EP1172478B1 - Verfahren zum Beladen von Fasern mit Calciumcarbonat - Google Patents

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EP1172478B1
EP1172478B1 EP01114534A EP01114534A EP1172478B1 EP 1172478 B1 EP1172478 B1 EP 1172478B1 EP 01114534 A EP01114534 A EP 01114534A EP 01114534 A EP01114534 A EP 01114534A EP 1172478 B1 EP1172478 B1 EP 1172478B1
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EP
European Patent Office
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pulp
process according
carbon dioxide
fiber
chemical reaction
Prior art date
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EP01114534A
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EP1172478A1 (de
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Jörg Dr. Rheims
Klaus Dölle
Oliver Heise
Werner Witek
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Voith Patent GmbH
Original Assignee
Voith Paper Patent GmbH
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Publication date
Application filed by Voith Paper Patent GmbH filed Critical Voith Paper Patent GmbH
Publication of EP1172478A1 publication Critical patent/EP1172478A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1172478B1 publication Critical patent/EP1172478B1/de
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Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • D—TEXTILES; PAPER
    • D21—PAPER-MAKING; PRODUCTION OF CELLULOSE
    • D21C—PRODUCTION OF CELLULOSE BY REMOVING NON-CELLULOSE SUBSTANCES FROM CELLULOSE-CONTAINING MATERIALS; REGENERATION OF PULPING LIQUORS; APPARATUS THEREFOR
    • D21C9/00—After-treatment of cellulose pulp, e.g. of wood pulp, or cotton linters ; Treatment of dilute or dewatered pulp or process improvement taking place after obtaining the raw cellulosic material and not provided for elsewhere
    • D21C9/001—Modification of pulp properties
    • D21C9/002—Modification of pulp properties by chemical means; preparation of dewatered pulp, e.g. in sheet or bulk form, containing special additives
    • D21C9/004—Modification of pulp properties by chemical means; preparation of dewatered pulp, e.g. in sheet or bulk form, containing special additives inorganic compounds
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D21—PAPER-MAKING; PRODUCTION OF CELLULOSE
    • D21H—PULP COMPOSITIONS; PREPARATION THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASSES D21C OR D21D; IMPREGNATING OR COATING OF PAPER; TREATMENT OF FINISHED PAPER NOT COVERED BY CLASS B31 OR SUBCLASS D21G; PAPER NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • D21H11/00—Pulp or paper, comprising cellulose or lignocellulose fibres of natural origin only
    • D21H11/16—Pulp or paper, comprising cellulose or lignocellulose fibres of natural origin only modified by a particular after-treatment
    • D21H11/20—Chemically or biochemically modified fibres
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D21—PAPER-MAKING; PRODUCTION OF CELLULOSE
    • D21H—PULP COMPOSITIONS; PREPARATION THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASSES D21C OR D21D; IMPREGNATING OR COATING OF PAPER; TREATMENT OF FINISHED PAPER NOT COVERED BY CLASS B31 OR SUBCLASS D21G; PAPER NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • D21H17/00—Non-fibrous material added to the pulp, characterised by its constitution; Paper-impregnating material characterised by its constitution
    • D21H17/63—Inorganic compounds
    • D21H17/70—Inorganic compounds forming new compounds in situ, e.g. within the pulp or paper, by chemical reaction with other substances added separately
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D21—PAPER-MAKING; PRODUCTION OF CELLULOSE
    • D21H—PULP COMPOSITIONS; PREPARATION THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASSES D21C OR D21D; IMPREGNATING OR COATING OF PAPER; TREATMENT OF FINISHED PAPER NOT COVERED BY CLASS B31 OR SUBCLASS D21G; PAPER NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • D21H17/00—Non-fibrous material added to the pulp, characterised by its constitution; Paper-impregnating material characterised by its constitution
    • D21H17/63—Inorganic compounds
    • D21H17/67—Water-insoluble compounds, e.g. fillers, pigments
    • D21H17/675—Oxides, hydroxides or carbonates

Definitions

  • the invention relates to a method for loading fibers contained in a fiber suspension with calcium carbonate by a chemical reaction wherein a medium containing calcium oxide and / or calcium hydroxide is added to the fiber suspension, so that the fiber suspension treated in this way is acted upon, in particular in at least one reactor, with a further medium containing pure carbon dioxide or carbon dioxide.
  • Fibrous suspensions of the type mentioned serve in particular the Paper and / or cardboard manufacturing.
  • the strength play optical properties and the processability of the end product are crucial Role.
  • European patent application EP 0 791 685 A2 discloses a method for Application of fillers in a cellulose fiber pulp. It is provided that after completion of the time-controlled process in the form of a batch process the temperature and pH in the pulp pulp as a measure of whether the procedure was carried out correctly is measured. Such a thing measured pH is in the range of 7.
  • PCT application WO 97101670 A1 discloses a filler for papermaking and a process for producing this filler.
  • the manufacturing process is again designed as a batch process, with the reaction progress monitored by measuring the pH and consistency of the fiber suspension becomes.
  • European patent application EP 0 969 141 A1 discloses a method for producing satinized paper with a stock preparation, paper formation and a satinizing process.
  • a fiber loading is carried out in which materials are transported into the paper fibers that are suitable for increasing the volume of the fibers in their transverse extent by building up expanding layers of solid and that in the satinizing process a pressure of at least 30 N / mm 2 is applied.
  • the aim of the invention is in particular the method of the type mentioned with regard to the highest possible economy and the highest possible To further optimize the quality of the fiber suspension.
  • this object is achieved by that in the course of the chemical reaction for a at least essentially complete conversion of the starting materials mentioned Calcium oxide or calcium hydroxide and carbon dioxide in the reaction products Calcium carbonate and water are taken care of by the pH of the pulp suspension is regulated accordingly and that the fiber suspension (Pulp) an adjustable consistency of more than 5%, preferably between 15% to about 40%.
  • the calcium hydroxide preferably in liquid Form (milk of lime) is added. This means that not necessarily that possibly in or on the fibers of the fiber suspension Accumulated water is necessary for the start and completion of the chemical reaction is.
  • the fibers When the fibers are loaded, calcium carbonate is deposited on the wetted fiber surfaces by adding calcium oxide and / or calcium hydroxide to the moist fiber material, at least some of which can be associated with the water in the amount of fiber.
  • the fiber material treated in this way is then charged with the pure carbon dioxide or with the medium containing carbon dioxide.
  • the CaCO 3 formed can form a suspension around the fibers.
  • the term “wetted fiber surfaces” can include all wetted surfaces of the individual fibers. This also includes in particular the case in which the fibers are loaded with calcium carbonate both on their outer surface and in their interior (lumen).
  • the fibers are loaded with the filler calcium carbonate, the attachment to the wetted fiber surfaces being carried out by a so-called “Fiber Loading TM” process, as is described as such in US Pat. No. 5,223,090.
  • the CO 2 reacts with the calcium hydroxide to form water and calcium carbonate.
  • the pH of the fiber suspension is advantageously in a range of adjustable from about 5.5 to about 10.5.
  • the ash content of the fiber suspension is in one Range is adjustable from about 1% to about 70%.
  • the carbon dioxide is preferably supplied in gaseous form.
  • the temperature of the supplied carbon dioxide can range from about - 10 ° to about 250 ° C adjustable or adjustable.
  • optical properties for example whiteness, brightness, opacity, color locus, light scattering coefficient, used as an indicator of the course of the chemical reaction become.
  • the pH value is preferably at the end of the chemical reaction or after enlarging the specific surface by means of at least one Fluffers measured.
  • pressure regulation is in the range from approximately 0.1 to approximately 20 bar intended.
  • the fiber suspension becomes shear, preferably in at least a fluffer, in order to to enlarge their specific surface.
  • FIG 1 shows a schematic representation of a purely exemplary embodiment of a device 10 for loading fibers contained in a fiber suspension with calcium carbonate (CaCO 3 ). Accordingly, this device 10 is used to store calcium carbonate on the wetted fiber surfaces of the fiber material. This loading of the fibers can, in principle, take place in accordance with the “Fiber Loading TM” process mentioned above.
  • the device 10 can comprise one or more reactors R i , in which the fibrous suspension mixed with calcium oxide (CaO) and / or calcium hydroxide (Ca (OH) 2 ) contains pure carbon dioxide (CO 2 ) or with a medium containing carbon dioxide (CO 2 ) is acted upon.
  • reactors R i in which the fibrous suspension mixed with calcium oxide (CaO) and / or calcium hydroxide (Ca (OH) 2 ) contains pure carbon dioxide (CO 2 ) or with a medium containing carbon dioxide (CO 2 ) is acted upon.
  • a fluffer 14 can be provided in which the fiber material of the fiber suspension is split with the aim of increasing the specific surface of the fiber material in such a way that the accessibility for the Educts to the fiber material surface is optimized. This results in a further improvement of the homogenization and the "Fiber Loading TM" process is optimized accordingly.
  • This can be done by subjecting the fiber suspension to shear forces, for example in a fluffer.
  • the pH value measurement is preferably carried out at the end of the reaction, after the increase in the specific surface.
  • the first fluffer 14 is provided between a refiner 16 and the reactor or reactors 12 i .
  • a refiner 20 follows the tank 18, after which it goes to the paper machine PM.
  • FIG. 1 The further details still contained in FIG. 1 are purely exemplary and can be used individually or in any combination.
  • the medium containing calcium oxide and / or calcium hydroxide can be added to the fiber material in such a way that at least some of it can associate with the water present in the fiber material, ie between the fibers, in the hollow fibers and in their walls.
  • the following chemical reaction occurs:
  • the "Fiber Loading "process is now preferably carried out so that the fiber suspension a medium containing calcium oxide and / or calcium hydroxide is added is that the fiber suspension treated in this way in particular in at least a reactor with another, pure carbon dioxide or containing carbon dioxide Medium is applied and that in the course of the chemical reaction for an at least substantially complete implementation of the above Starting materials calcium oxide or calcium hydroxide and carbon dioxide in the reaction products Calcium carbonate and water are taken care of by the pH of the Fibrous suspension is regulated accordingly.
  • the fiber suspension (Pulp) has an adjustable consistency from greater than 5%, preferably between 15% to about 40%.
  • FIGS. 1 a - c each show the pH for different exemplary embodiments displayed over the respective reaction time.
  • Such a pH control is, for example, also the one shown in FIG. 2 Embodiment possible.
  • the present fibrous raw material 22 in a pulper 24 processed into a fiber material 26 in which the fibers are then at least essentially already isolated, i.e. are separated from each other.
  • the Fiber material 26 at least partially contains water. This can be both between the fibers as well as in the interior (lumens) and in the walls of the hollow fibers.
  • the fiber material 26 can, for example, in Form of a so-called "dewatered crump pulp" (see. US-A-5,223,090) provided his.
  • the fiber material 26 is then fed to a collecting container 28 or the like, in which an agent 30 containing calcium oxide and / or calcium hydroxide (slaked lime) is added in such a way that at least a part thereof coincides with that in the fiber material, ie between the fibers, in the hollow fibers and associated in their walls, existing water.
  • an agent 30 containing calcium oxide and / or calcium hydroxide (slaked lime) is added in such a way that at least a part thereof coincides with that in the fiber material, ie between the fibers, in the hollow fibers and associated in their walls, existing water.
  • the dry content of the fiber material can then be increased, for example, by feeding to a press 32, the press water 34 again is returned to the cycle.
  • the fiber material 26 with the pure carbon dioxide or carbon dioxide-containing medium which in the figure 2 is indicated by the arrow pointing into the reactor 36.
  • the pH value of the fiber suspension can be measured to monitor and / or regulate the chemical reaction.
  • the pH is preferably adjustable in a range from about 5.5 to about 10.5.
  • the ash content of the fiber suspension can be regulated, for example, in a range from about 1% to about 70%.
  • the carbon dioxide can in particular be supplied in gaseous form.
  • the temperature of the carbon dioxide supplied is advantageously in a range of adjustable from about -10 ° to about 250 ° C.
  • optical properties for example whiteness, brightness, opacity, Color locus, light scattering coefficient can be used.
  • a dilution (H 2 O) is also possible in the areas designated "VD" in FIG. 1.

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beladen von in einer Faserstoffsuspension enthaltenen Fasern mit Calciumcarbonat durch eine chemische Reaktion
wobei der Faserstoffsuspension ein Calciumoxid und/oder Calciumhydroxid enthaltendes Medium zugesetzt wird, daß die so behandelte Faserstoffsuspension insbesondere in wenigstens einem Reaktor mit einem weiteren, reines Kohlendioxid oder Kohlendioxid enthaltenden Medium beaufschlagt wird.
Faserstofifsuspensionen der eingangs genannten Art dienen insbesondere der Papier- und/oder Kartonherstellung. Der insbesondere auch aus ökonomischen und ökologischen Gründen erforderliche schonende Umgang mit Rohstoffresourcen äußert sich bei der Papierherstellung in zunehmend niedrigeren Flächengewichten der Papierbahn sowie im teilweisen Ersatz des Faserstoffes durch Füllstoffe. Werden kostengünstigere Rohstoffe eingesetzt, so soll die Papierqualität zumindest beibehalten werden. Hierbei spielen unter anderem die Festigkeit, die optischen Eigenschaften sowie die Verarbeitbarkeit des Endproduktes eine entscheidende Rolle.
Die europäische Patentanmeldung EP 0 791 685 A2 offenbart ein Verfahren zum Aufbringen von Füllstoffen in eine Zellstofffaserpulpe. Dabei ist vorgesehen, dass nach Abschluss des zeitgesteuerten Verfahrensablaufs in Form eines Batchverfahrens die Temperatur und der pH-Wert in der Zellstofffaserpulpe als Maß dafür, ob das Verfahren ordnungsgemäß abgelaufen ist, gemessen wird. Ein derartig gemessener pH-Wert liegt im Bereich von 7.
Die PCT-Anmeldung WO 97101670 A1 offenbart einen Füllstoff für die Papierherstellung und ein Verfahren zur Herstellung dieses Füllstoffs. Das Herstellungsverfahren ist wiederum als Batchverfahren ausgebildet, wobei der Reaktionsfortschritt durch Messung des pH-Werts und der Konsistenz der Faserstoffsuspension überwacht wird.
Die europäische Patentanmeldung EP 0 969 141 A1 offenbart ein Verfahren zur Erzeugung von satiniertem Papier mit einer Stoffaufbereitung, einer Papierbildung und einem Satinageprozess. In der Stoffaufbereitung wird dabei eine Faserbeladung durchgeführt, bei der Stoffe in der Papierfasern hineintransportiert werden, die geeignet sind, das Volumen der Fasem in ihrer Quererstreckung zu vergrößern, indem sie sich ausdehnende Feststoffschichten aufbauen und dass im Satinageprozess ein Druck von mindestens 30 N/mm2 angewendet wird.
Ziel der Erfindung ist es, das Verfahren der eingangs genannten Art insbesondere im Hinblick auf eine möglichst hohe Wirtschaftlichkeit und eine möglichst hohe Qualität der Faserstoffsuspension weiter zu optimieren.
Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß im Verlauf der chemischen Reaktion für eine zumindest im wesentlichen vollständige Umsetzung der genannten Ausgangsstoffe Calciumoxid bzw. Calciumhydroxid und Kohlendioxid in die Reaktionsprodukte Calciumcarbonat und Wasser gesorgt wird, indem der pH-Wert der Faserstoffsuspension entsprechend geregelt wird und daß die Faserstoffsuspension (Pulp) eine regelbare Stoffdichte (Konsistenz) von größer 5%, vorzugsweise zwischen 15% bis etwa 40%, auf weist.
Dabei kann die Messung des pH-Wertes an einer oder mehreren Stellen im Prozeßablauf erfolgen.
Bei Zusetzung eines Calciumoxid und/oder Calciumhydroxid enthaltenen Mediums an die Faserstoffsuspension läuft eine chemische Reaktion mit exothermer Eigenschaft ab, wobei das Calciumhydroxid vorzugsweise in flüssiger Form (Kalkmilch) zugesetzt wird. Dies bedeutet, daß nicht unbedingt das möglicherweise in bzw. an den Faserstoffen der Faserstoffsuspension ein- bzw. angelagerte Wasser zum Start und Ablauf der chemischen Reaktion notwendig ist.
Aufgrund dieser Ausbildung wird eine deutlich höhere Wirtschaftlichkeit sowie eine höhere Qualität der Faserstoffsuspension erreicht.
Bei dem Beladen der Fasern wird Calciumcarbonat an die benetzten Faseroberflächen eingelagert, indem dem feuchten Fasermaterial Calciumoxid und/oder Calciumhydroxid zugesetzt wird, wobei zumindest ein Teil davon sich mit dem Wasser der Faserstoffmenge assoziieren kann. Das so behandelte Fasermaterial wird dann mit dem reinen Kohlendioxid oder mit dem Kohlendioxid enthaltenden Medium beaufschlagt. Überdies kann das entstandene CaCO3 um die Fasern eine Suspension bilden. Dabei kann der Begriff "benetzte Faseroberflächen" alle benetzten Oberflächen der einzelnen Fasern umfassen. Damit ist insbesondere auch der Fall mit erfaßt, bei dem die Fasern sowohl an ihrer Außenfläche als auch in ihrem Innern (Lumen) mit Calciumcarbonat beladen werden.
Demnach werden die Fasern mit dem Füllstoff Calciumcarbonat beladen, wobei die Anlagerung an die benetzten Faseroberflächen durch einen sog. "Fiber Loading ™" -Prozeß erfolgt, wie er als solcher in der US-A-5,223,090 beschrieben ist. In diesem "Fiber Loading™"-Prozeß reagiert das CO2 mit dem Calciumhydroxid zu Wasser und Calciumcarbonat.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der jeweilige pH-Istwert mit einem entsprechend vorgebbaren Sollwert verglichen und die Regelabweichung über wenigstens eine der folgenden Prozeßstellgrößen vermindert oder beseitigt:
  • Verweilzeit der Faserstoffsuspension im Reaktor;
  • Zuflußgeschwindigkeit der Faserstoffsuspension;
  • Druck des Kohlendioxids;
  • Temperatur der Faserstoffsuspension und/oder des Calciumhydroxids;
  • Druck im Reaktor;
  • Temperatur des CO2;
  • Druck des CO2;
  • Konzentration des CO2 im Medium;
  • Konzentration des CaO, des Ca(OH)2 und der Fasern;
  • spezifische Faseroberfläche.
Vorteilhafterweise ist der pH-Wert der Faserstoffsuspension in einem Bereich von etwa 5,5 bis etwa 10,5 regelbar.
Von Vorteil ist auch, wenn der Aschegehalt der Faserstoffsuspension in einem Bereich von etwa 1 % bis etwa 70 % regelbar ist.
Das Kohlendioxid wird vorzugsweise gasförmig zugeführt.
Die Temperatur des zugeführten Kohlendioxids kann in einem Bereich von etwa - 10° bis etwa 250°C einstellbar oder regelbar sein.
In bestimmten Fällen ist es von Vorteil, wenn zusätzlich optische Eigenschaften, beispielsweise Weisse (Brightness), Helligkeit, Opazität, Farbort, Lichtstreuungskoeffizient, als Indikator für den Ablauf der chemischen Reaktion herangezogen werden.
Der pH-Meßort wird vorzugsweise wenigstens einer der folgenden Schritte gewählt wird:
  • mindestens vor/nach Reaktion;
  • auch während der Reaktion;
  • ggf. mehrere Messungen.
Der pH-Wert wird dabei vorzugsweise am Ende der chemischen Reaktion oder nach der Vergrößerung der spezifischen Oberfläche mittels mindestens eines Fluffers gemessen.
Erfindungsgemäß ist eine Druckregelung im Bereich von etwa 0,1 bis etwa 20 bar vorgesehen.
Weiters wird die Faserstoffsuspension Scherkräften, vorzugsweise in mindestens einem Fluffer, ausgesetzt, um dadurch u.a. deren spezifische Oberfläche zu vergrößern.
Im übrigen kann bei dem Beladen der Fasern mit Calciumcarbonat insbesondere so vorgegangen werden, wie dies in der US-A-5,223,090 beschrieben ist. Der Inhalt dieser Druckschrift wird hiermit durch Bezugnahme in die vorliegende Anmeldung mit aufgenommen.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen, bei der auf die Zeichnung Bezug genommen wird; in dieser zeigen:
Figur 1:
in schematischer Darstellung eine mögliche Ausführungsform einer Vorrichtung zum Beladen von in einer Faserstoffsuspension enthaltenen Fasern mit Calciumcarbonat;
Figuren 1a - 1 c:
verschiedene pH-Wert-Verläufe über der Reaktionszeit; und
Figur 2:
eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform zum Beladen von Fasern.
Figur 1 zeigt in schematischer Darstellung eine rein beispielhafte Ausführungsform einer Vorrichtung 10 zum Beladen von in einer Faserstoffsuspension enthaltenen Fasern mit Calciumcarbonat (CaCO3). Entsprechend dient diese Vorrichtung 10 der Einlagerung von Calciumcarbonat an die benetzten Faseroberflächen des Fasermaterials. Dabei kann dieses Beladen der Fasern dem Prinzip nach insbesondere entsprechend dem zuvor genannten "Fiber Loading™"-Prozeß erfolgen.
Die Vorrichtung 10 kann einen oder mehrere Reaktoren Ri umfassen, in der die mit Calciumoxid (CaO) und/oder Calciumhydroxid (Ca(OH)2) versetzte Faserstoffsuspension mit reinem Kohlendioxid (CO2) oder mit einem Kohlendioxid (CO2) enthaltenden Medium beaufschlagbar ist.
pH-Meßort:
  • mindestens vor/nach Reaktion;
  • auch während der Reaktion;
  • ggf. mehrere Messungen.
Vor und/oder nach und/oder in dem bzw. den Reaktoren R, kann jeweils ein Fluffer 14 vorgesehen sein, in dem das Fasermaterial der Fasersuspension mit dem Ziel gespalten wird, die spezifische Oberfläche des Fasermaterials derart zu vergrößern, daß die Zugänglichkeit für die Edukte an die Fasermaterialoberfläche optimiert wird. Dadurch ergibt sich eine weitergehende Verbesserung der Homogenisierung und der "Fiber Loading ™"-Prozeß wird entsprechend optimiert.
Dies kann dadurch geschehen, daß die Fasderstoffsuspension Scherkräften ausgesetzt wird., z.B. in einem Fluffer. Die pH-Wert-Messung erfolgt vorzugsweise am Ende der Reaktion, nach der Vergrößerung der spezifischen Oberfläche.
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der erste Fluffer 14 zwischen einem Refiner 16 und dem bzw. den Reaktoren 12i vorgesehen. Alternativ oder zusätzlich ist es beispielsweise auch möglich, einen solchen Fluffer 14 zwischen dem wenigstens einen Reaktor 12i und einem Tank 18 vorzusehen. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel folgt auf den Tank 18 wieder ein Refiner 20, wonach es zur Papiermaschine PM geht.
Auch die weiteren in Figur 1 noch enthaltenen Angaben sind rein beispielhaft und einzeln oder in beliebiger Kombination verwendbar.
Beispielsweise mittels dieser Vorrichtung 10 kann somit eine Anlagerung von Calciumcarbonat an die benetzten Faseroberflächen des Fasermaterials erfolgen, wobei dieses Beladen der Fasern vom Prinzip her insbesondere wieder entsprechend dem zuvor genannten "Fiber Loading™"-Prozeß erfolgen kann.
Dabei kann dem Fasermaterial das Calciumoxid und/oder Calciumhydroxid (gelöschter Kalk) enthaltende Medium insbesondere so zugesetzt werden, daß zumindest ein Teil davon sich mit dem im Fasermaterial, d.h. zwischen den Fasern, in den Hohlfasern und in deren Wänden, vorhandenen Wasser assoziieren kann, wobei sich die folgende chemische Reaktion einstellt:
Figure 00080001
In einem jeweiligen Reaktor wird das Fasermaterial dann derart mit Kohlendioxid (CO2) beaufschlagt, daß Calciumcarbonat (CaCO3) an die benetzten Faseroberflächen weitestgehend angelagert wird. Dabei stellt sich die folgende chemische Reaktion ein:
Figure 00080002
(Calciumcarbonat + Wasser)
Beispielsweise mittels der zuvor beschriebenen Vorrichtung wird bei dem "Fiber Loading"-Prozeß nun vorzugsweise so vorgegangen, daß der Faserstoffsuspension ein Calciumoxid und/oder Calciumhydroxid enthaltendes Medium zugesetzt wird, daß die so behandelte Faserstoffsuspension insbesondere in wenigstens einem Reaktor mit einem weiteren, reines Kohlendioxid oder Kohlendioxid enthaltenden Medium beaufschlagt wird und daß im Verlauf der chemischen Reaktion für eine zumindest im wesentlichen vollständige Umsetzung der genannten Ausgangsstoffe Calciumoxid bzw. Calciumhydroxid und Kohlendioxid in die Reaktionsprodukte Calciumcarbonat und Wasser gesorgt wird, indem der pH-Wert der Faserstoffsuspension entsprechend geregelt wird. Die Faserstoffsuspension (Pulp) weist eine regelbare Stoffdichte (Konsistenz) von größer 5%, vorzugsweise zwischen 15% bis etwa 40%, auf.
Dabei ist es von Vorteil, wenn der jeweilige pH-Istwert mit einem entsprechend vorgebbaren Sollwert verglichen und die Regelabweichung über wenigstens eine der folgenden Prozeßstellgrößen vermindert oder beseitigt wird:
  • Verweilzeit der Faserstoffsuspension im Reaktor;
  • Zuflußgeschwindigkeit der Faserstoffsuspension;
  • Druck des Kohlendioxids;
  • Temperatur der Faserstoffsuspension und/oder des Calciumhydroxids;
  • Druck im Reaktor;
  • Temperatur des CO2;
  • Druck des CO2;
  • Konzentration des CO2 im Medium;
  • Konzentration des CaO, des Ca(OH)2 und der Fasern;
  • spezifische Faseroberfläche.
In den Figuren 1a - c sind für verschiedene Ausführungsbeispiele jeweils der pH-Wert über der jeweiligen Reaktionszeit dargestellt.
Eine solche pH-Regelung ist beispielsweise auch bei der in der Figur 2 dargestellten Ausführungsform möglich.
Gemäß dieser Figur 2 wird-das vorliegende Faserstoff-Ausgangsmaterial 22 in einem Pulper 24 zu einem Fasermaterial 26 aufbereitet, in dem die Fasern dann zumindest im wesentlichen bereits vereinzelt, d.h. voneinander getrennt sind. Das Fasermaterial 26 enthält zumindest teilweise Wasser. Dieses kann sowohl zwischen den Fasern als auch in den Innenräumen (Lumen) und in den Wänden der Hohlfasern vorhanden sein. Das Fasermaterial 26 kann beispielsweise in Form eines sogenannten "dewatered crump pulp" (vgl. die US-A-5,223,090) vorgesehen sein.
Das Fasermaterial 26 wird anschließend einem Sammelbehälter 28 oder dergleichen zugeführt, in dem ein Calciumoxid und/oder Calciumhydroxid (gelöschter Kalk) enthaltendes Mittel 30 so zugesetzt wird, daß zumindest ein Teil davon sich mit dem im Fasermaterial, d.h. zwischen den Fasern, in den Hohlfasern und in deren Wänden, vorhandenen Wasser assoziiert. Dabei stellt sich wieder die folgende, oben bereits erwähnte chemische Reaktion ein:
Figure 00100001
Im Anschluß daran kann der Trockengehalt des Fasermaterials erhöht werden, beispielsweise durch Zuführung zu einer Presse 32, deren Preßwasser 34 wieder in den Kreislauf zurückgeführt wird. In diesem beispielsweise durch zwei Fluffer 14 abgeschlossenen Reaktor 36 wird das Fasermaterial 26 mit dem reines Kohlendioxid oder Kohlendioxid enthaltenden Medium beaufschlagt, was in der Figur 2 durch den in den Reaktor 36 weisenden Pfeil angedeutet ist.
Durch die Beaufschlagung des in der beschriebenen Weise bereits vorbehandelten Fasermaterials mit dem reines Kohlendioxid oder Kohlendioxid enthaltenden Medium stellt sich die folgende, zuvor ebenfalls bereits erwähnte chemische Reaktion ein:
Figure 00100002
Unabhängig von der jeweiligen Art der verwendeten Vorrichtung sind hinsichtlich einer weiteren Optimierung des "Fiber Loading™"-Prozesses einzeln oder in beliebiger Kombination auch die folgenden Maßnahmen oder Merkmale von Vorteil:
Zur Überwachung und/oder Regelung der chemischen Reaktion kann der pH-Wert der Faserstoffsuspension gemessen werden. Dabei ist der pH-Wert vorzugsweise in einem Bereich von etwa 5,5 bis etwa 10,5 einstellbar.
Der Aschegehalt der Faserstoffsuspension ist beispielsweise in einem Bereich von etwa 1% bis etwa 70% regelbar.
Das Kohlendioxid kann insbesondere gasförmig zugeführt werden. Die Temperatur des zugeführten Kohlendioxids ist zweckmäßigerweise in einem Bereich von etwa -10° bis etwa 250°C einstellbar.
Als Indikatoren für die Regelung der chemischen Reaktion können beispielsweise optische Eigenschaften, beispielsweise Weisse (Brightness), Helligkeit, Opazität, Farbort, Lichtstreuungskoeffizient, herangezogen werden.
Grundsätzlich ist es auch möglich, bei der Regelung der chemischen Reaktion als Regelgröße den pH-Wert, den Ascheanteil und/oder den Anteil an Calciumcarbonat (CaCO3) heranzuziehen.
In den in der Figur 1 mit "VD" bezeichneten Bereichen ist auch eine Verdünnung (H2O) möglich.
Auch die im folgenden genannten Maßnahmen oder Merkmale können, einzeln oder in beliebiger Kombination, einer weiteren Optimierung des Faserladeprozesses dienen:
  • Zufuhr von Pulp:
    • Volumen und Massenstrom regelbar;
    • Temperatur regelbar in einem Bereich von etwa 5°C bis etwa 95°C;
    • Stoffdichte regelbar in einem Bereich von etwa 15% bis etwa 40%; vorzugsweise von etwa 20 % bis etwa 25 %;
    • pH-Wert regelbar von etwa 10 bis etwa 13.
  • Calciumcarbonat (CaCO) im Reaktor:
    • Kristalltypen: rhomboedrisch, skalenoedrisch, rosettenartig, sphärisch, nadelförmig, prismenförmig, aragonitisch, plättförmig, GCC und ähnliche;
    • Reaktion unter etwa 0,1 bis etwa 20 bar;
    • Temperatur von etwa -10° bis etwa 200°C;
    • Verweilzeit von etwa 1 Minute bis etwa 1 Stunde.
  • Fluffing:
    • dient der Vergrößerung der spezifischen Oberfläche;
    • einsetzbar vor und/oder nach und/oder in einem jeweiligen Reaktor bzw. den Reaktoren;
    • Spaltweite von etwa 0,1 bis etwa 100 mm, vorzugsweise einstellbar;
    • Energieeintrag in einen Bereich von etwa 5 kWh/t bis etwa 200 kWh/t.
  • Refining:
    • vor und/oder nach und/oder in einem jeweiligen Reaktor bzw. den Reaktoren bzw. dem "Fiber Loading™"-Prozeß.
  • Druckbehälter oder Reaktor (*) / Verweilpulper nach Reaktor (**):
    • (*) Kristalltypen: romboedrisch, skalenoedrisch, rosettenartig, sphärisch, nadelförmig, prismenförmig, aragonitisch, plättförmig, GCC und ähnliche;
    • (*) Reaktion unter etwa 0,1 bis etwa 20 bar;
    • (**) Temperatur in einem Bereich von etwa -10° bis etwa 250°C;
    • (*) pH-Wert von etwa 5,5 bis etwa 10,5 regelbar;
    • (**) Stoffdichte etwa 0,1% bis etwa 15%;
    • (**) CO2-Zugabe;
    • (**) Verweifzeit.
  • CaCO3-Anteil am Pulp:
    • Bei einem zugrundeliegenden Massenanteil von etwa 1 % bis etwa 70 % des Füllstoffs, etwa 1 % bis etwa 60 % an den Fasern angelagerter Füllstoff, der Rest freies FLPCC™ (Fiber Loaded Precipiated Calcium Carbonate) in der Suspension.
    • Bezugszeichenliste
    10
    Vorrichtung zum Beladen von Fasern
    12i
    Reaktor
    14
    Fluffer
    16
    Refiner
    18
    Tank
    20
    Refiner
    22
    Ausgangsmaterial
    24
    Pulper
    26
    Fasermaterial
    28
    Sammelbehälter
    30
    Calciumoxid und/oder Calciumhydroxid enthaltendes Reaktionsmittel
    32
    Presse
    34
    Preßwasser
    36
    Reaktor
    38
    Ventil
    40
    Papiermaschine
    VD
    Verdünnung (H2O)

    Claims (12)

    1. Verfahren zum Beladen von in einer Faserstoffsuspension (26) enthaltenen Fasern mit Calciumcarbonat durch eine chemische Reaktion,
      wobei der Faserstoffsuspension (26) ein Calciumoxid und/oder Calciumhydroxid enthaltendes Medium (30) zugesetzt wird, daß die so behandelte Faserstoffsuspension (26) insbesondere in wenigstens einem Reaktor (12, 36) mit einem weiteren, reines Kohlendioxid oder Kohlendioxid enthaltenden Medium beaufschlagt wird,
      dadurch gekennzeichnet , daß im Verlauf der chemischen Reaktion für eine zumindest im wesentlichen vollständige Umsetzung der genannten Ausgangsstoffe Calciumoxid bzw. Calciumhydroxid und Kohlendioxid in die Reaktionsprodukte Calciumcarbonat und Wasser gesorgt wird, indem der pH-Wert der Faserstoffsuspension (26) entsprechend geregelt wird und
      daß die Faserstoffsuspension (26) eine regelbare Stoffdichte (Konsistenz) von größer 5 %, vorzugsweise zwischen 15 % bis etwa 40 %, aufweist.
    2. Verfahren nach Anspruch 1,
      dadurch gekennzeichnet, daß der jeweilige pH-Istwert mit einem entsprechend vorgebbaren Sollwert verglichen und die Regelabweichung über wenigstens eine der folgenden Prozeßstellgrößen vermindert oder beseitigt wird:
      Verweilzeit der Faserstoffsuspension (26) im Reaktor (12, 36)
      Zuflußgeschwindigkeit der Faserstoffsuspension (26)
      Druck des Kohlendioxids
      Temperatur der Faserstoffsuspension (26) und/oder des Calciumhydroxids
      Druck im Reaktor
      Temperatur des CO2
      Druck des CO2
      Konzentration des CO2 im Medium
      Konzentration des CaO, des Ca(OH)2 und der Fasern
      spezifische Faseroberfläche.
    3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
      dadurch gekennzeichnet, daß der pH-Wert der Faserstoffsuspension (26) in einem Bereich von etwa 5,5 bis etwa 10,5 regelbar ist.
    4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
      dadurch gekennzeichnet, daß der Aschegehalt der Faserstoffsuspension (26) in einem Bereich von etwa 1 % bis etwa 70 % regelbar ist.
    5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
      dadurch gekennzeichnet, daß das Kohlendioxid gasförmig zugeführt wird.
    6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
      dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des zugeführten Kohlendioxids in einem Bereich von etwa -10° bis etwa 250° C einstellbar oder regelbar ist.
    7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
      dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich optische Eigenschaften, beispielsweise Weisse (Brightness), Helligkeit, Opazität, Farbort, Lichtstreuungskoeffizient, als Indikatoren für den Ablauf der chemischen Reaktion herangezogen werden.
    8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
      dadurch gekennzeichnet, daß bezüglich des pH-Meßortes wenigstens einer der folgenden Schritte gewählt wird:
      mindestens vor/nach Reaktion;
      auch während der Reaktion;
      ggf. mehrere Messungen.
    9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
      dadurch gekennzeichnet, daß der pH-Wert vorzugsweise am Ende der chemischen Reaktion gemessen wird.
    10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
      dadurch gekennzeichnet, daß der pH-Wert vorzugsweise nach der Vergrößerung der spezifischen Oberfläche mittels mindestens eines Fluffers gemessen wird.
    11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
      dadurch gekennzeichnet, daß eine Druckregelung im Bereich von etwa 0,1 bis etwa 20 bar vorgesehen ist.
    12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
      dadurch gekennzeichnet, daß die Faserstoffsuspension (26) Scherkräften, vorzugsweise in mindestens einem Fluffer, ausgesetzt wird.
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