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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Reinigung von Fasern. Beide können Anwendung finden in physikalischen Prozessen, die die Abtrennungen von Verunreinigungen von faserförmigen Feststoffpartikeln bewirken sollen und in denen die faserförmigen Feststoffpartikel sich mit Flüssigkeiten in einem Flüssigkeits-Feststoff-Gemisch befinden. Dies kann z. B. in Anlagen zum Alt- bzw. Druckpapierrecycling der Fall sein, in denen sich in Wasservolumina verteilte Zellstofffasern befinden, die es von anhaftenden Druckfarbenpartikeln zu reinigen gilt.
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Der Stand der Technik beim Reinigen der Zellulosefasern aufzubereitenden gebrauchten Papiers weist eine Reihe von Lösungen auf, die sich des Flotierens der Fasern bedienen.
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Der wesentliche Schritt zur Aufbereitung von Altpapier zur Wiederverwendung besteht darin, die Druckfarben möglichst weitgehend zu entfernen. Beim konventionellen Flotationsreinigen werden die Fasern des Altpapiers durch den Einsatz von alkalischen Stoffen zum Quellen gebracht, wodurch die Ablösung der Druckfarbe ermöglicht wird. Hydrophobe Druckfarbenteilchen lassen sich aus der Suspension von Fasern, Füllstoffen und Druckfarben durch ein in-situ gefälltes Fettsäuresalz sammeln und flotieren. Durch diesen konventionellen Prozess, umfassend Aufschlagen des Papiers, Sortierung, Flotation unter alkalischen Bedingungen und gegebenenfalls eine Nachflotation kann hydrophobe Druckfarbe meist befriedigend entfernt werden.
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Wasserlösliche Druckfarben, wie Flexodruckfarben und Inkjet-Druckfarben, die oft durch Sulfonierung hydrophilierte sehr kleine Farbpigmente enthalten, lassen sich durch konventionelles Flotationsdeinking dagegen nicht oder wenig befriedigend abtrennen. Der an sich hochwertige Rohstoff Büroaltpapier wird so zum Problemstoff, denn er ist selbst für graphisches Papier mit dem niedrigsten Weißgehalt, Zeitungspapier, zu dunkel. Die gelösten Druckfarben verschmutzen zudem den Wasserkreislauf. Zwar lassen sich derartige wasserlösliche Farben und hydrophilierte Farbpigmente durch eine Wäsche des Altpapiers abtrennen – gleichzeitig werden allerdings auch die Füllstoffe mit entfernt, so dass die Ausbeute dieses Reinigungsprozesses auf Werte um/unter 70% absinkt.
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In der Patentliteratur vorgeschlagene Lösungen sollen diese Reinigungsverfahren verbessern.
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So wird z. B. in der deutschen Druckschrift
DE 11 2006 002 685 T5 eine Einrichtung zur Durchführung eines Deinking-Verfahrens vorgeschlagen, die einen speziellen Diffusor in einer Flotationszelle aufweist.
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Auch in der
deutschen Offenlegungsschrift 10 2009 006 033 A1 sind ein Flotationsverfahren und eine Flotationsvorrichtung zur Entfernung von Störstoffen mit Hilfe von Gasblasen aus einer wässrigen Faserstoffsuspension in einem Flotationsbehälter beschrieben. Der Flotationsbehälter weist dabei zumindest eine von einem Strom der Faserstoffsuspension durchströmte Mischvorrichtung zur Zuführung wenigstens eines Stromes von Gas auf und besitzt auch mindestens eine Ableitung für den gebildeten Flotationsschaum mit den Störstoffen sowie zumindest einen Auslauf für die gereinigte Faserstoffsuspension.
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Dabei soll eine zuverlässige und effektive Entfernung von Störstoffen auch bei relativ hohen Stoffdichten dadurch ermöglicht werden, dass in den Strömungskanal mehrere Düsen zur Zuführung von Faserstoffsuspensions-Teilströmen münden.
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Auch die in der Druckschrift
DE 698 14014 T2 beanspruchte Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Deinking von Papierbrei, der aus der Bildung eines Breis von Altpapier unterschiedlicher Qualitäten mit Wasser stammt, bei dem man den Breistrom mindestens einmal von einem Luftblasenstrom durchqueren lässt. Dabei ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass man einen Wasser-Gegenstrom in den Luftblasenstrom zum Deinking leitet, nachdem diese Blasen durch den Brei geströmt sind und sich mit Tintenteilchen beladen haben, so dass der Wasser-Gegenstrom die von diesen Deinking-Blasen mitgerissenen Teilchen, z. B. Fasern, Schlamm oder Füllstoffe freisetzt und mit sich fortführt.
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Wesentlicher Nachteil dieser Lösungen ist ein hoher technischer Realisierungsaufwand dieser Deinking-Anlagen, der hohe Herstellungs- und Montage- sowie Wartungskosten nach sich zieht, wobei die Reinigungsqualität nach wie vor unbefriedigend ist, da erfahrungsgemäß nur ein Reinigungsgrad erreicht wird, der einer Weißgradsteigerung um drei Grad entspricht.
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Aus diesem Nachteil der Lösungen des Standes der Technik ergibt sich die Aufgabe, ein Verfahren zu entwickeln, mit dem die gewünschte Reinigung von Fasern von unerwünschten Anhaftungen, z. B. Druckfarbenpartikeln u. Ä., mit deutlich verringertem technischen und ökonomischen Aufwand erreicht werden kann. Zusätzlich soll eine Anordnung entwickelt werden, mit der ein die vorgenannten Anforderungen erfüllendes Verfahren realisiert werden kann. Gleichzeitig sollen beide Erfindungen eine deutlich verbesserten Reinigungsgrad ermöglichen.
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Die Aufgabe der Erfindung wird mit einem Verfahren gelöst, das die Verfahrensschritte gemäß des Patentanspruches 1 beinhaltet. Weiterhin wird die Aufgabe der Erfindung mit einer Anordnung gelöst, die entsprechend der Merkmale des Patentanspruches 8 aufgebaut ist. Die jeweiligen Unteransprüche 2 bis 7 enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen der Verfahrensendung.
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Das Wesen der Verfahrenserfindung besteht dabei darin, dass das die zu reinigenden Fasern, vorzugsweise druckfarbenverunreinigte Zellulosefasern, mit Flüssigkeit, vorzugsweise Wasser, versetzt werden und als Feststoff-Wasser-Gemisch mit einem Luft-Wasser-Gemisch strömend zusammengeführt werden. Das Zusammenströmen des Luft-Wasser-Gemisches mit dem Feststoff-Wasser-Gemisch erfolgt mit stark unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten. Beim Zusammenprall der Teilchen der beiden Gemischströme findet eine Lösung der Verunreinigungen von den Oberflächen der Fasern statt.
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Der Zusammenstrom-Prozess wird dabei so geführt, dass gleichzeitig eine deutliche Verdünnung des Wasser-Feststoff-Gemisches erfolgt und die gelösten Verunreinigungspartikel sich an den Luftblasen aus dem Luft-Wasser-Gemisch festsetzen.
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Der Zusammenstrom-Prozess kann erfindungsgemäß in mehreren Varianten durchgeführt werden: Es ist möglich, die zusammenzuführenden Gemische im Gegenstrom, in gleicher Strömungsrichtung oder unter beliebigen Winkeln zusammenströmen zu lassen.
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Das mit dem Feststoff-Wasser-Gemisch zusammengeführte Luft-Wasser-Gemisch wird durch einem oder mehreren Misch-Systeme erzeugt, aus dem bzw. denen das luftblasenführende Luft-Wasser-Gemisch durch einen in den Systemen wirkenden Differenzdruck mit hoher Strömungsgeschwindigkeit austritt.
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Der beschriebene Strömungsprozess kann ohne weiteren apparativen Aufwand in Rohrleitungen einer Reinigungsanlage ablaufen. Hier erfolgen bereits Gemisch-Verdünnung, Faser-Verunreinigungs-Trennung sowie Bindung der Verunreinigungspartikel an Luftblasen, ohne dass dieser Trennungsprozess der Verunreinigungen von den Fasern besonderer Prozessgefäße bedarf.
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In einem folgenden Verfahrensschritt wird eine Trennung von Faseranteil, verunreinigungsbelastetem Schaum aus den Luftblasen sowie Wasser vorgenommen.
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Erst zu dieser Trennung von Faseranteil, verunreinigungsbelastetem Schaum aus den Luftblasen sowie Wasser wird das Gemisch in einen bekannten Fraktionator geführt, wo der auf der Oberfläche entstehende Schaum, belastet mit Verunreinigung, von den Fasern getrennt wird.
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Das Wesen der Anordnungserfindung ist durch das Anordnungsschema einer Faserreinigungsanlage gekennzeichnet, die auf das Vorhandensein von Rohrleitungen mit einem oder mehreren darin angeordneten Misch-Systemen sowie einer oder mehreren, den Rohrleitungen nachgeschalteten, Fraktionatoren beschränkt ist.
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Die Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens innerhalb einer ebenfalls erfindungsgemäßen Anordnung zeigt, dass es überraschenderweise möglich ist, unter Verzicht auf aufwendige Prozessapparate bekannter Anordnungen, bereits mit den einfachen Mitteln schlichter in Rohrleitungen integrierter Misch-Systeme und einfacher nachgeschalteter Fraktionatoren die gewünschte Reinigungswirkung auf verunreinigte Fasern auszuüben.
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Nachfolgend soll die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.
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Dabei zeigt die zugehörige Zeichnung ein Prinzipschema einer Anlage zur Altpapierfaserreinigung gemäß den Erfindungen.
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Gemäß der Zeichnung weist die Anlage zur Altpapierfaserreinigung des Ausführungsbeispiels einen Filtratbehälter 1, einen Stoffbehälter 2, einen Fraktionator 3, einen Schaumbrecher 4, Mischsysteme 5 sowie Pumpen 6 und 7 auf.
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Die genannten Elemente der Anlage zur Altpapierfaserreinigung sind mit Rohrleitungen 11 bis 17 wie folgt miteinander verbunden:
Mit Rohrleitung 11 wird über Pumpe 6 ein Feststoff-Wasser-Gemisch mit 4% Feststoffanteil an zu reinigenden Fasern vom Stoffbehälter 2 in Richtung auf den Fraktionator 3 befördert. Die zu reinigenden Fasern sind mit auf ihrer Oberfläche haften Verunreinigungsteilchen in Form von Druckfarbenpartikeln verunreinigt.
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Das Feststoff-Wasser-Gemisch wird mit einem Strömungsdurchsatz von 1560 l/min durch die Rohrleitung 11 befördert, die einen Durchmesser von 125 mm besitzt. Die Strömungsgeschwindigkeit beträgt bei diesen Parametern 2,12, m/s.
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Mit Rohrleitung 12 wird über Pumpe 7 ein Filtrat-Luft-Gemisch vom Filtratbehälter 1 ebenfalls in Richtung auf den Fraktionator 3 befördert. Das Filtrat-Luft-Gemisch wird mit einem Strömungsdurchsatz von 4685 l/min durch die Rohrleitung 12 befördert, die einen Querschnitt von 21 × 18 mm besitzt. Die Strömungsgeschwindigkeit beträgt bei diesen Parametern 14,62 m/s.
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Von Rohrleitung 12 zweigt Rohrleitung 15 ab und führt einen Teil des Filtratwassers durch ein Mischsystem 5. In diesem wird der Filtratstrom mit Luftblasen versetzt, die dadurch entstehen, dass der Wasserstrom innerhalb des Mischsystems 5 durch dessen Injektorwirkung Luft mitreißt. Die Größe und Anzahl der Luftblasen sind durch Strömungsgeschwindigkeit und Durchsatz der Filtratwassermenge durch das Mischsystem 5 regelbar, so dass je nach Bedingungen der konkreten Reinigungsaufgabe die optimale Blasengröße ab Mikrobläschen aufwärts ein Filtrat-Luft-Gemisch zur Verfügung steht, welches durch Rohrleitung 17 am Verzweigungspunkt 8 wieder in die Rohrleitung 12 eingemischt wird.
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Ab Verzweigungspunkt 8 führt die Rohrleitung 12 also ein Filtrat-Luft-Gemisch mit hoher Strömungsgeschwindigkeit und einer hohen Anzahl möglichst kleiner Luftbläschen. Eine vorteilhafte Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt bei Bläschengrößen von etwa 0,5 mm oder kleiner.
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Am Verzweigungspunkt 9 sind Rohrleitung 11 und Rohrleitung 12 zusammengeführt und verlaufen gemeinsam als Rohrleitung 13 zum Fraktionator 3. Rohrleitung 13 besitzt in diesem Ausführungsbeispiel einen Durchmesser von 200 mm.
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Im Verzweigungspunkt 9 treffen das Feststoff-Wasser-Gemisch mit 4% Stoffdichte aus Rohrleitung 11 und das luftblasentragende Filtrat-Luft-Gemisch aus Rohrleitung 12 mit stark unterschiedlicher Strömungsgeschwindigkeit aufeinander. Dabei prallen Luftbläschen des Filtrat-Luft-Gemisches mit hoher kinetischer Energie auf die verunreinigten Faseranteile des Feststoff-Wasser-Gemisches. Dabei werden überraschenderweise die auf den Fasern befindlichen Verunreinigungsteilchen, z. B. Druckfarbenpartikel, von den Fasern abgetrennt und heften sich an die Oberfläche der Luftbläschen. Dieser Vorgang ist vergleichbar mit dem als ”Kärchern” bekanntem Reinigungsprozess von Oberflächen durch Hochdruckwasser.
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In der dem Vereinigungspunkt 9 der Rohrleitungen 11 und 12 folgenden Rohrleitung 13 bewegt sich das nunmehr aus Wasser, Faseranteilen und verunreinigungsbehafteten Luftbläschen bestehende schaumige Gemisch mit einer Stoffdichte von 1% Faseranteil, einem Stoffdurchsatz von 6.250 l/min und einer Strömungsgeschwindigkeit von 3,3 m/s zu einem Fraktionator 3. Hier werden die jetzt gereinigten Fasern vom verunreinigungstragenden Schaumanteil getrennt.
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Dieser Schaumanteil wird über Rohrleitung 14 zu einem Schaumbrecher 4 geführt, der durch Rohrleitung 16 mit reinem Luft-Wasser-Gemisch gespeist wird.
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Entscheidender Punkt des am vorliegenden Ausführungsbeispiel erläuterten Reinigungsverfahrens ist das Aufeinandertreffen des Feststoff-Wasser-Gemisches mit den verunreinigten Fasern mit dem Filtratwasser-Luft-Gemisch unter hoher Strömungsdifferenzgeschwindigkeit und der Anwesenheit einer hohen Anzahl feiner Luftblasen, das erst den überraschend auftretenden abrasierenden Reinigungseffekt hervorruft.
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Eine besonders vorteilhafte Wirkung des Verfahrens tritt ein, wenn die Strömungsrichtungen der aufeinandertreffenden Gemische stark voneinander abweichen. Der Idealfall ist beim vollständigen Gegeneinanderströmen der beiden Gemische gegeben.
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Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist eine beispielhafte Anordnung in einer beispielhaften Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben worden. Die Erfindung schließt jedoch alle weiteren Anordnungen mit unterschiedlichen Prozessapparaten ein, bei denen mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Faserreinigung vorgenommen wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren sowie die erfindungsgemäße Anordnung können in allen physikalischen Prozessen eingesetzt werden, bei denen Feststoffpartikel von anhaftenden Verunreinigungspartikeln durch Abtrennung und Übernahme der Verunreinigungspartikel mittels Luftblasen in einem Luft-Feststoff-Flüssigkeits-Gemisch gereinigt werden.
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Mit ihrer Anwendung können sehr große Aufwandseinsparungen erreicht werden, in dem auf aufwendige Prozessgefäße zugunsten des Einbaus technisch unaufwendiger RV-Systemen in Transportrohrleitungen zur Luftblasenerzeugung verzichtet werden kann.
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Vorzugsweise können das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Anordnung zur Reinigung von bedrucktem Altpapier in der Papierproduktion eingesetzt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Filtratbehälter
- 2
- Stoffbehälter
- 3
- Fraktionator
- 4
- Schaumbrecher
- 5
- Mischsystem
- 6
- Pumpe
- 7
- Pumpe
- 8
- Verzweigungspunkt
- 9
- Verzweigungspunkt
- 11
- Rohrleitung
- 12
- Rohrleitung
- 13
- Rohrleitung
- 14
- Rohrleitung
- 15
- Rohrleitung
- 16
- Rohrleitung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 112006002685 T5 [0006]
- DE 102009006033 A1 [0007]
- DE 69814014 T2 [0009]
