WO2009056178A1 - Verfahren zur bildung von calciumcarbonat in einer faserstoffsuspension - Google Patents

Verfahren zur bildung von calciumcarbonat in einer faserstoffsuspension Download PDF

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Stefan Scholl
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Bildung von Calciumcarbonat in einer Faserstoffsuspension, wobei die in Form einer Suspension bereitgestellten Fasern mit dem gefällten Calciumcarbonat beladen werden. Dabei soll die erforderliche Energie dadurch vermindert werden, dass die Faserstoffsuspension nach der Beladung in einer Fördervorrichtung (6, 11,12) mit einer Verdünnungsflüssigkeit verdünnt und vermischt wird.

Description

Verfahren zur Bildung von Calciumcarbonat in einer Faserstoffsuspension
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bildung von Calciumcarbonat in einer Faserstoffsuspension, wobei die in Form einer Suspension bereitgestellten Fasern mit dem gefällten Calciumcarbonat beladen werden.
Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Bildung von Calciumcarbonat in einer Faserstoffsuspension, wobei die in Form einer Suspension bereitgestellten Fasern in einem Beladungs-Reaktor mit dem gefällten Calciumcarbonat beladen werden.
Das Beladen von Fasern mit einem Fällungsprodukt, beispielsweise einem Füllstoff ist u.a. in der US-A-5223090 beschrieben. Bei diesem Prozess wird an die benetzte Faseroberfläche des Fasermaterials wenigstens ein Zusatzstoff, insbesondere ein Füllstoff wie Calciumcarbonat, eingelagert. Hierzu wird dem feuchten Faserstoff Calciumoxid oder Calciumhydroxid so zugesetzt, dass zumindest ein Teil davon sich mit dem im Faserstoff vorhandenen Wasser assoziiert. Das so behandelte Fasermaterial wird anschließend mit Kohlendioxid beaufschlagt.
Am Ende der Beladung des Fasermaterials wird die Suspension meist durch einen Disperger geführt, in dem die Beladungsreaktion ihren Abschluss findet.
Im Disperger kann die Suspension wieder verdünnt und vermischt werden, was jedoch mit einem hohen Energieaufwand verbunden ist.
Die Aufgabe der Erfindung ist es daher den Energieaufwand für die Beladung der Fasern zu vermindern und möglichst auch die Prozessführung zu stabilisieren.
Erfindungsgemäß wurde die Aufgabe verfahrensgemäß dadurch gelöst, dass die Faserstoffsuspension nach der Beladung in einer Fördervorrichtung mit einer Verdünnungsflüssigkeit verdünnt und vermischt wird.
Die Fördervorrichtung ermöglicht dabei eine effiziente Verdünnung und Vermischung der beladenen Suspension. Kern des Beiadens ist es, gezielt Kalkmilch und/oder Füllstoff in das Faserinnere ein- oder an die Fasern anzulagern, was den Füllstoffgehalt, die Festigkeit , die Porosität sowie das Volumen erhöht und Opazität sowie Bedruckbarkeit verbessert.
Zum Beladen der Fasern mit gefälltem Calciumcarbonat, wird vorzugsweise Calciumoxid oder Calciumhydroxid in flüssiger oder trockener Form in einen wässrig benetzten Faserstoff eingebracht und der Faserstoff in einem Beladungs-Reaktor mit gasförmigem Kohlendioxid vermischt.
Bei der Beladung der Fasern kann es vorteilhaft sein, wenn höchstens ein Teil des Calciumoxids oder des Calciumhydroxids direkt in den Beladungs-Reaktor zugegeben wird. Sowohl das Kohlendioxid als auch das Calciumoxid bzw. das Calciumhydroxid treffen in diesem Fall auf bereits gebildetes Calciumcarbonat auf, so dass es zu einer weiteren Kristallisation kommt.
Die Bildung von Calciumcarbonat kann auch durch das Eindicken der Faserstoffsuspension vor dem Beladungs-Reaktor unterstützt werden.
Dem Prozess ist es des Weiteren förderlich, wenn dem vorzugsweise eingedickten Faserstoff im Beladungs-Reaktor eine calciumhydroxidhaltige Flüssigkeit, vorzugsweise Kalkmilch, zugeführt wird.
In Abhängigkeit von der Art der Fasern und der Gestaltung der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens sowie der Anforderungen an die behandelte Faser kann es vorteilhaft sein, wenn zumindest ein Teil, vorzugsweise zwischen 60 und 100%, insbesondere 100% des Calciumoxids oder Calciumhydroxids der Faserstoffsuspension bereits vor dem Beladungs-Reaktor zugegeben wird.
Im Beladungs-Reaktor sollte vorzugsweise ein sphärischer Druck zwischen 1 und 6 bar, vorzugsweise zwischen 1 und 4 bar herrschen. Außerdem sollte die Faserstoffsuspension mit einem Trockengehalt zwischen 10 und 50% in den Beladungs-Reaktor eingeführt werden.
Dabei liegt die mittlere Verweilzeit der Faserstoffsuspension im Beladungs-Reaktor zwischen 1 und 15 min, vorzugsweise zwischen 5 und 10 min.
Die Temperatur im Beladungs-Reaktor sollte mit Vorteil zwischen 15 und 1300C, vorzugsweise zwischen 20 und 600C liegen.
Zur Gewährleistung der allgemein geforderten Fasereigenschaften sollte der beladene Faserstoff maximal 67,5 % Fällungsprodukt, insbesondere Calciumcarbonat enthalten.
Dabei ist es außerdem vorteilhaft, wenn die wässrige Faserstoffsuspension aus Frischzellstoff oder anderen Fasern gebildet wird.
Durch die Beladung können Kristalle von einer rhomboedrischen oder einer skalenoedrischen Form oder Agglomerate mit einer Länge zwischen 0,02 und 5 Mikrometer entstehen.
Um das Fällungsprodukt in dem nachfolgenden Prozess nicht zu beeinträchtigen, sollte die Verdünnungsflüssigkejt einen pH-Wert zwischen 5 und 11 , vorzugsweise zwischen 7 und 8,5 haben.
Dabei sollte die Verdünnungsflüssigkeit zumindest im Wesentlichen von Wasser gebildet werden, wobei Frisch- und Prozesswasser möglich sein können.
Des Weiteren kann es von Vorteil sein, wenn die Verdünnungsflüssigkeit daneben auch Fasern, Faserbruchstücke und/oder Calciumcarbonat, Calciumoxid oder Calciumhydroxid enthält. Hinsichtlich der Vorrichtung ist wesentlich, dass die Faserstoffsuspension nach dem Beladungs-Reaktor durch eine Suspensions-Leitung in eine Fördervorrichtung geführt wird und in die Suspensions-Leitung eine Verdünnungs-Zuleitung mit einer Verdünnungsflüssigkeit mündet.
Zur Abdichtung des Beladungs-Reaktors sollte in der Suspensions-Leitung oder am Beginn der Fördervorrichtung ein Gasabschluss vorhanden sein, welcher so das Entweichen von Kohlendioxid verhindert.
Außerdem sollte die Fördervorrichtung Elemente zur Mischung der Faserstoffsuspension mit der Verdünnungsflüssigkeit besitzen.
Im Interesse einer einfachen Anordnung ist es vorteilhaft, wenn die Suspensions- Leitung von einem Fallrohr gebildet wird. Des Weiteren sollte das Förderelement die Faserstoffsuspension auf ein höheres Niveau über dem Maschinenfundament befördern.
Als Förderelement eignet sich in bevorzugter Ausführung eine Schnecke oder eine Pumpe, insbesondere einer Mischpumpe. Es sind jedoch auch Disperger und Entstipper möglich.
Diese Förderelemente erlauben während des Transports der Faserstoffsuspension auch eine gute Durchmischung mit der Verdünnungsflüssigkeit.
Mit Vorteil sollte die Fördervorrichtung die Faserstoffsuspension zu einem weiteren Fallrohr transportieren, welches vorzugsweise unter Gasabschluss in eine Bütte führt.
Nachfolgend soll die Erfindung an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. In der beigefügten Zeichnung zeigt:
Figur 1 : eine Vorrichtung mit einer Förderschnecke 6;
Figur 2: eine Vorrichtung mit zwei Förderschnecken 6,11 und Figur 3: eine Vorrichtung mit Mischpumpe 12. Bei allen Ausführungen wird der Zell- oder Faserstoff in einer Bütte 1 mit Kalkmilch behandelt. Anschließend wird der so behandelte Faserstoff in einer Presse 2, insbesondere einer Schneckenpresse eingedickt (20 - 50% Trockengehalt) und das Filtrat in einer separaten Bütte 3 aufgefangen. Zur Eindickung kann auch eine Siebpresse, Doppelsiebpresse, ein Banddruckfilter oder ein Scheibeneindicker verwendet werden.
Die in der Presse 2 eingedickte Faserstoffsuspension wird zur Beladung der Fasern mit Calciumcarbonat als Füllstoff einem Beladungs-Reaktor 4 zugeführt, welcher vorzugsweise als Heizschnecke, Fluffer oder Kristallisator ausgeführt ist.
In diesem Beladungs-Reaktor 4 wird dem Faserstoff noch weiteres Calciumoxid und/oder Calciumhydroxid(Kalkmilch) zugesetzt, so 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 die folgende chemische Reaktion abläuft:
CaO + H2O = Ca(OH)2.
Dem Beladungs-Reaktor 4 wird über ein oder mehrere Ventile gesteuert CO2 zugeführt, wobei sich Calciumcarbonat an den benetzten Faseroberflächen anlagert und sich folgende chemische Reaktion einstellt:
Ca(OH)2 + CO2 = CaCO3 + H2O
Dabei herrscht im Beladungs-Reaktor 4 etwa Umgebungsdruck und eine Temperatur zwischen 20 und 600C.
Die Verweilzeit der Fasersuspension im Beladungs-Reaktor 4 liegt zwischen 5 und 10 min.
Dabei kann eine Pfropf seh necke vor dem Beladungs-Reaktor 4 als Gasabschluss dienen. Da der Beladungsprozess im Beladungs-Reaktor 4 abgeschlossen wird, kann die Faserstoffsuspension direkt über eine Suspensions-Leitung 5 in Form eines Fallrohres zu eine Fördervorrichtung 6,11 ,12 geführt werden.
Nach der Beladung muss die Faserstoffsuspension wieder pumpfähig gemacht werden. Hierzu wird über eine Verdünnungs-Zuleitung 7 Wasser in die Suspensions- Leitung 5 geführt. Damit soll wieder in etwa die gleiche Stoffdichte wie vor der Eindickung einstellt werden. Das zugeführte Wasser hat eine pH-Wert zwischen 7 - 8,5.
Das zugeführte Wasser kann aus Frischwasser oder aus gebrauchtem Wasser aus einem Kreislauf der Produktlinie oder dem internen Kreislauf der sogenannten Fiberloadinganlage selbst entnommen werden. Das Verdünnungsmedium (Wasser) kann entsprechend vorbehandelt sein, damit es den Anforderungen an den nachfolgenden Prozess gerecht wird und im angegebenen pH-Bereich liegt.
Wichtig ist, dass die Suspension im Fallschacht der Suspensions-Leitung 5 nach dem Beladungs-Reaktor 4 ein bestimmtes Niveau hat, damit die Suspensionssäule als Gasabschluss gegenüber dem Beladungs-Reaktor 4 arbeitet. Die Suspensionssäule muss jedoch so tief liegen, damit der Fallschacht durch herabfallendes Stoffgemisch nicht verstopft wird.
Gemäß den Figuren 1 und 2 dient als Verdünnungs-, Misch-, Förder- und Entstipporgan eine Förderschnecke 6,11. Die Schnecke ist so ausgeführt, dass sie ein Förderelement und ein Durchmischungselement oder eine Kombination der beiden Elemente beinhaltet.
Während die Fördervorrichtung 6,11 in Figur 1 von nur einer ansteigenden Förderschnecke 6 gebildet wird, hat diese in Figur 2 eine waagerechte 6 und eine nachfolgende, ansteigende Förderschnecke 11. Dabei kann insbesondere der ersten oder einzigen Förderschnecken 6 zusätzliches Wasser zur Verdünnung der Faserstoffsuspension über eine Verdünnungs-Zuleitung 8 zugeführt werden. In beiden Fällen soll jedoch die Faserstoffsuspension nach oben, d.h. über eine nachfolgende Bütte 10 befördert werden.
Vom Ende der Fördervorrichtung 6,11 gelangt die Faserstoffsuspension übe ein Fallrohr 9 in diese Bütte 10.
Auch hier sollte der Auslauf des Fallrohres 9 unter das Niveau der Bütte 10 geführt werden, damit er als zusätzlicher Gasabschluss (Sicherheitsfunktion) dient.
Die Aufgabe der Verdünnung und Homogenisierung kann auch, wie in Figur 3 gezeigt, über eine Pumpe erzielt werden. In diesem Fall wird die Suspensions-Leitung 5 direkt zur Pumpe 12 geführt.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Bildung von Calciumcarbonat in einer Faserstoffsuspension, wobei die in Form einer Suspension bereitgestellten Fasern mit dem gefällten Calciumcarbonat beladen werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserstoffsuspension nach der Beladung in einer Fördervorrichtung(6, 11 ,12) mit einer Verdünnungsflüssigkeit vermischt wird.
2. Verfahren nach Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass zum Beladen der Fasern Calciumcarbonat, Calciumoxid oder Calciumhydroxid in flüssiger oder trockener Form in einen wässrig benetzten Faserstoff eingebracht und der Faserstoff in einem Beladungs-Reaktor (4) mit gasförmigem Kohlendioxid vermischt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass höchstens ein Teil des Calciumoxids oder des Calciumhydroxids direkt in den Beladungs-Reaktor (4) zugegeben wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserstoffsuspension vor dem Beladungs-Reaktor (4) eingedickt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil, vorzugsweise 100% des Calciumoxids oder Calciumhydroxids der Faserstoffsuspension bereits vor dem Beladungs-Reaktor (4) zugegeben wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck im Beladungs-Reaktor (4) zwischen 1 und 6 bar, vorzugsweise zwischen 1 und 4 bar liegt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserstoffsuspension mit einem Trockengehalt zwischen 20 und 50% in den Beladungs-Reaktor (4) eingeführt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Verweilzeit der Faserstoffsuspension im Beladungs-Reaktor (4) zwischen 1 und 15 min, vorzugsweise zwischen 5 und 10 min liegt.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur im Beladungs-Reaktor (4) zwischen 15 und 1300C, vorzugsweise zwischen 20 und 600C liegt.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der beladene Faserstoff maximal 67,5 % gefälltes Calciumcarbonat enthält.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdünnungsflüssigkeit zumindest im Wesentlichen von Wasser gebildet wird.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch .gekennzeichnet, dass die Verdünnungsflüssigkeit einen pH-Wert, zwischen 3. und 11 , vorzugsweise zwischen 7 und 8,5 hat.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdünnungsflüssigkeit Fasern enthält.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdünnungsflüssigkeit Calciumcarbonat, Calciumoxid oder Calciumhydroxid enthält.
15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wässrige Faserstoffsuspension aus Frischzellstoff oder anderen Fasern gebildet wird.
16. Vorrichtung zur Bildung von Calciumcarbonat in einer Faserstoffsuspension, wobei die in Form einer Suspension bereitgestellten Fasern in einem Beladungs-Reaktor (4) mit dem gefällten Calciumcarbonat beladen werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserstoffsuspension nach dem Beladungs-Reaktor (4) durch eine Suspensions-Leitung (5) in eine Fördervorrichtung (6,11 ,12) geführt wird und in die Suspensions-Leitung (5) eine Verdünnungs-Zuleitung (7) mit einer Verdünnungsflüssigkeit mündet.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass in der Suspensions-Leitung (5) oder am Beginn der Fördervorrichtung (6,11 ,12) ein Gasabschluss vorhanden ist.
18. Vorrichtung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Fördervorrichtung (6,11 ,12) Elemente zur Mischung der Faserstoffsuspension mit der Verdünnungsflüssigkeit besitzt.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Suspensions-Leitung (5) von. einem Fallrohr gebildet wird. .
20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Förderelement (6,11 ,12) die Faserstoffsuspension auf ein höheres
Niveau befördert.
21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Förderelement (6,11) von einer Schnecke gebildet wird.
22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Förderelement (12) von einer Pumpe, insbesondere einer Mischpumpe gebildet wird.
23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Fördervorrichtung (6,11 ,12) die Faserstoffsuspension zu einem weiteren Fallrohr (9) transportiert, welches vorzugsweise unter Gasabschluss in eine Bütte (10) führt.
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