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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Zerfasern von chemisch behandeltem,
lignocellulosischen Rohstoff.
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Fasern
aus lignocellulosischem Rohstoff werden vielfältig, insbesondere zur Herstellung
von Pappe und Papier, eingesetzt. Sie werden ungebleicht, für hochwertige
Verwendungen aber vor allem auch gebleicht eingesetzt. Bei der Herstellung von
Faserstoff wird ein Gleichgewicht angestrebt, bei dem aus dem eingesetzten
lignocellulosischen Rohstoff mit einem Minimum an Ausbeuteverlust
ein Maximum an Fasern vorgegebener Qualität erzeugt wird. Die Faserqualität wird definiert über verschiedene
Eigenschaften der erzeugten Faser, insbesondere die Festigkeit der
Faser, die Bleichbarkeit der Faser und/oder faseroptische Eigenschaften
wie z. B. das spezifische Volumen der Fasern.
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Ein
weiterer wesentlicher Parameter der Faserherstellung, der zunehmend
die Wirtschaftlichkeit der Faserproduktion bestimmt, ist der Energieverbrauch
beim Zerfasern bzw. beim Mahlen der Fasern zum Entwickeln des Bindungspotentials.
Im Zusammenhang mit dieser Erfindung wird vorrangig der Energieverbrauch
zum Zerfasern betrachtet. Ziel des Zerfaserns ist es, Einzelfasern
und keine Faserbündel
zu erzeugen, die z. B. in der Papierproduktion eingesetzt werden
können.
Zu große
Faserbündel
werden in der Sortierung, die der Zerfaserung nachgeschaltet ist,
aussortiert. Sortiert wird z. B. mit Schlitz- oder Lochsieben, die
typischerweise einen Durchmesser von weniger als 0,5 mm, meist von
0,2 mm oder weniger aufweisen. Fasern und Faserbündel, die diese Siebe passieren,
werden als Gutstoff bezeichnet und als Ausbeute erfasst. Faserbündel, die hier
zurückgehalten
werden, werden als Rejekt bezeichnet und bei Verfahren nach dem
Stand der Technik mindestens einer zweiten Mahlung oder Zerfaserung
unterzogen, da ansonsten die Ausbeute der bekannten Verfahren nicht
in einem wirtschaftlichen Bereich liegt.
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Bekannt
sind bisher Fasern, die mechanisch durch Mahlen hergestellt werden.
Sie werden in hoher Ausbeute von ca. 75% bis 98% bezogen auf den otro
eingesetzten Rohstoff erzeugt, weisen aber nur ein geringes Festigkeitspotential
von bis zu 3,5 km Reißlänge auf,
das durch weiteres Mahlen der Fasern nicht gesteigert werden kann.
Zur Herstellung dieser Fasern ist eine spezifische Mahlenergie von bis
zu 3.500 kWh/t bezogen auf otro Faserstoff erforderlich. Bei leicht
zu zerfasernden Rohstoffen kann auch bereits eine spezifische Mahlenergie
von 1.000 kWh/t genügen.
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Um
das Zerfasern zu erleichtern, und um Fasern besserer Qualität zu erzeugen,
wird der lignocellulosische Rohstoff vor dem Zerfasern meist mit
Chemikalien behandelt. Die Chemikalienbehandlung erstreckt sich
von einer einfachen Imprägnierung über Aufschlussverfahren,
die Ausbeuten von ca. 80% bezogen auf den otro Rohstoff erzeugen
bis zu Aufschlussverfahren, die Ausbeuten von ca. 45% bis 55% bezogen
auf den otro Rohstoff ergeben. Bei den so erzeugten Fasern kann
das Festigkeitspotential der Fasern durch Mahlen, also durch Aufwenden
von mehr Energie, weiter erschlossen werden.
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Bei
den Verfahren, die eine Imprägnierung des
Rohstoffs, aber keinen Aufschluss vorsehen, beispielsweise CTMP,
BCTMP oder APMP, wird das Fasergefüge des Rohstoffs lediglich
geschwächt
bzw. erweicht, aber kaum gelöst.
Die Ausbeute dieser chemomechanischen Verfahren liegt bei 75% bis
95% bezogen auf den otro Rohstoff, die zum Zerfasern benötigte Energie
liegt bei mindestens 1.000 kWh/t spezifischer Mahlenergie. Erst
nach Aufwand dieser spezifischen Mahlenergie ist der Rohstoff in
Faserbündel,
zum geringeren Teil in Einzelfasern zerlegt, die die Sortierung
passieren. Für
diese Einzelfasern und keineren Faserbündel ist dann z. B. eine weitere
Verarbeitung zu Papier möglich.
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Einen
Schritt weiter geht man mit dem Einsatz von Chemikalien bei den
so genannten semi-chemical pulps; man lässt die Chemikalien intensiver,
bei höherer
Temperatur und über
längere
Zeit auf den lignocellulosischen Rohstoff einwirken. Das Fasergefüge wird
wiederum geschwächt
bzw. erweicht und in gewissem Umfang auch gelöst. Die Ausbeute dieser semi-chemical
pulps beträgt
nach dem Zerfasern zwischen 65% und 90% bezogen auf den otro Rohstoff.
Auch hier erfolgt zunächst
ein Zerlegen des Roh stoffs in Faserbündel und Einzelfasern. Teilweise
kann ein Zerfasern in einzelne Faser mit einer spezifischen Mahlenergie
von Ca. 1.000 kWh/t erreicht werden. Das Festigkeitsniveau des zerfaserten
Stoffs ist noch gering. Erst nach Aufwand weiterer Mahlenergie liegen
erreichbare Faserfestigkeiten über
den vorbeschriebenen Verfahren, gehen aber nicht über ein
Niveau von 5 km Reißlänge bis
7 km Reißlänge, je
nach Holzart und Aufschlussbedingungen hinaus. Allerdings lassen
sich auch diese semi-chemical-pulp-Fasern
noch nicht auf Weißgrade von über 70%
ISO bleichen. Damit können
auch diese Fasern nur eingeschränkt
für solche
Anwendungen eingesetzt werden, für
die ungebleichte Fasern einsetzbar sind.
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Das
Zerfasern der vorgenannten Rohstoffe erfolgt nach dem Aufschluss
durch mechanische Aggregate, die in der Regel in mehreren Stufen,
den gewünschten
Faserstoff erzeugen. Die Ausbeute nach der ersten Zerfaserung beträgt zwischen
50% und 95% des aufgeschlossenen Rohstoffs. Das heißt, maximal
95% des aufgeschlossenen Rohstoffs sind so weit vereinzelt, dass
sie die Sortierung passieren. Nur dieser Faserstoff ist also für die weitere
Verarbeitung z. B. zu Papier, geeignet.
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Es
bleiben zwischen 50% und mindestens 5% des aufgeschlossenen Rohstoffs,
die nicht unmittelbar weiter verarbeitet werden können, und
die deshalb in der Regel mindestens einer zweiten Zerfaserung zu
unterziehen sind. Auf diese zweite Zerfaserungsstufe wird aus Gründen der
Wirtschaftlichkeit nicht verzichtet. Allerdings sind nicht nur die
Kosten für
die Installation der zweiten Zerfaserungsstufe sondern auch der
laufend zu erbringende Energieaufwand beträchtlich.
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Es
besteht daher die Aufgabe, ein wirtschaftliches Verfahren zum Zerfasern
von lignocellulosischem Rohstoff, insbesondere von Rohstoff mit
hohem Ligningehalt vorzuschlagen.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
mit einem Verfahren zum Herstellen von Faserstoff aus lignocellulosischem
Rohstoff mit den Schritten
- – Herstellen einer Chemikalienlösung mit
weniger als 25% Sulfit (berechnet als NaS2O3) bezogen auf die otro Menge des lignocellulosischen
Rohstoffs
- – Mischen
der Chemikalienlösung
mit lignocellulosischem Rohstoff in einem vorgegebenen Flottenverhältnis
- – Erwärmen der
Chemikalienlösung
und des lignocellulosischen Rohstoffs auf eine Temperatur über Raumtemperatur
und anschließend
- – entweder
(1. Alternative)
Entfernen frei fließender Chemikalienlösung und Aufschließen des
lignocellulosischen Rohstoffs in der Dampfphase
- – oder
(2. Alternative)
Aufschließen
des lignocellulosischen Rohstoffs in flüssiger Phase und Separieren
der frei fließenden
Chemikalienlösung
und des lignocellulosischen Rohstoffes,
dadurch gekennzeichnet,
dass der aufgeschlossene lignocellulosische Rohstoff einer ersten
Zerfaserung unterzogen wird, wobei
- – beim
Aufschluss von Nadelholz bis zu 5% des aufgeschlossenen Nadelholzes
nach dem ersten Zerfasern nicht die Sortierung passieren,
- – beim
Aufschluss von Laubholz bis zu 3% des aufgeschlossenen Laubholzes
nach dem ersten Zerfasern nicht nicht die Sortierung passieren, und
- – beim
Aufschluss von Einjahrespflanzen bis zu 2% der aufgeschlossenen
Einjahrespflanzen nach dem ersten Zerfasern nicht die Sortierung passieren.
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Der
erfindungsgemäß hergestellte
Faserstoff lässt
sich beim ersten Zerfasern nahezu vollständig in Einzelfasern oder kleine
Faseraggregate zerlegen, die die Sortierung passieren. Ein Rest
von bis zu 5% des aufgeschlossenen lignocellulosischen Rohstoffs, der
die Sortierung beim ersten Zerfasern nicht passiert, ist – verglichen
mit dem Stand der Technik – vernachlässigbar
gering.
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Die
weitgehende und sehr gleichmäßige Zerfaserung
ist Resultat des Aufschlusses, der mittels Sulfit durchgeführt wird,
und der zu einer Ausbeute von mehr als 75%, maximal 98%, bezogen
auf den lignocellulosischen Rohstoff führt. Von diesen 75% bis maximal
98% Ausbeute sind mindestens 95% des jeweiligen aufgeschlossenen
Rohstoffs für
eine weitere Verarbeitung geeignet.
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Die
außerordentlich
hohe Ausbeute beim ersten Zerfasern des lignocellulosischen Rohstoffs hat
zahlreiche wirtschaftliche Vorteile. So sind die Investitionskosten – und auch die
Betriebskosten – für die Faserstoffsortierung
bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
geringer als beim Stand der Technik. Da im Wesentlichen eine erste
Zerfaserung ausreicht, vereinfacht sich der Gesamtprozess der Faserherstellung.
Es wird allenfalls eine kleine Rejekt-Aufbereitung benötigt. Der
insgesamt zur Zerfaserung benötigte
Energieaufwand verringert sich gegenüber dem Stand der Technik beträchtlich,
da der Rohstoff weitgehend durch die erste Zerfaserung zerlegt wird.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
werden nach dem ersten Zerfasern von Nadelholz nur bis zu 4%, bevorzugt
bis zu 3%, vorzugsweise bis zu 2%, vorteilhaft bis zu 1,5% des aufgeschlossenen
Nadelholzes in der Sortierung zurückgehalten, weil sie für eine weitere
Verwendung zu große
Abmessungen aufweisen. Nach dem ersten Zerfasern von Laubholz werden vorzugsweise
nur bis zu 2%, bevorzugt bis zu 1,5% des aufgeschlossenen Laubholzes
in der Sortierung zurückgehalten.
Nach dem ersten Zerfasern von Einjahrespflanzen werden bevorzugt
nur bis zu 1% der aufgeschlossenen Einjahrespflanzen in der Sortierung
zurückgehalten.
Es wird deutlich, dass das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung
dieses Faserstoffs sich durch einen außerordentlich gleichmäßigen Aufschluss,
insbesondere durch eine gleichmäßige, den
Rohstoff homogen durchdringende Sulfonierung auszeichnet. Die Sulfonierung
des lignocellulosischen Rohstoffs erfolgt offenbar vorwiegend im
Bereich der Mittellamelle, da die Fasern sehr gleichmäßig separiert
werden.
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Es
ist eine Frage der Wirtschaftlichkeit, ob die Teile des aufgeschlossenen
lignocellulosischen Rohstoffs, die nach der ersten Zerfaserung den
Siebkorb nicht passiert haben (Rejekte), wie erfindungsgemäß vorgeschlagen
einer zweiten Zerfaserung zugeführt
werden. Alternativ können
die Rejekte zur Energiegewinnung verbrannt werden, insbesondere wenn
sie einen Anteil von weniger als 3% an dem aufgeschlossenen lignocellulosischen
Rohstoff haben. Die Rejekte tragen auch auf diese Weise zur Wirtschaftlichkeit
des Verfahrens bei.
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Nur
der Vollständigkeit
halber sei angemerkt, dass das Verfahren nach Anspruch 1 einen sehr hochwertigen
Faserstoff erzeugt. Es handelt sich um einen Faserstoff mit einem
Gehalt von mindestens 15% Lignin, bevorzugt mindestens 17% Lignin,
vorteilhaft mindestens 19% Lignin, besonders vorteilhaft mindestens
21% bezogen auf otro Faserstoff für Nadelholz oder mit einem
Gehalt von mindestens 14% Lignin, bevorzugt min destens 16% Lignin,
besonders bevorzugt mindestens 18% Lignin bezogen auf otro Faserstoff
für Laubholz.
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Insbesondere
handelt es sich um einen Faserstoff mit einem Gehalt von mindestens
15 Lignin bezogen auf otro Faserstoff für Nadelholz, der bei einem
Mahlgrad von bis zu 15°SR
eine Reißlänge von mehr
als 8 km, bevorzugt von mehr als 9 km, vorteilhaft von mehr als
10 km aufweist, bzw. um einen Faserstoff mit einem Gehalt von mindestens
12 Lignin bezogen auf otro Faserstoff für Laubholz, der bei einem Mahlgrad
von bis zu 20°SR
eine Reißlänge von mehr
als 5 km, bevorzugt von mehr als 6 km, besonders bevorzugt von mehr
als 7 km aufweist.
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Details
der Erfindung werden nachfolgend an Hand eines Ausführungsbeispiels
näher erläutert.
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Die
nachfolgenden Versuche wurden gemäß der folgenden Vorschriften
ausgewertet:
- – Die Ausbeute wurde durch
Wägung
des eingesetzten Rohstoffs und des nach dem Aufschluss erhaltenen
Zellstoffs, jeweils bei 105°C
auf Gewichtskonstanz (atro) getrocknet, berechnet.
- – Die
papiertechnologischen Eigenschaften wurden an Prüfblättern bestimmt, die nach Zellcheming-Merkblatt
V/8/76 hergestellt wurden.
- – Der
Mahlgrad wurde nach Zellcheming-Merkblatt V/3/62 erfaßt.
- – Das
Raumgewicht wurde nach Zellcheming-Vorschrift V/11/57 ermittelt.
- – Die
Reißlänge wurde
nach Zellcheming-Vorschrift V/12/57 bestimmt.
- – Die
Durchreißfestigkeit
wurde nach DIN 53 128 Elmendorf ermittelt.
- – Die
Ermittlung von Tensile-, Tear- und Burst-Index erfolgte gemäß TAPPI
220 sp-96.
- – Der
Weißgrad
wurde ermittelt durch Herstellung der Prüfblätter nach Zellcheming-Merkblatt V/19/63,
gemessen wurde nach SCALA C 11:75 mit einem Datacolor elrepho 450 × Photometer; die
Weiße
ist in Prozent nach der ISO-Norm 2470 angegeben.
- – Sämtliche
% – Angaben
in diesem Dokument sind als Gewichtsprozent zu lesen, soweit nicht
im einzelnen anders angegeben.
- – Die
Angabe "otro" in diesem Dokument
bezieht sich auf "ofentrockenes" Material, das bei
105°C bis
zur Gewichtskonstanz getrocknet wurde.
- – Die
Chemikalien für
den Aufschluss sind in Gewichtsprozent als die jeweils verwendete
Chemikalie angegeben, soweit nicht anders erläutert.
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Beispiel 1 – Aufschluss von Fichtenholz-Hackschnitzeln
in flüssiger
Phase
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Fichtenholz-Hackschnitzel
werden nach einer Dämpfung
(30 Minuten bei Sattdampf mit 105°C) mit
einer Natriumsulfit-Aufschlusslösung
bei einem Flottenverhältnis
von Holz : Aufschlusslösung
1:3 versetzt. Der gesamte Einsatz an Chemikalien betrug 23,6 berechnet
als Natriumsulfit, bezogen auf otro Fichtenholz-Hackschnitzel. Die
mit Chemikalienlösung
imprägnierten
Fichtenholz-Hackschnitzel wurden über einen Zeitraum von 90 Minuten
auf 170°C aufgeheizt
und über
180 Minuten bei dieser maximalen Temperatur aufgeschlossen. Der
Anfangs-pH-Wert stellte sich im Bereich von pH 8,0 bis 9,5 ein.
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Die
aufgeschlossenen Fichten-Hackschnitzel wurden zerfasert. 95,5% der
aufgeschlossenen Fichtenholz-Hackschnitzel passierten den Siebkorb mit
einer Schlitzweite von 0,2 mm. 4,5% des aufgeschlossenen Materials
wurden hier zurückgehalten. Teilmengen
des so erzeugten Faserstoffs wurden verschieden lang gemahlen, um
die Festigkeit bei verschiedenen Mahlgraden zu ermitteln. Der Energieaufwand
zum Zerfasern der teilweise aufgeschlossenen Fichtenholz-Hackschnitzel
betrug weniger als 300 kWh/t Faserstoff.
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Die
Ausbeute beträgt
78,6% bezogen auf otro Faserstoff. Die Reißlänge wurde bei 14°SR mit 8 km
gemessen, der Tear-Index mit 8,5 mN·m2/g.
Der Weißgrad
wurde nach dem Aufschluss mit 41% ISO bestimmt.
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Beispiel 2, Beispiel 3
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Birken-Hackschnitzel
werden nach einer Dämpfung
(90 Minuten bei Sattdampf mit 105°C)
mit einer Natriumsulfit-Aufschlusslösung unter Zusatz von 0,1%
Anthrachinon bei einem Flottenverhältnis von Holz:Aufschlusslösung 1:3
versetzt. Der gesamte Einsatz an Chemikalien betrug 16,5% berechnet als
Natriumsulfit, bezogen auf otro Birken-Hackschnitzel. Die mit Chemikalienlösung imprägnierten Birken-Hackschnitzel wurden
auf 170°C
aufgeheizt und über
60 Minuten (Beispiel 2) bzw. über
80 Minuten (Beispiel 3) bei dieser maximalen Temperatur aufgeschlossen.
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Nach
dem Aufschluss wurden die Birken-Hackschnitzel zerfasert. 97,5%
der aufgeschlossenen Birken-Hackschnitzel (Beispiel 2) passierten den
Siebkorb mit 0,2 mm Schlitzweite. Es wurden also 2,5% Rejekte erfasst,
die den Siebkorb nicht passierten. 99% der aufgeschlossenen Birken-Hackschnitzel
(Beispiel 3) passierten den Siebkorb mit 0,2 mm Schlitzweite. Es
wurden also 1% Rejekts erfasst, die den Siebkorb nicht passierten.
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Für Beispiel
2 wurden eine Ausbeute von 85,34% und ein Weißgrad von 68,81% ISO nach dem Aufschluss
erfasst. Bei 20°SR
werden für
die Birke eine Reißlänge von
8, 4 km und ein Tear-Index von 6,9 mN·m2/g
gemessen. Für
Beispiel 3 wurden eine Ausbeute von 83,99% und ein Weißgrad von
69,82% ISO nach dem Aufschluss erfasst.