikale können unter anderem auch bleichende chemische Reaktionen auslösen, insbesondere freier Sauerstoff O, insbesondere auch ein Hydroxyl-Radikal OH, insbesondere Ozon O₃, als auch freie funktionelle Gruppen wie z.B. OH-Gruppen, COOH-Gruppen. Diese funktionalen Gruppen wiederum sind maßgeblich daran beteiligt, insbesondere die Bindungsfestigkeit der Fasern untereinander zu erhöhen, wodurch sich eine Reißfestigkeit des Papiers und damit die mögliche Verarbeitungsgeschwindigkeit weiter verbessert.

Vorzugsweise wird bei einer simultanen Erzeugung von Radikalen eine Reihe von unterschiedlich oxidierenden und funktionalisierenden Radikalen in einer Gasphase erzeugt und dazu verwendet, im ungepressten Blatt, noch auf dem Sieb oder unmittelbar danach im ersten Teil einer Pressenpartie diese Fasern mit Radikalen zu behandeln.

Insbesondere soll diese Behandlung bei einem Gehalt an Trägerflüssigkeit von 75 % bis zu über 98 % eingesetzt werden. Die Festigkeit des Papiers und damit die maximale mögliche Arbeitsgeschwindigkeit wird dadurch schon frühzeitig erhöht. Des Weiteren lassen sich durch diese Art der Behandlung auch die an der Oberfläche liegenden farbigen Stoffe bleichen, beispielsweise werden das anhaftende Lignin oder Farbstoffreste oxidativ entfärbt.

Radikale werden in Gasentladungen dadurch erzeugt, dass energiereiche Elektronen mit Molekülen zusammenstoßen und diese dadurch dissoziieren oder anregen und so zur Radikalenbildung führen. Bei der Dissoziation werden unmittelbar Radikale freigesetzt, während bei der Anregung durch anschließende strahlende Übergänge UV-Licht erzeugt wird, welches wiederum mit vorzugsweise Luft- und Wassermolekülen reagiert und diese dissoziiert. Um ausreichend energiereiche Elektronen im Bereich von ca. 5 eV (Elektronenvolt) bis > 15 eV zu erhalten, werden extrem hohe elektrische Felder benötigt. Diese hohen Feldstärken treten insbesondere am Kopf von sogenannten Streamern auf. Streamer sind Entladungskanäl, die sich im Aufbau befinden und sich aufgrund der angelegten hohen externen Feldstärken ausbilden. Ein Aufbau solcher Streamer findet innerhalb weniger 10 ns statt und geht dann schnell in einen thermischen Durchschlagskanal über. Da in einem thermischen Durchschlagskanal keine energiereichen Elektronen gebildet werden, ist es unter anderem das Ziel, diese thermischen Durchschläge zu vermeiden oder auf ein Minimum zu reduzieren. Um eine gute Energieeffizienz der Erzeugung von vorzugsweise Radikalen in Gasen zu erhalten, ist es daher erforderlich, mit sehr kurzen Hochspannungseinzelimpulsen zu arbeiten. Vorzugsweise ist die Pulsdauer deutlich kürzer als es einer Aufbauzeit eines vollständigen Durchschlages im jeweiligen Medium entspricht.

Eine gepulste Koronaentladung direkt oberhalb des Papiers oder an der Faser-Suspension unter Benutzung extrem kurzer Hochspannungsimpulse von weniger als 10 μs, insbesondere typisch von 1 μs, und besondere vorteilhaft deutlich geringer als 1 μs, mit Spannungen von einigen kV bis zu über 100 kV, abhängig von einem Abstand der Elektroden zum Papier oder zur Faser-Suspension und der Eigenschaften des Papiers, wird mit Vorteil, hinsichtlich der Qualitätseigenschaften, auf das Papier oder die Faser-Suspension appliziert. Insbesondere hat sich die Verwendung von derartig kurzen Hochspannungsimpulsen als besonders vorteilhaft gezeigt, wogegen die Verwendung von Radiofrequenz-(RF-) oder Mikrowellenimpulsen oder von Hochspannungseinzelimpulsen mit mehr als 10 μs Dauer, wie in WO 2004/101891 A1 beschrieben, weit weniger effizient ist. Der Grund liegt vermutlich in einem schnellen Übergang von einem Streamer zum Durchschlag bei Atmosphärendruck, insbesondere bei Vorhandensein von geometrischen Irregularitäten an der Papieroberfläche, wie z.B. einzelne Fasern, an denen das elektrische Feld erheblich überhöht ist.

Befindet sich die Papierbahn oder die Faser-Suspension zwischen den zur Streamerentladung benutzten Elektroden, so ist dies besonders vorteilhaft, da das Papier oder die Faser-Suspension dadurch teilweise als eine dielektrische Barriere wirkt. Durch die dielektrische Barriere lässt sich der Übergang vom Streamer zum Durchschlag besser kontrollieren.

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 nach der Erfindung, einer Pressenvorrichtung und einer Veredelungsund/oder Trockenanlage,
2 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,
3 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, und
4 bis 9 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.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Papierherstellungsanlage 1, wie sie in heutigen Papierfabriken eingesetzt wird. Ihre 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 Faser-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 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 werden ebenfalls unter Zugabe von Wasser in einem Fasertrog 35 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 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 Faser-Suspension 39 nach dem erfindungsgemäßen Verfahren sind zwischen dem Stoffauflauf 7 und dem Anfangsbereich der Siebvorrichtung 9 nach der Erfindung 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 ca. 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 39 ausübt, zu unterstützen wird 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 besonders aggressiv und oxidierend, dadurch wird an der nur wenige Sekunden im Behandlungsbereich zwischen den Elektroden 43 und 44 verweilenden Faser-Suspension eine erhöhte Festigkeit bei der späteren Blattbildung 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 der Plasmabehandlungsbereich über den Gasverteiler 81 mit der Gasleitung 80 mit einem Sauerstoff-Argon-Gemisch angeströmt.
Der Pressvorgang verdichtet das Papiergefüge, die Festigkeit wird nochmals erhöht 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. Zusätzlich zur Festigkeit des Papiers 27 wird 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 Streamer zum Durchschlag unterdrücken lässt.
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. Neben einer Festigkeitssteigerung lösen diese Radikale lösen eine bleichende chemische Reaktion aus. Der Hochspannungsimpulsgenerator 46 wird derart betrieben, dass er Hochspannungsimpulse mit einer Dauer von typisch 1 μSek. 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. einigen 10 kV bis über 100 kV. Die Hochspannungsimpulse werden der DC-Spannung überlagert und bilden so eine Gesamtamplitude von typisch ca. 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. Für die Elektroden 47 und 48 wird der Hochspannungsimpulsgenerator derart betrieben, dass er Hochspannungsimpulse mit einer Dauer von typisch 0,1 μs bis zu einigen wenigen μs erzeugt.
2 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel eine Schnittdarstellung einer Anordnung zur Erzeugung von Radikalen. In der Mitte der Anordnung ist eine Hochspannungselektrode 50 angeordnet. Der Außenmantel der Anordnung ist als eine Gegenelektrode 51 hergerichtet. In der Anordnung befindet sich eine zu siebende 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 3 ist der applizierte 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 typisch 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 weisen eine Pulsbreite 62 von kleiner 1 μs auf, wobei die einzelnen Impulse 66, 67 eine steil 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 die Pulsanstiegszeit 64 dabei kurz im Vergleich zur Puls abfallzeit. 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.
4 bis 9 zeigen Beispiele für Elektrodensysteme zur Erzeugung von Korona-Entladungen in vorzugsweise wässrigen Medien. In 4 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 5 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.
6 zeigt eine Draht-Rohr-Anordnung als Elektrodensystem. In eine zylinderförmige Elektrode 72 ragt mittig eine Hochspannungselektrode 71 hinein. Wie in 5 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.
7 zeigt eine Spitze-Platte-Anordnung als Elektrodensystem. 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.
8 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.
9 zeigt ein Elektrodensystem als Gitter-Gitter-Anordnung. Analog zur 4 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 behandelnden Faser-Suspension 39 befindet und eine zweite Elektrode 75b ganz oder teilweise in der Faser-Suspension 39 eingetaucht ist, wird mit einer alternativen Anordnung, bei welcher das Sieb als Elektrode 75a ausgestaltet ist, erzeugt. Das Sieb ist als eine Gitterelektrode ausgeführt und bildet die Hochspannungselektrode, welche mit dem Hochspannungsimpulsgenerator 46 in Verbindung steht. Auch die geerdete Gegenelektrode 76b ist als eine Gitterelektrode ausgeführt und steht mit dem Hochspannungsimpulsgenerator 46 in Verbindung.
Um gepulste Entladungen im oberflächennahen Gasraum über der Faser-Suspension 39 zu erzeugen ist eine weitere Elektrodenanordnung möglich. Eine Hochspannungselektrode umfassend mehrere elektrisch miteinander verbundene Stabelektroden ist im oberflächennahen Gasraum der Faser-Suspension 39 derart angeordnet, dass ihre Stäbe parallel zur Oberfläche verlaufen. Eine geerdete Gegenelektrode ist als massive Platte ausgeführt und in über die ganze Fläche verteilten äquidistanten Abständen zur Hochspannungselektrode angeordnet.

Claims

Siebvorrichtung (9) zum Entziehen von Trägerflüssigkeit aus einer Faser-Suspension (39) bei der Herstellung von Papier (27), Pappe oder Karton, dadurch gekennzeichnet, dass über, in oder unter einem Siebbereich der Siebvorrichtung (9) mindestens eine erste Elektrode (43) angeordnet ist, welche mit einem Hochspannungsimpulsgenerator (46) verbunden ist, wobei in der Faser-Suspension (39) oder in ihrer unmittelbaren Umgebung ein Plasma erzeugbar ist.
Siebvorrichtung (9) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnett, dass das Plasma in einem Abstand von kleiner als 20 cm, vorzugsweise kleiner als 10 cm, vorzugsweise kleiner als 5 cm, von der Faser-Suspension (39) erzeugt wird.
Siebvorrichtung (9) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnett, dass ein Sieb (10) als eine Elektrode hergerichtet ist.
Siebvorrichtung (9) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnett, dass mindestens eine zweite Elektrode (44) zur Plasmaerzeugung vorhanden ist.
Siebvorrichtung (9) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnett, dass die Elektroden (43, 44) in unmittelbarer Nähe von einem Saugkammerbereich (24), insbesondere einem Nasssaugbereich oder einem Flachsaugbereich, angeordnet sind.
Siebvorrichtung (9) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnett, dass die erste Elektrode (43) und die zweite Elektrode (44) derart in unmittelbarer Nähe von dem Saugkammerbereich (24) angeordnet sind, dass die Faser-Suspension (39) zwischen den Elektroden (43, 44) geführt ist.
Siebvorrichtung (9) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnett, dass die Elektroden (43, 44) derart hergerichtet sind, dass eine Gasentladung durch die Elektroden oder an den Elektroden vorbei, insbesondere durch die Faser-Suspension (39) hindurch, saugbar ist.
Siebvorrichtung (9) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnett durch ein Mittel (81) zum Einleiten von Gas, insbesondere Luft oder Sauerstoff, vorzugsweise reinem Sauerstoff oder Sauerstoff mit beispielsweise Edelgas als Trägergas, zwischen oder in die unmittelbare Nähe der Elektroden (43, 44).
Siebvorrichtung (9) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnett, dass mindestens eine Elektrode als Platte (70a, 70b) ausgestaltet ist.
Siebvorrichtung (9) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnett, dass mindestens eine Elektrode als Draht (71) ausgestaltet ist.
Siebvorrichtung (9) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnett, dass mindestens eine Elektrode als ein Drahtgeflecht, insbesondere als ein Draht-Gitter (75a, 75b), ausgestaltet ist.
Siebvorrichtung (9) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnett, dass mindestens eine Elektrode als ein Gitter (75a, 75b), insbesondere als eine Anordnung von sich rechtwinklig oder schräg kreuzenden Rundstäben und/oder Flachleisten, vorzugsweise als ein Sieb (10), ausgestaltet ist.
Siebvorrichtung (9) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnett, dass mindestens eine Elektrode eine oder mehrere Spitze(n) (73) aufweist.
Siebvorrichtung (9) nach einem der Ansprüche 4 bis 13, dadurch gekennzeichnett, dass die Elektroden als mindestens zwei gegenüberstehende, vorzugsweise parallel zueinander verlaufende, Platten (70a, 70b) angeordnet sind.
Siebvorrichtung (9) nach einem der Ansprüche 4 bis 14, dadurch gekennzeichnett, dass die Elektroden als mindestens zwei gegenüberstehende, vorzugsweise parallel zueinander verlaufende, Gitter (75a, 75b) angeordnet sind.
Siebvorrichtung (9) nach einem der Ansprüche 3 bis 15, dadurch gekennzeichnett, dass die Elektroden derart angeordnet sind, dass zwischen zwei über mindestens einen Plattenverbinder (70f) miteinander verbundenen Platten (70d, 70e), welche die erste Elektrode bilden, ein Draht (71) oder ein Gitter (75a) als zweite Elektrode angeordnet ist.
Verfahren zur Behandlung unverwobener Faserstoffe in einer Suspension, insbesondere als Pulpe oder Faserbrei, während die Suspension gesiebt oder ihr Trägerflüssigkeit entzogen wird, vorzugsweise zum Betrieb der Siebvorrichtung nach der Erfindung, dadurch gekennzeichnet, dass die Suspension mit, vorzugsweise nichtthermischem, 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.
Verfahren nach Anspruch 17, 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 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Suspension für die Herstellung von Papier, Pappe oder Karton geeignet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass als Suspension ein feuchtes oder nasses Blatt verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 20, 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 17 bis 21, 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 17 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Suspension beidseitig mit dem Plasma in Kontakt gebracht bzw. mittels der Gasentladung behandelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 23, 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 Zuleitung, verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 24, 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 17 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass das Plasma bzw. die Gasentladung in der Suspension erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 26, 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 21 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass im Plasma oder mittels der Gasentladung Radikale (59) erzeugt werden, die auf die Faserstoffe einwirken.
Verfahren nach Anspruch 28, 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 28 oder 29, 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 28 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass als Radikale (59) Ozon (O3), Wasserstoffperoxid (H2O2), Hydroxyl-Radikale (OH), HO2 und/oder HO2- erzeugt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass beim Bleichen in der Suspension oder in der Pulpe (39) oder in dem Fa serbrei 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 28 bis 32, 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 28 bis 33, 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 34, dadurch gekennzeichnet, dass zur Steuerung und Regelung der Erzeugungsrate und/oder der Art der erzeugten Radikale (59) eine Konzentration der erzeugten Radikale (59) gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 34 oder 35, 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 35 oder 36, dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentration bzw. die Eigenschaft "online" gemessen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 34 bis 37, dadurch gekennzeichnet, dass zur Regelung die Amplitude (U) der Hochspannungsimpulse (66, 67) bei konstanter Wiederholrate (63) verändert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 34 bis 38, dadurch gekennzeichnet, dass zur Regelung die Wiederholrate (63) der Hochspannungsimpulse (66, 67) bei konstanter Amplitude (U) verändert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 39, 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 34 bis 40, dadurch gekennzeichnet, dass In der Suspension, 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 17 bis 41, 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 34 bis 42, dadurch gekennzeichnet, dass an flächig verteilte/r Suspension, Pulpe (39) oder Faserbrei oder sich bildendem oder gebildeten, noch ungepresstem Blatt, insbesondere beim Sieben, eine Hochspannungs-Impulsdauer (62) von 100ns bis 1μs verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 34 bis 43, dadurch gekennzeichnet, dass bei flächig verteilte/r 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 34 bis 44, 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 34 bis 45, dadurch gekennzeichnet, dass eine Impulswiederholrate (63) zwischen 10 Hz und 5 kHz, insbesondere von l0kHz, verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 34 bis 46, 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 21 bis 47, 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 21 bis 48, 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 21 bis 49, 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 50, dadurch gekennzeichnet, dass die eingesetzte DC-Spannung unter der für einen stabilen Betrieb ohne uHochspannungs-Impulsüberlagerung liegt.
Verfahren nach Anspruch 50 oder 51, dadurch gekennzeichnet, dass die eingesetzte Gesamtamplitude (DC-Spannung + Impulsamplitude) über der statischen Durchbruchspannung der Elektrodenanordnung liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 50 bis 52, dadurch gekennzeichnet, dass die eingesetzte Gesamtamplitude dem zwei- bis fünffachen der statischen Durchbruchspannung der Elektrodenanordnung entspricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 50 bis 53, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplitude (U) der Hochspannungsimpulse zwischen 10% und 1000% der eingesetzten DC-Spannung beträgt.