DE19524404A1 - Verfahren zur Gewinnung von Zellstoff - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung von Zellstoff durch Imprägnieren eines zur Gewinnung von Zellstoff geeigneten Materials mit einer Aufschlußlösung, Behandeln des imprägnierten Materials mit der Aufschlußlösung bei erhöhter Temperatur und Aufbereitung des Zellstoffs.

Als Zellstoffe bezeichnet man die durch Aufschluß von Holz und anderen Faserpflanzen isolierbaren Anteile, die vorwiegend aus Cellulose bestehen. Beim Aufschluß werden die morphologischen Strukturelemente der Rohstoffe, wie Fasern, Gefäße und andere Zellen, voneinander getrennt, wobei die überwiegend in den Zwischenräumen und äußeren Bereichen der Fasern vorkommenden Substanzen, vorwiegend Lignin und Hemicellulosen, teilweise herausgelöst werden. Durch das Herauslösen des als Bindemittel wirkenden Lignins geht der Zusammenhalt der Strukturelemente verloren. Die freigewordenen Fasern können dann nach geeigneter Weiterbehandlung beispielsweise ein Papierblatt bilden. Sie stellen eine je nach den Aufschlußbedingungen mit mehr oder weniger Lignin und anderen Begleitsubstanzen verunreinigte Cellulose dar.

Es sind zahlreiche Verfahren zur Gewinnung von Zellstoffen bekannt und in Gebrauch. Allen ist gemeinsam, daß die zur Gewinnung von Zellstoffen geeigneten Ausgangsmaterialien, nämlich die pflanzlichen Rohstoffe, nach dem Zerkleinern diskontinuierlich oder kontinuierlich mit einer Aufschlußflüssigkeit behandelt werden. Hierzu wird das zerkleinerte Material zunächst mit der Aufschlußlösung imprägniert. Nach der Imprägnierung erfolgt der eigentliche Aufschluß durch Behandeln des imprägnierten Materials mit der Aufschlußlösung bei erhöhter Temperatur (Kochen). Anschließend erfolgt die Aufbereitung des Zellstoffes, indem man das in Fasern zerfallene Kochgut wäscht und von unaufgeschlossenen Teilen befreit (Sortierung). Gegebenenfalls muß das Kochgut auch von restlichen Cellulosebegleitstoffen durch Bleiche und Veredlung befreit werden. Der aufgeschlämmte Faserbrei wird dann entwässert und der weiteren Behandlung zugeführt.

Die Bedingungen, unter denen die Gewinnung von Zellstoff durchgeführt wird, richten sich nach den eingesetzten Rohstoffen, der Art der verwendeten Aufschlußlösung und dem Verwendungszweck des herzustellenden Zellstoffs. Alle Verfahren zur Gewinnung von Zellstoff sind trotz jahrzehntelanger Bemühungen zeitaufwendig und erfordern hohe Kochtemperaturen und den Einsatz aggressiver und umweltschädlicher Chemikalien. Man hat daher versucht, neue Verfahren zu entwickeln, welche diese Nachteile zumindest teilweise beseitigen. Beispielsweise wurden Verfahren entwickelt, bei denen der Aufschluß mit wäßrigen Alkoholen (Alcell-Verfahren und Organocell-Verfahren), in Anwesenheit von Anthrachinon und Methanol (ASAM-Verfahren) und mit organischen Säuren, wie Ameisensäure und Essigsäure, erfolgt. Eine entscheidende Verbesserung ist jedoch bis heute noch nicht gelungen.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein weniger zeit- und energieaufwendiges Verfahren zur Gewinnung von Zellstoff zur Verfügung zu stellen. Weiter soll der Ligningehalt des erhaltenen Zellstoffs gering und hochreaktiv sein, um ein leichtes Bleichen, insbesondere mit chlorfreien Chemikalien, zu ermöglichen.

Überraschenderweise wurde nun gefunden, daß diese Aufgaben gelöst werden, wenn man zumindest die Imprägnierung oder den Aufschluß des Rohmaterials unter Schalleinwirkung durchführt.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist daher ein Verfahren zur Gewinnung von Zellstoff durch

• a) Imprägnieren eines zur Gewinnung von Zellstoff geeigneten Materials mit einer Aufschlußlösung,
• b) Behandeln des imprägnierten Materials mit der Aufschlußlösung bei erhöhter Temperatur und
• c) Aufbereitung des Zellstoffs,

wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, daß zumindest die Stufe a) und/oder die Stufe b) unter der Einwirkung von Schall mit einer Frequenz im Bereich von 0,01 bis 50 kHz durchgeführt wird.

Die Anwendung von Schall ist bei allen Verfahren zur Gewinnung von Zellstoff erfolgreich. Häufig umfassen die oben genannten Stufen mehrere Schritte. Die Anwendung von Schall kann dann in einem oder mehreren dieser Schritte erfolgen. Als Beispiele für gebräuchliche Verfahren zur Gewinnung von Zellstoff sind das Sulfit-Verfahren (neutrales, saures und alkalisches Sulfit- Verfahren sowie das Anthrachinon-katalysierte Sulfit- Verfahren), alkalische Verfahren, wie Sodaaufschluß und Sulfataufschluß, saure Verfahren, wie der hydrotrope Aufschluß, Salpetersäureaufschluß und Aufschluß mit organischen Säuren und das Alcell-Verfahren und Organocell-Verfahren zu erwähnen.

Als zur Gewinnung von Zellstoff geeignetes Material können insbesondere Holz (hartes und weiches Laub- und Nadelholz), Bambus, Schilf, Stroh, Hanf, Baumwollinters und die bei der Gewinnung von Fasern aus Faserpflanzen anfallenden Scheben zur Anwendung.

Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand des heutzutage wichtigsten Verfahrens zur Zellstoffgewinnung, nämlich des Sulfatverfahrens (Kraft-Verfahren), erläutert.

Beim Sulfatverfahren enthält die Aufschlußlösung hauptsächlich Natronlauge und Natriumsulfid. Die Imprägnierung spielt beim Sulfataufschluß keine so große Rolle wie bei anderen Aufschlußverfahren, beispielsweise beim Sulfitaufschluß, da die alkalische Kochflüssigkeit die Faserwände quellen läßt und deshalb leichter eindringt. Dennoch erfordert die Imprägnierung in der Regel 30-60 Minuten. Diese Zeitspanne kann bei Einwirkung von Schall bis zu einem Drittel verkürzt werden. Bei unverkürzter Imprägnierungszeit führt die begleitende Anwendung von Schall zu einer besseren Wasseraufnahme, so daß auch harte Hölzer aufschließbar werden.

Dagegen hat die Anwendung von Schall in der Imprägnierungsstufe bei anderen Verfahren, bei denen die Aufschlußlösung nur schwierig in das Rohmaterial eindringen kann, noch größere Bedeutung, d. h. bei verkürzter Imprägnierdauer wird ein vollständigerer und homogenerer Aufschluß erzielt.

Der Kochprozeß erfolgt beim Sulfat-Verfahren bei etwa 160 bis 180°C. Bei Anwendung von Schall kann diese Temperatur um rund 10% auf etwa 140 bis 160°C verringert werden. Neben einer beträchtlichen Energieeinsparung hat dies zur Folge, daß auch einfachere Reaktionsapparate eingesetzt werden können, weil der Druck des zum Erhitzen verwendeten Sattdampfs entsprechend geringer sein kann.

Alternativ kann man den Kochprozeß bei der üblichen Temperatur von 160 bis 180°C unter Schalleinwirkung durchführen. Die üblicherweise erforderliche Zeit für das Anheizen von 1 bis 2,5 Stunden und für das Kochen von 1 bis 2 Stunden läßt sich dann bis zu einem Drittel verringern.

Die Aufbereitung des nach dem Aufschluß erhaltenen Rohzellstoffs umfaßt im allgemeinen die Wäsche und Sortierung und gegebenenfalls Bleiche und Veredelung des Zellstoffs. Alle diese Schritte führen bei Schalleinwirkung zu einem besseren Ergebnis.

Eine Schall-unterstütze Wäsche führt zu einem besseren Wascheffekt und zu einer Zeitersparnis von etwa 10%.

Entsprechendes gilt für die Sortierung, d. h. unter Anwendung von Schall verläuft die Sortierung schneller und man erhält ein homogeneres Produkt.

Auch die Bleiche wird durch Schallanwendung vorteilhaft unterstützt. Insbesondere bei Verwendung von Sauerstoff und Chlor als Bleichmittel erzielt man außerdem eine Chemikalieneinsparung.

Erfindungsgemäß kommt Schall mit einer Frequenz im Bereich von 0,01 bis 50 kHz, vorzugsweise 1 bis 50 kHz, insbesondere 10 bis 50 kHz und besonders bevorzugt 25 bis 40 kHz (Schall) zur Anwendung. Die Intensität des Schalls pro Liter beträgt zweckmäßigerweise 1 W/l bis 80 W/l, insbesondere 10 bis 50 W/l.

Die Schallgeber können in einfacher Weise in die Reaktionsapparate eingebaut werden. Es muß lediglich dafür Sorge getragen werden, daß das gesamte Gut der Schalleinwirkung ausgesetzt wird. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhältliche Zellstoff. Dieser zeichnet sich im Vergleich zum herkömmlichen Zellstoff durch eine bessere Wasseraufnahmefähigkeit aus. Der Grund dafür liegt u. a. darin, daß durch die Schalleinwirkung eine Vergrößerung der inneren Oberfläche bewirkt wird.

Weiter besitzt der erfindungsgemäße erhältliche Zellstoff einen höheren Polymerisationsgrad und damit eine bessere Reißfestigkeit. Bekanntlich führen Imprägnierung und Aufschluß des Rohmaterials und auch die Bleichung des Zellstoffs zu einer Verringerung des Polymerisationsgrades. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es möglich, diese Stufen schonender durchzuführen, nämlich in kürzeren Zeitspannen und/oder bei niedrigeren Temperaturen. Dadurch kommt es erfindungsgemäß zu einem geringeren Abbau des Polymerisationsgrades.

Die nachfolgenden Beispiele erläutern die Erfindung, ohne sie zu begrenzen.

Beispiel 1 Lintersverarbeitung zu Zellstoff

Die aufgelockerten und von den restlichen Samenkapseln weitgehend befreiten Baumwollinters werden mit einem Förderband einem Kochbad zugeführt. In diesem werden sie bei rund 80 bis 100°C unter Atmosphärendruck in einer wäßrigen Soda- oder Natronlaugelösung mit pH 9 bis 11, die mit 2% Netzmitteln und 0,1% Anthrachinon, bezogen auf die gesamte Lösung, versetzt sind, etwa 1 bis 40 Minuten gekocht. Gleichzeitig wird die gesamte Lösung mit den Linters einer Schallbehandlung mit rund 10 bis 30 W Schalleistung pro 1 Gesamtvolumen unterzogen.

Anschließend werden die Fasern aus der Lösung gefiltert, mechanisch entwässert und mit einer Essiglösung unter Druck durchspült. Danach werden die Fasern erneut gefiltert und mechanisch entwässert. Die Fasern können nun nach Bedarf weiter gebleicht werden. Dazu wird der Kochvorgang wie oben wieder­ holt, jedoch werden anstatt der Tenside und des Anthrachinons ca. 1 bis 3% Wasserstoffperoxid und ca. 0 bis 3% Stabili­ satoren, wie z. B. Wasserglas, bezogen auf das gesamte Lösungsvolumen, zugesetzt.

Die Fasern werden wie vorher neutralisiert, entwässert und können danach - bei Bedarf - direkt mit Chemikalien weiterbehandelt werden, um technische Prozeßfasern zu gewinnen, bzw. zu Papier weiterverarbeitet werden.

Beispiel 2 Herstellung von Holzcellulose nach dem Organocellverfahren Schritt 1

Vorsortierte Holzhackschnitzel werden kontinuierlich, z. B. mit einem Schneckenförderer, einem Imprägnierungsbad zugeführt. Als Lösung dient eine Methanol-Wasser-Mischung, z. B. 70 : 30%. Die Temperatur beträgt 70 bis 90°C, der Druck ist 98 kPa, die Schalleistung beträgt zwischen 20 und 50 W/l. Nach rund 5 bis 30 Minuten Behandlungszeit werden die vorbehandelten Holzhackschnitzel chargenweise einem Druckkocher über eine Schleuse zugeführt.

Schritt 2

Im Druckkocher werden die Holzhackschnitzel in Sattdampf bei Temperaturen zwischen 90 und 120°C wie in Schritt 1 mit Schall 5 bis 30 Minuten behandelt.

Danach durchlaufen die Holzhackschnitzel zwei Kochprozesse in Sattdampf.

Beim ersten Kochprozeß, Schritt 3, liegen die Temperaturen bei 120°C bis 180°C und die Behandlungszeit kann bis zu 160 Minuten dauern. Die Aufschlußlösung besteht aus einem Methanol:Wasser- Gemisch mit einer Konzentration von 7 : 3 bis 1 : 4.

In der zweiten Kochstufe, Schritt 4, werden der Methanolgehalt auf etwa 10 bis 40% reduziert, 3% Natronlauge oder Soda, sowie 0 bis 0,1% Anthrachinon, bezogen auf die Trockenmasse der Holzhackschnitzel, zugesetzt. Druck, Schalleistung und Behandlungsdauer sind in etwa die gleichen, wie in Schritt 3.

Der jetzt noch ungebleichte Zellstoff wird gewaschen und anschließend einer mehrstufigen Bleiche zugeführt. Diese kann z. B. aus einer Sauerstoff-, einer Wasserstoffperoxid- (wie Bsp. 1) und einer Ozonstufe bestehen. Jeder Bleichschritt kann schallunterstützt ausgeführt werden.

Beispiel 3

Vergleich eines Zellstoffaufschlusses unter Ultraschallbe­ handlung mit einem herkömmlichen Zellstoffaufschluß (ASAM-Prozeß)

Es ist ersichtlich, daß das erfindungsgemäße Verfahren bei niedrigeren Temperaturen, geringeren Drücken und mit kürzeren Behandlungszeiten durchgeführt werden kann. Außerdem wird der Chemikalieneinsatz verringert.

Claims (8)

1. Verfahren zur Gewinnung von Zellstoff durch

• a) Imprägnieren eines zur Gewinnung von Zellstoff geeigneten Materials mit einer Aufschlußlösung,
• b) Behandlung des imprägnierten Materials mit der Aufschlußlösung bei erhöhter Temperatur und
• c) Aufbereitung des Zellstoffs,

dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die Stufe a) oder die Stufe b) unter der Einwirkung von Schall mit einer Frequenz im Bereich von 0,01 bis 50 kHz durchgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stufen (a) und (b) unter Schalleinwirkung durchgeführt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß auch das von der Stufe (c) umfaßte Waschen des Zellstoffs unter Schalleinwirkung erfolgt.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auch das von der Stufe (c) umfaßte Bleichen des Zellstoffs unter Schalleinwirkung erfolgt.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auch das von Stufe (c) umfaßte Sortieren des Zellstoffs unter Schalleinwirkung erfolgt.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es unter der Einwirkung von Ultraschall (25 bis 40 kHz) erfolgt.

7. Zellstoff, erhältlich nach einem Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.