PTS-FORSCHUNGSBERICHT IK-MF 130094EFFEKTE HYDRODYNAMISCHER KAVITATIONSIMPULSE BEI DER BEHANDLUNG VON DEINKINGSTOFFEN (KAVITATIONSDEINKING)

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PTS-FORSCHUNGSBERICHT IK-MF 130094

EFFEKTE HYDRODYNAMISCHER KAVITATIONSIMPULSE BEI DER BEHANDLUNG VON DEINKINGSTOFFEN (KAVITATIONSDEINKING)

» VERPACKUNGEN

UND KONFORMITÄT »DRUCK UND

FUNKTIONALE OBERFLÄCHEN » MATERIALPRÜFUNG

UND ANALYTIK

» FASERN UND

COMPOSITE » ^PAPIER-

WIRTSCHAFT 4.0

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L. Hamann:

Effekte hydrodynamischer Kavitationsimpulse bei der Behandlung von Deinkingstoffen (Kavitations- deinking)

PTS-Forschungsbericht 32/15 Juni 2016

Papiertechnische Stiftung (PTS) Heßstraße 134

D - 80797 München www.ptspaper.de

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Diese Studie steht auf der Homepage der PTS zum Download bereit:

www.ptspaper.de/forschungsdatenbank Ansprechpartner:

L. Hamann

Tel. (03529) 551-657 lutz.hamann@ptspaper.de

Institut für Zellstoff und Papier IZP Pirnaer Straße 37

01809 Heidenau

Die Ergebnisse wurden im Rahmen des Forschungsvorhabens MF 130094 gewonnen, das im Programm zur "Förderung von Forschung und Entwicklung bei Wachstumsträgern in benachteiligten Regionen"

mit finanziellen Mitteln des

Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi) über den Projektträger EuroNorm Gesellschaft für Qualitätssicherung und Technologie mbH aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert wurde. Dafür sei an dieser Stelle herzlich gedankt.

Unser Dank gilt außerdem den beteiligten Firmen für die Probenbe- reitstellung und für die freundliche Unterstützung bei der Projekt- durchführung.

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PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de PTS-FB 32/15

Effekte hydrodynamischer Kavitationsimpulse bei der Behandlung von Dein- kingstoffen

L. Hamann

Inhalt

1 Zusammenfassung ... 3

2 Abstract ... 4

3 Einleitung... 6

4 Versuchsdurchführung ... 9

5 Ausgewählte Ergebnisse ... 11

5.1 Betriebsparameter der Düsenkavitation ... 11

5.2 Zielvektor industrieller Deinkingprozess ... 12

5.3 Wirkmechanismus bei der Kavitationsbehandlung von DIP-Stoff ... 13

5.4 Kavitationswirkung an unterschiedlichen Altpapiermaterialien ... 15

5.5 Flotationseffektivität nach Kavitationsbehandlung ... 16

5.6 Technikumversuche zur Maßstabsvergrößerung ... 17

5.7 Wirkeffizienz und Wirtschaftlichkeitsbewertung ... 18

6 Zusammenfassung ... 19

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1 Zusammenfassung

Thema Hydrodynamische Oberflächenbehandlung von Recyclingfasern in einer Kavitati- onsdüse für eine verbesserte DIP-Stofferzeugung

Ziel des

Projektes Ziel des Projektes war die zielgerichtete Anwendung hydrodynamisch erzeugter Kavitationsimpulse zur verbesserten Druckfarbenzerkleinerung und -ablösung sowie zur Festigkeitssteigerung in Altpapierstoffen für Druck-papiere (DIP-Stoff).

Ergebnisse Die Intensität der Kavitationsimpulse und damit die erzielten Effekte bezüglich Druckfarbenpartikeln und Reaktivierung der Papierfestigkeiten stiegen mit zunehmender Strömungsgeschwindigkeit in der Kavitationsdüse signifikant. Ein Upscaling des Düsendurchmessers war ohne Probleme möglich.

Die Kavitationsbehandlung ergab eine Reduzierung der Fläche der sichtbaren Druckfarbenpartikel um 50 – 60 %. Damit wurde die Wirkung eines industriell üblichen Dispergers (= Benchmark) grundsätzlich erreicht. Der dazu erforderliche spezifische Energieeintrag lag ebenfalls im Bereich des Dispergers. Die Druck- farbenablösung und Flotierbarkeit der Druckfarbenpartikel war nach Kavitations- behandlung und herkömmlicher Dispergierung identisch.

Derzeit ist die Anzahl der erforderlichen Düsendurchläufe zur Druckfarbenzer- kleinerung noch recht groß. Stark scherresistente Drucklacke wurden in der Kavitationsdüse weniger intensiv zerkleinert als im industriellen Disperger.

Die statische Papierfestigkeit (Tensile-Index) konnte bereits nach wenigen Düsendurchläufen um 10 – 20 % gesteigert werden. Positiver Nebeneffekt war die vollständige Erhaltung der dynamischen Festigkeit (Tear-Index), da in der Kavitationsdüse keine Kürzung der Cellulosefasern auftrat. Hinsichtlich Wirkung und spezifischem Energieeintrag konnte die Kavitationsbehandlung den Bench- mark LI-Refiner übertreffen.

Schlussfolgerun

gen Die erzielten Ergebnisse bergen ein großes Potenzial für den perspektivischen Einsatz der hydrodynamischen Kavitation in der Stoffaufbereitung für Altpapier- stoffe. Damit haben auch KMU aus der Anlagenprojektierung und dem Maschi- nenbau eine zusätzliche Umsatzperspektive. Die erzielten Ergebnisse zur Festigkeitssteigerung sind auch für das Produktsegment der Verpackungspapie- re von großer Bedeutung.

Generell ist das hydrodynamische Kavitationsverfahren in einer Venturidüse aufgrund der realisierbaren hohen Volumenströme sehr gut für ein Upscaling in den industriellen Maßstab geeignet. Aus den Projektergebnissen lassen sich Ansatzpunkte zur weiteren Steigerung der Wirkeffizienz der hydrodynamischen Kavitationsbehandlung ableiten.

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2 Abstract

Theme Hydrodynamic surface treatment of recycled fibers in a venturi nozzle for improved production of DIP

Project objective The aim of the IZP research project was the use of hydrodynamically generated cavitation impulses for improved ink fragmentation and ink detachment and for enhancement of strength properties of printing paper.

Results The intensity of cavitation impulses and the subsequent effects concerning dirt specks and reactivation of paper strength were significantly increased at higher flow velocity in the nozzle. Upscaling of nozzle diameter was without any problems.

The cavitation treatment led to a reduction in dirt specks area up to 60 %. That was the same effect like in industrial dispergers in paper mills. The needed specific energy input was also in the same range in comparison to the disperger.

The ink particle detachment and the flotation behavior of the ink particles were identical after cavitation and disperger.

Actually the needed number of passes through the nozzle is somewhat high.

Strongly shear resistant printing colours (varnishes) showed lower fragmentation in the cavitation nozzle in comparision to industrial disperger.

Static paper strength (tensile index) was increased by 10 – 20 % even only few passes through the nozzle. Posittve side effect was the fully conservation of dynamic paper strength (tear index), because the fiber length was still constant.

Concerning strength effect and specific energy consumption the cavitation treatment was better than conventional low intensity refining.

Conclusion The results have a great potential for the use of hydrodynamic cavitation technology in paper production from recycled fibers. Therefore SME from plant engineering and machine suppliers will get an additional sales perspective. The results for strength improvement are also very interesting for producers of packaging paper.

Generally the hydrodynamic cavitation technology is very suitable for upscaling because of the possible treatment of big volume flows. There are additional possibilities for further increase of cavitation intensity and cavitation effects.

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PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de PTS-FB 32/15 Acknowledge-

ment The research project MF 130094 was funded by the German Federal Ministry of Economic Affairs and Energy BMWi in the programme for the "Promotion of Research, Development and Innovation in disadvantaged areas" based on the decision of the German Parliament and carried out under the umbrella of Euro- Norm in Berlin. We would like to express our warm gratitude for this support.

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3 Einleitung

Stand der Technik

Stoffaufbereitung für Druckpapiere

Altpapier ist mit einem mittleren Massenanteil von 51 % (Jahr 2014) mit Abstand der wichtigste Rohstoff zur Herstellung von grafischen Papieren. Zeitungsdruck- papier wird nahezu komplett und höherwertige Druckpapiere immerhin noch zu 36 % aus Recyclingfasern hergestellt /1/. Die erzeugten Neupapiere müssen folgende Anforderungen erfüllen:

• Reinheit, d.h. keine sichtbaren optischen Inhomogenitäten (Schmutzpunkte)

• den Anforderungen entsprechende Weiße- bzw. Helligkeitswerte

• ausreichende Vlies- bzw. Papierfestigkeit

In Auflösung und Disperger I werden die Druckfarben von den Cellulosefasern abgelöst und weiter zerkleinert. In der anschließenden Flotation I bzw. II werden die Druckfarbenpartikel dann selektiv aus der Faserstoffsuspension abgetrennt.

Voraussetzung für eine hohe Flotationseffektivität ist die möglichst vollständige Ablösung von den Fasern, eine Partikelgröße zwischen 1 und 100 µm und eine ausreichend hydrophobe Oberfläche der Druckfarbenfragmente.

Im mit Abstand Energie intensivsten Teilprozess der Stoffaufbereitung - im Disperger - werden Druckfarben effektiv unter die Sichtbarkeitsgrenze zerkleinert. Jedoch werden Druckfarben hier parallel wieder an die Faseroberfläche angelagert (Redeposition-Effekt) /2/ und es erfolgt zum Teil eine Zerkleinerung in Bereiche unterhalb 1 µm, wo die anschließende Flotation nur wenig wirksam ist.

Besonders in den letzten Jahren ergaben sich weitere Herausforderungen bei der Produktion grafischer Papiere auf Altpapierbasis:

• neue Druckfarben im Einsatz (Drucklacke, INDIGO-Druckfarben), diese Druck- farben bilden scherresistente Filme, die schwer rezyklierbar sind /3/

• Ziel: 80 % Einsparung beim CO2-Fußabdruck der Papierindustrie von 1990 – 2050 /4/, dazu sind neue bahnbrechende Technologien zu entwickeln, welche einen reduzierten spezifischen Energieverbrauch aufweisen

• Stagnation der Produktionsmenge und damit höchste Anforderungen an die Kosteneffizienz (Energiekosten) bei der Herstellung

• steigender Füllstoffgehalt, steigende Anzahl der Recyclingzyklen, geringe Flächenmasse der Druckpapiere und damit reduzierte Papierfestigkeit /5/

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PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de PTS-FB 32/15 Stand der Tech-

nik

Grundlagen der Kavitation

Unter Kavitation (lat. Cavitare = aushöhlen) wird die Bildung, das Wachstum und das anschließende schlagartige Kollabieren von Dampfblasen in einer Flüssigkeit verstanden. Dieser über ein charakteristisches Rauschen erkennbare Vorgang wird auch als „kaltes Sieden“ bezeichnet, da die Kavitationseffekte bei Raum- temperatur auftreten, also deutlich unterhalb des eigentlichen Siedepunktes von Wasser. Beim Blasenkollaps entstehen Mikrojets und Druckwellen. Dabei können lokale Druckspitzen bis 1000 bar und Temperaturen bis zu 10.000 °C auftreten, bei einer Jetgeschwindigkeit von 100 m/s auftreten /6/, /7/.

Die beim Blasenkollaps freigesetzte Energie kann zur Fibrillierung der Faser- oberfläche und zur Zerkleinerung von Druckfarbenpartikeln in der Altpapier- stoffsuspension genutzt werden.

Kavitation kann grundsätzlich auf 2 Wegen erzeugt werden /8/: Akustisch mittels Ultraschallwellen, wobei die Kavitation an den Stellen der Druckminima der Schwingung entsteht und hydrodynamisch in einer sogenannten Kavitationsdü- se. Hier wird die Flüssigkeit an einer Einengung des durchströmten Rohrab- schnittes stark beschleunigt (bei gleichzeitiger Reduzierung des statischen Druckes) und anschließend in einem größeren Rohrdurchmesser wieder ver- langsamt. Bei lokaler Unterschreitung des Dampfdruckes entstehen die Kavitati- onsblasen. Hydrodynamische Kavitation kann auch erzeugt werden, wenn ein Körper in einer stehenden Flüssigkeit schnell bewegt wird und dabei Unterdruck- und Überdruck-Zonen entstehen.

Wesentliche derzeitige industrielle Einsatzgebiete der Kavitationstechnologie sind Reinigungsbäder, Homogenisatoren / Dispergatoren, Ultraschallreaktoren der Sonochemie, Anlagen zur Biomassedesintegration sowie spezielle medizini- sche und militärische Bereiche. Unerwünschte Materialerosion bzw. Leistungs- minderung aufgrund von Kavitationseffekten ist von schnell rotierenden Pumpen- laufrädern und Schiffsschrauben bekannt.

Stand der Tech- nik

Einsatz der Kavitations- technologie in der Papier- herstellung

Ergebnisse von Grundlagenversuchen im Labormaßstab zur Kavitationstechno- logie in der Altpapierstoffaufbereitung wurden bisher wie folgt veröffentlicht:

GOTO /9/ etc. publizierte eine verbesserte Druckfarbenablösung mit einer Laboranlage (CV - cavitation jet device), in der ein stark beschleunigter Strahl der Stoffsuspension schlagartig in einem großen Stoffbehälter entspannt wird. Es wurden sehr feine Düsen mit 1,5 mm Durchmesser bei einer maximalen Strö- mungsgeschwindigkeit von 70 m/s eingesetzt.

EHRLICH et al. /10/ untersuchten die Druckfarbenablösung UV-vernetzter Druckfarben mittels akustisch erzeugter Kavitation. Die Kavitationsbehandlung ergab eine zur Knetdispergierung vergleichbare Ablösung und Zerkleinerung der Druckfarbenpartikel bei gestrichenem Papier, allerdings bei deutlich höherem spezifischem Energieverbrauch.

FRICKER et al. zeigten die grundsätzlich vorhandene Wirkung von Ultraschall- wellen auf die Ablösung und Zerkleinerung von verschiedenen schwer deinkba- ren Druckfarben /11/.

Eine industrielle Anwendung hydrodynamisch oder akustisch erzeugter Kavitati- on in der Altpapierstoffaufbereitung ist derzeit nicht bekannt.

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PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de PTS-FB 32/15 Forschungsziel Ziel des Forschungsvorhabens war es, den Deinkingprozess von Altpapier

effizienter und wirtschaftlicher zu gestalten, um den derzeit stagnierenden Altpapiereinsatz bei der Herstellung grafischer Papiere weiter zu erhöhen.

Dazu wurde der Altpapierstoff in einer Venturidüse mit hydrodynamisch erzeugten Druckimpulsen behandelt. Ziel war die Ermittlung der erforderlichen Randbe- dingungen und erreichbaren Wirkeffizienzen bei der Kavitation zur Reinigung des Faserstoffs.

Teilziele Im Projekt sollten folgende Teilaufgaben beantwortet bzw. gelöst werden:

• Welche generellen Einflussgrößen auf die Kavitationsintensität sind zu beachten und welches Betriebsfenster der Kavitationsanlage ist realisierbar?

• Bereitstellung von Benchmarkdaten zur vergleichenden Charakterisierung und Bewertung der Kavitationstechnologie

• Herausarbeitung des Zusammenhangs zwischen Kavitationsintensität, Druckfarbenablösung und -fragmentierung in Deinkingware

• Einfluss der Kavitationsbehandlung auf die Fasermorphologie und Festig- keitsparameter der Papierblätter

• Kavitationsbehandlung von Papieren mit scherresistenten Druckfarbenfilmen

• Bewertung der Flotationseffektivität nach der Kavitationsbehandlung

• Maßstabsvergrößerung der Kavitationsdüse zur Verifizierung der späteren Übertragbarkeit in industrielle Baugrößen

• Bewertung des technologischen und wirtschaftlichen Potenzials der Kavitati- onstechnologie in der Altpapierstoffaufbereitung

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4 Versuchsdurchführung

Versuchs-

material Für die Versuche wurde industrieller Deinkingstoff (DIP-Stoff, bestehend haupt- sächlich aus Zeitungen und Zeitschriften, Weißgrad 56 - 58 %) aus einer Papier- fabrik beschafft. Dieser Faserstoff wurde bereits in der Sortierung und Vorflotati- on gereinigt. Der Faserstoff wurde direkt nach der Stoffeindickung und damit unmittelbar vor dem Disperger entnommen. Für die Versuche wurde der einge- dickte Faserstoff bei einer Stoffdichte von 5 % in einem 20l-Technikumspulper für 5 min bei niedriger Rotordrehzahl wieder aufgeschlagen, um vorhandene Fa- seragglomerate vollständig aufzulösen. Die Größe der Druckfarbenpartikel wurde infolge der sehr schonenden Auflöseparameter nicht verändert.

Zur Ermittlung der Benchmarkwerte wurde der im Disperger einer Papierfarbrik behandelte Faserstoff untersucht. Benchmark für die Faserstoffmahlung war der Technikums-Scheibenrefiner der PTS. Dabei wurde eine speziell für Altpapier- stoff geeignete niedrige Mahlkantenbelastung von 0,5 Ws/m verwendet.

Für das Arbeitspaket 4 wurden von diversen Druckereien spezielle Druckmuster beschafft, die besonders scherfeste Druckfarbenfilme enthalten. Dispersionslack, 3 verschiedene UV-vernetzte Drucklacke und mittels INDIGO-Verfahren be- drucktes Papier. Alle Papiermuster waren gestrichene Papiere.

Beschreibung der Versuchsanlage

Die Versuche im Projekt wurden in einer kleintechnischen Versuchsanlage durchgeführt, bestehend aus einem doppelwandigen Vorlagebehälter, Exzenter- schneckenpumpe sowie Kavitationsdüse mit Durchfluss- und Druckmessung. Die Stoffsuspension wurde im Kreislauf gefahren und je nach untersuchter Behand- lungsdauer wurde die Stoffprobe im Bypass vor der Rückführung in den Vorlage- behälter aus dem Prozess entnommen.

Der Energieverbrauch der Pumpe und die Temperatur im Vorlagebehälter wurden über die gesamte Versuchsdauer dokumentiert.

FI PI TI

EI

max. 150 l

M

PI

Kavitationsdüse

Abbildung 1: R&I-Fließbild der Kavitationsanlage

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PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de PTS-FB 32/15 Anlagenkonfigu-

ration Im Projekt wurde in den Hauptversuchen eine Kavitationsdüse mit einem Durch- messer von 8 mm am kleinsten Düsenquerschnitt verwendet. Der Auslaufwinkel der Düse nach der Einengung war gering (= große Auslauflänge), sie ist demnach eher für moderate Kavitationsintensitäten ausgelegt. Im Versuch zur Maßstabsvergrößerung wurde eine Kavitationsdüse mit einem kleinsten Durch- messer von 12 mm verwendet. Der Volumenstrom hat sich damit auf 125 % mehr als verdoppelt.

Abbildung 2: Visualisierung der verwendeten Kavitationsdüse

Abbildung 3: frühere Düse mit aufgeklebtem Sensor (links); durchströmte Düse mit Blasenbildung nach dem engsten Querschnitt (rechts)

Flotations-

versuche Alle Flotationen zur Abtrennung der Druckfarbenpartikel wurden in der Laborflo- tationszelle Delta 25 der Firma VOITH durchgeführt.

Hyperwäsche Die Hyperwäsche erfolgte nach INGEDE-Methode Nr. 5 „Bewertung der Druck- farbenablösung durch Hyperwäsche mit dem Haindl-McNett-Fraktionator“.

eingesetzte

Messmethoden • Quantifizierung großer Schmutzpunkte (GSP, > 50 µm, Bildaufnahme mittels Scanner und anschließend DOMAS-Bildanalyse) und kleiner Schmutzpunkte (KSP, < 50 µm, Bildaufnahme mittels Mikroskop und anschließend DOMAS- Bildanalyse)

• Weißgrad, Lichtabsorptionskoeffizient, Lichtstreukoeffizient

• Papierfestigkeiten Tensile-Index, Tear-Index

• Parameter des Faserstoffes: Aschegehalt, Fasermorphologie FIBERLAB, Entwässerungswiderstand E-SR

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5 Ausgewählte Ergebnisse

5.1 Betriebsparameter der Düsenkavitation

Vorgehensweise Es wurden Versuche mit der 8 mm-Düse und verschiedenen Pumpen zur Ermittlung des Betriebsfensters der Kavitationsanlage hinsichtlich Strömungs- verhältnissen und Kavitationsintensität durchgeführt. Die Versuchsanlage wurde mit unterschiedlichen Wasserqualitäten (Temperatur, Luftgehalt, Additive, Partikelbeladung, Art der Vorbehandlung zur Entlüftung, Leitungswasser/ destil- liertes Wasser) beschickt. Als Maß für die Kavitationsintensität wurden der Temperaturverlauf im Dauerbetrieb und das Messsignal eines piezoelektrischen Schwingungssensors aufgezeichnet.

Kavitationsinten-

sität Die eingesetzte Pumpe konnte eine Strömungsgeschwindigkeit am engsten Düsenquerschnitt zwischen 16 und 38 m/s realisieren.

Das charakteristische Kavitationsgeräusch (leichtes Knistern) begann bereits beim minimal möglichen Volumenstrom von 49 l/min und steigerte sich bis zu einem deutlich wahrnehmbaren gleichmäßigen Dauerton (Rauschen/Ratschen).

In Relation zur erhöhten Strömungsgeschwindigkeit in der Kavitationsdüse ergab sich eine beschleunigte Temperaturerhöhung im Vorlagebehälter. Diese Tempe- raturerhöhung ist ein Maß für die Kavitationsintensität im Wechselspiel von Blasengenerierung und Blasenkollaps.

Ein signifikanter Einfluss von partikulären Kavitationskeimen wurde nicht festge- stellt. Umfangreiche Versuche zur Bestimmung der Kavitationsintensität über eine erhöhte Bildungsrate von Peroxid- oder Kaliumjodid-Radikalen waren nicht erfolgreich. Der Gehalt gelöster Gase im Wasser änderte sich vor allem in Relation zur Wassertemperatur.

Abbildung 4: Temperaturverlauf während der Kavitationsbehandlung

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5.2 Zielvektor industrieller Deinkingprozess Messsystem für

feindisperse Schmutzpunkte

Druckfarbenpartikel < 50 µm Partikelgröße können mit der standardisierten INGEDE-Methode Nr. 2 nicht erfasst werden. Mit dem über das Projekt installier- ten speziellen Modul mit automatisch steuerbarem x-y-Mikroskoptisch konnten diese Druckfarbenpartikel, die vorzugsweise in der Deinkingflotation abtrennbar sind, mit hoher Reproduzierbarkeit und Messgenauigkeit detektiert und hinsichtlich Fläche und Anzahl quantifiziert werden.

Abb. 5 zeigt ein Beispiel der Schmutzpunkt-Detektierung. Sowohl von den Fasern abgelöste als auch anhaftende Druckfarbenpartikel konnten sehr gut identifiziert und von den aufgrund zu geringer Grauwerte nicht erfassten Faser-, Füll- und Feinstoffen getrennt werden.

Dispergerwirkung Im Projektverlauf wurde der Disperger in einer Papierfabrik bei üblichen Disper- gierbedingungen von 70 - 80 °C mit 150 kWh/t Energieverbrauch zur Dampfer- zeugung und 60 - 70 kWh/t mechanischer Dispergierenergie wiederholt beprobt.

Dabei wurden folgende Ergebnisse erhalten:

Veränderung Ablösung vom Faserstoff Druckfarbenpartikel > 50 µm 53…66 % 20…30 %

Druckfarbenpartikel < 50 µm -20…40 % 10 %

Tensile-Index -12 %

Tear-Index +8 %

Als Benchmark für die Reduzierung der Druckfarbenpartikel > 50 µm Im Disper- ger wurde daher für den weiteren Projektverlauf ein Bereich zwischen 50 und 70

% definiert. Dies stimmt mit Erfahrungswerten aus diversen Publikationen und anderen Untersuchungen der PTS überein.

Benchmark DIP-

Mahlung Die Low-Intensity-DIP-Mahlung im Technikumsrefiner mit einem Energieeintrag von bis zu 150 kWh/t ergab einen relativen Anstieg der statischen Festigkeit (Tensile-Index) um maximal 17 % und eine signifikante Reduzierung der dynamischen Festigkeit (Tear-Index) um bis zu 37 %.

Abbildung 5: Detektierung der Druckfarbenpartikel < 50 µm

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5.3 Wirkmechanismus bei der Kavitationsbehandlung von DIP-Stoff

Vorgehensweise Es wurden umfangreiche Versuchsreihen in der Labor-Kavitationsanlage unter Variation der Parameter Strömungsgeschwindigkeit, Behandlungsdauer (Anzahl der Düsendurchläufe), Temperatur und Feststoffgehalt durchgeführt:

• Strömungsgeschwindigkeit 18; 26; 34; 38 m/s

• Behandlungsdauer 0…60 min, (0…75 Düsendurchläufe)

• Temperatur 20; 40; 50 °C

• Feststoffgehalt 10; 20; 40 g/l

Alle Versuche erfolgten an einem industriellen Standard-DIP-Stoff, der vor der Dispergierung in einer Papierfabrik entnommen wurde. Dieser Faserstoff wurde direkt nach der Eindickung vom Trommelfilter entnommen und bei einer Stoff- dichte von 30 % gelagert.

Vor dem Einsatz in die Kavitationsanlage wurde der DIP-Stoff auf Basis der Ergebnisse entsprechender Vorversuche in einem Technikumspulper mit mode- rater Scherwirkung homogenisiert.

installierte

Anlagentechnik Die folgende Abb. zeigt die im Technikum der PTS installierte Anlagentechnik im Gesamtüberblick. Für die Stoffzuführung zwischen Pumpe und Kavitationsdüse wurde ein Hochdruckschlauch installiert, verbunden mit einer automatischen Sicherheitsabschaltung der Anlage bei einem Zulaufdruck > 8 bar.

Abbildung 6: Aufbau der Versuchsanlage mit Exzenterschneckenpumpe (links), Kavitationsdüse und 150l-Probenbehälter (rechts)

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PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de PTS-FB 32/15 Einfluss der

Strömungsge- schwindigkeit Druckfarbenpar- tikel > 50 µm

Die Kavitationsbehandlung bei einer Starttemperatur von 20 °C führte mit zunehmender Strömungsgeschwindigkeit zu einer deutlich gesteigerten Zerklei- nerung der Druckfarbenpartikel. Signifikante Zerkleinerungseffekte traten generell erst ab Strömungsgeschwindigkeiten von mehr als 18 m/s auf. Der Wirkbe- reich des Dispergers in einer Papierfabrik wurde nach 60 Düsendurchläufen erreicht.

Festigkeiten Die dynamische Papierfestigkeit konnte im Bereich von 10 - 30 % gesteigert werden. Dieses Ergebnis wurde bereits nach wenigen Düsendurchläufen erreicht. Positiv hervorzuheben ist, dass die dynamische Papierfestigkeit konstant gehalten werden konnte. Ursache ist der vollständige Erhalt der Faserlänge im Verlauf der Kavitationsbehandlung. Im Gegensatz dazu erfolgte in der Refiner- mahlung eine starke unerwünschte Kürzung der Cellulosefasern.

Zusätzliche Kavitationsversuche zur Übertragbarkeit auf andere Stoffsysteme haben gezeigt, dass die Ergebnisse zur Festigkeitssteigerung und Veränderung der Fasermorphologie der DIP-Stoffe auch für Altpapierstoffe zur Erzeugung von Verpackungspapieren realisierbar sind.

Abbildung 7: Fragmentierung der Druckfarbenpartikel > 50 µm

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5.4 Kavitationswirkung an unterschiedlichen Altpapiermaterialien

Vorgehensweise Die Druckfarben wurden zusammen mit Zellstoff in einem 150 l-Technikums- pulper zerfasert und anschließend mit der höchsten verfügbaren Kavitationsin- tensität mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 38 m/s behandelt. Als Bench- mark für einen industriellen Disperger wurden die Faserstoffe parallel in einem Labordisperger (Cavimix) dispergiert.

Benchmark Labordisperger (Cavimix)

Im Gegensatz zu den Untersuchungen im Arbeitspaket 3 konnte der Praxisdis- perger aus einer Papierfabrik bei den einzeln beschafften scherfesten Druckfar- ben nicht als Benchmark verwendet werden.

Daher wurde in einem separaten Versuchsprogramm die Wirkeffizienz eines Labordispergers im Technikum der PTS an den Praxisdisperger angepasst.

Diese Versuche erfolgten mit Standard-DIP-Stoff unter Variation der Dispergier- dauer. Stoffdichte und Drehzahl im Dispergierversuch wurden konstant gehalten.

Kavitation UV-

Lack C In der Kavitationsdüse erfolgte eine starke Zerkleinerung der Druckfarbenpartikel des UV-Lackes. Trotz sehr hoher Kavitationsintensität und langer Behandlungs- dauer wurde das Dispergierergebnis des Cavimix (= Benchmark) hinsichtlich Partikelgrößenreduzierung in der Kavitationsdüse nicht vollständig erreicht.

Abbildung 8: Ergebnis Kavitationsbehandlung UV-Lack C

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5.5 Flotationseffektivität nach Kavitationsbehandlung

Vorgehensweise Nach einer Behandlung des DIP-Stoffes in der Kavitationsdüse bei hoher Strömungsgeschwindigkeit wurden Flotationsversuche in einer Laborzelle durchgeführt, um Veränderungen im Flotationsverhalten zu quantifizieren. Die Flotationsdauer betrug 3; 6; 9 und 12 min bei einem Feststoffgehalt von 10 g/l.

Die Stoffsuspension wurde für die Flotation auf 40 – 45 °C temperiert.

Die Flotationswirkung wurde unter Anwendung der in der Papiertechnik an- wendbaren NELSON-Funktion für verfahrenstechnische Trennprozesse berech- net und ausgewertet.

Flotationsverhal- ten bezüglich Druckfarbenpar- tikeln 1…50 µm

Bei einer üblichen Rejektrate von 15 % erhöhte sich die Trennrate nach Disper- ger bzw. Kavitationsdüse deutlich von 50 auf 80 %, d.h. die angestrebte stark selektive Anreicherung der Druckfarbenpartikel im Flotationsschaum wurde realisiert.

Ursache der verbesserten Flotationswirkung ist die Zerkleinerung weiterer Druckfarben in den flotierbaren Partikelgrößenbereich, wobei diese Partikel an den neu frei gelegten Bruchkanten vermutlich eine hohe Hydrophobie aufweisen und damit die Anlagerung der Luftblasen in der Flotation unterstützen. Die Effizienzkurve der Flotierbarkeit im Auslauf des Dispergers wurde bereits nach 15 Düsendurchläufen erreicht.

Druckfarbenab-

lösung Bei den Druckfarbenpartikeln > 50 µm wurde im Disperger eine Druckfarbenab- lösung von 30 % erzielt. Dieser Wert wurde in der Kavitationsdüse nach 15 – 30 Durchläufen bei einer Strömungsgeschwindigkeit von 38 m/s ebenfalls erreicht.

Abbildung 9: NELSON-Trennfunktion für Schmutzpunkte < 50 µm

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PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de PTS-FB 32/15 Weißgrad Die tendenziellen Verläufe für den Weißgrad und die Gesamt-Druckfarben-

beladung (Lichtabsorptionskoeffizient) waren nach der Kavitationsbehandlung und dem herkömmlichen Disperger nahezu identisch. Die im Praxisdisperger nachgewiesene unerwünschte Faserverdunkelung trat in der Kavitationsbehand- lung nicht auf.

5.6 Technikumversuche zur Maßstabsvergrößerung

Vorgehensweise Es wurden 2 neue Kavitationsdüsen für dieses Arbeitspaket konzipiert und gefertigt. Die Düsendurchmesser betrugen 8 und 12 mm, d.h. die offene Fläche im engsten Düsenquerschnitt wurde mehr als verdoppelt.

Beide Düsen wurden mit identischer Ein- und Auslaufgeometrie gefertigt. Die Versuche erfolgten bei mittlerer Kavitationsintensität bei einer Strömungsge- schwindigkeit von 24 m/s, da der Volumenstrom mit der im Projekt beschafften Pumpe auf maximal 160 l/min begrenzt war. Ergänzende Versuche mit einer größeren Pumpe wurden durchgeführt.

Fragmentierung der Druckfarben- partikel

Die sichtbaren Druckfarbenpartikel mit einer Partikelgröße von > 50 µm wurden in beiden Düsen in gleicher Weise reduziert. Bei der gewählten mittleren Strö- mungsgeschwindigkeit von 24 m/s wurde das Ergebnis des Dispergers (=

Benchmark) nach ca. 80 Düsendurchläufen erreicht.

Abbildung 10: Partikelzerkleinerung bei Variation des Düsendurchmessers

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5.7 Wirkeffizienz und Wirtschaftlichkeitsbewertung

Spezifischer Energiever- brauch der Kavitations- anlage

Für die in den Versuchen eingesetzte PTS-Kavitationsanlage wurde der Energie- verbrauch anhand der Pumpenkennlinie des Herstellers abgeschätzt. Bei höhe- ren Strömungsgeschwindigkeiten im Druck-Grenzbereich stieg der Energiever- brauch überproportional an. In einer kurzzeitig verfügbaren größeren Pumpe ergab sich eine proportionale Zunahme des Energieverbrauches je Düsendurch- gang im Geschwindigkeitsbereich von 24 bis 46 m/s.

Spezifischer Energiever- brauch zur Festigkeitsstei- gerung

Die beiden folgenden Abbildungen verdeutlichen, dass der spezifische Energie- verbrauch der Kavitationsdüse bereits beim derzeitigen Entwicklungsstand geringer ausfallen kann, als im Refiner. Auch beim Verlauf der dynamischen Papierfestigkeit TEAR-Index weist die Kavitationsdüse deutliche Vorteile auf, denn das Festigkeitsniveau konnte konstant gehalten werden.

Abbildung 11: spezifischer Energieverbrauch je Düsendurchgang

Abbildung 12: Entwicklung der Papierfestigkeiten in Refiner-Mahlung und Kavitationsdüse

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PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de PTS-FB 32/15 Einschätzung der

technologischen Umsetzbarkeit

Beim Einsatz der Kavitationsdüse zeigte sich, dass bei den bisher untersuchten Strömungsgeschwindigkeiten bis 38 m/s bis zu 20 Düsendurchläufe erforderlich sind, um in den Anfangsbereich der Dispergerwirkung bei 50 % Schmutzpunkt- reduzierung zu gelangen. Möchte man die Schmutzpunktzerkleinerung weiter auf 60 % steigern, waren bisher etwa 60 Düsendurchläufe erforderlich. Dies ist ein vergleichsweise hoher technologischer Aufwand.

Als besonderer Aspekt ist zu beachten, dass die Verfahrenskombination Eindi- ckung/Disperger im herkömmlichen Prozess der Stoffaufbereitung gleichzeitig als Peroxid-Bleichstufe genutzt wird. Die damit verbundene hohe Bleichwirkung im Hochkonsistenzbereich wird vermutlich in der Kavitationsdüse nicht erreicht.

Bei der Steigerung der Papierfestigkeit konnten in der Kavitationsdüse bereits bei 5 und weniger Durchläufen signifikante Effekte erzielt werden, so dass für diesen Anwendungsfall eine sehr gute technologische Perspektive besteht.

6 Zusammenfassung

Wesentliche erzielte Ergebnisse

In der hydrodynamischen Kavitationsdüse wurde eine signifikante Zerkleinerung von Druckfarbenpartikeln aus DIP-Stoff unter die Sichtbarkeitsgrenze von 50 µm erreicht. Eine Ablösung von an den Papierfasern anhaftenden Druckfarbenparti- keln und nachfolgend eine hohe Effektivität in der Deinkingflotation konnte realisiert werden.

Die mittlere Faserlänge der mittels Kavitation behandelten Altpapierstoffe blieb unverändert. Die moderate Zunahme des Entwässerungswiderstandes ist auf Fibrillierungseffekte an der Faseroberfläche, eine dichtere Zusammenlagerung der in der Düse gestreckten Fasern im Papiervlies und ggf. auf eine vorhandene Entstippungswirkung zurückzuführen.

Bei den resultierenden Papierfestigkeiten war eine Erhöhung der statischen Festigkeit (Tensile-Index) um 20 %, fallweise um bis zu 30 % möglich. Die dynamische Papierfestigkeit (Tear-Index) blieb weitestgehend konstant. Dieses Ergebnis ist auch für Hersteller von Verpackungspapieren interessant.

Ein Upscaling auf höhere Anlagendurchsätze ist möglich. Eine hohe Strömungs- geschwindigkeit bewirkt in der Kavitationsdüse auch eine hohe Kavitationsinten- sität. Bei diesen hohen Strömungsgeschwindigkeiten ergibt sich wiederum die Möglichkeit, in einer hydrodynamischen Kavitationsdüse Volumenströme in einer industriell relevanten Größenordnung zu behandeln. Außerdem ist einem Upscaling hinsichtlich Düsendurchmesser keine Grenze gesetzt, da es im Gegensatz zur akustischen Kavitationsbehandlung keine Vorgaben hinsichtlich der Ausdehnung des Kavitationsfeldes gibt.

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PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de PTS-FB 32/15 Ergebnisse im

Vergleich zum Stand der Technik

Anwendungsfeld Deinking

Die in der Kavitationsdüse erzielte Maximalwirkung hinsichtlich Druckfarbenzer- kleinerung und Druckfarbenablösung ist mit der Wirksamkeit der heute industriell eingesetzten Disperger vergleichbar. Dabei ist die Anzahl der benötigten Düsen- durchläufe und auch der insgesamt erforderliche Energieeinsatz für einen Ersatz der herkömmlichen Dispergertechnologie noch nicht ausreichend.

So werden sehr scherstabile Druckfarbenfilme (Drucklacke) in der Kavitations- düse noch weniger stark reduziert als im Disperger. Allerdings war der Disperger als Benchmarkverfahren in Bezug auf die Betriebstemperatur (70 - 80 °C) gegenüber der Kavitationsdüse (40 – 50 °C) im Vorteil. Bei höheren Temperatu- ren werden Druckfarbenfilme zunehmend plastisch und die Scherresistenz der Partikel wird deutlich reduziert.

Die bisher erzielten Ergebnisse zeigen demnach weitere Entwicklungsoptionen für eine weiter gesteigerte Druckfarbenzerkleinerung durch Kavitation.

Verfahren im Vergleich zum Stand der Tech- nik

Anwendungsfeld Festigkeits- steigerung

Die in der Kavitationsdüse erzielten Festigkeitsverbesserungen übertrafen die Wirkeffizienz einer herkömmlichen Low-Intensity-Refinermahlung für Altpapier- stoffe. Im Disperger der Stoffaufbereitung für DIP-Stoff wurde die Festigkeit sogar unerwünscht reduziert.

Für die Erreichung der Wirkeffekte waren nur wenige Düsendurchläufe erforderlich, bei vorteilhafter Relation des Energieverbrauches. Daher kann die Kavitati- onsdüse den derzeitigen Stand der Technik zur mechanischen Reaktivierung der Bindungsfähigkeit der Faseroberfläche in Altpapierstoffen zukünftig übertreffen.

In ersten Versuchen zur nochmaligen Erhöhung der Kavitationsintensität konnte eine weitere Verbesserung der Wirkeffizienz abgeleitet werden.

Ansprechpartner für weitere Informationen:

Dipl.-Ing. L. Hamann Tel. 03529 / 551-657 lutz.hamann@ptspaper.de Papiertechnische Stiftung PTS Pirnaer Straße 37

01809 Heidenau Tel. 03529 / 551-60 Fax 03529 / 551-899 e-Mail: info@ptspaper.de www.ptspaper.de

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PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de PTS-FB 32/15 Literaturverzeichnis

1 N.N.

Papier 2015 – Ein Leistungsbericht

Verband deutscher Papierfabriken e.V., Bonn, 2015 2 Strauß J., Hanecker E., Manoiu A.

Verbesserung der Deinkstoffqualität durch Beeinflussung des Restdruckfarbenanteils im deinkten Faserstoff während des Aufbereitungsprozesses

PTS-Forschungsbericht IGF 15078N, München, 2009 3 N.N.

Deinkability of printed matter

http://www.paperforrecycling.eu/uploads/Modules/Publications/

ERPC European Recovered Paper Council, Brüssel, 2009 4 N.N.

The Forest Fibre Industry - 2050 Roadmap to a low-carbon bio-economy CEPI, Confederation of European Paper Industries, Brussels, 2011 5 Putz, H.-J., Ewald, C., Schabel, S.

Entwicklung von Zusammensetzung und Qualität von Altpapier in Deutschland und Europa PTS-Seminar Altpapierqualität und Stickies, Mai 2011, Dresden

6 www.wikipedia.de/kavitation 7 Düx P., Eickenbusch H.

Von der Kavitation zur Sonotechnologie (Technologiefrüherkennung)

Abteilung zukünftige Technologien des VDI-Technologiezentrums, Düsseldorf, 2000 8 http://www.hielscher.com/ultraschall/sonochem_01.htm

9 Goto, S., Tsuji H., Onodera I., Watanabe K., Ono K.

Cavitation jet deinking: a new technology for deinking of waste paper

TAPPI Engineering, Pulping & Environmental Conference, Portland / Oregon, 2008 10 Ehrlich H., Engert, P., Grossmann H., Vogel, M.

Ultrasound-assisted deinking of cross-linked inks IPW Internationale Papierwirtschaft, Nr. 2, 2013 11 Fricker A., Thompson R., Manning A.

Novel solutions to new problems in paper deinking Pigment & Resin Technology, year 36, No. 3, 2007

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