Verbesserung der optischen Eigenschaften deinkter Altpapierstoffe durch Erhöhung ihres Bleichpotenzials in Abhängigkeit von Schal- tung und Betriebsweise relevanter Reinigungsstufen
E. HANECKER
1 Einführung
Das in Deinkinganlagen eingetragene Altpapier ist in erster Linie die sogenannte Deinking- ware, eine Altpapiermischung, die etwa zur Hälfte aus Zeitungen sowie Zeitschriften und Il- lustrierten besteht. Die Erfassung der Deinkingware erfolgt durch regional unterschiedliche Altpapier-Sammelsysteme. Neben der Art des Erfassungssystems hat die geographische Herkunft einen wesentlichen Einfluss auf die Qualität und die Zusammensetzung der Dein- kingware, aus der in einer komplexen Prozesskette, die Flotation und/oder Wäsche einschließt, der Deinkingstoff (DIP) hergestellt wird. Dessen Qualitätsprofil hängt sowohl von der Qualität der eingesetzten Deinkingware als auch von der maschinellen Ausstattung der Altpapieraufbereitungsanlage und der verwendeten Prozesschemikalienrezeptur ab. Die er- zeugten DIP-Qualitäten unterscheiden sich zum Teil erheblich, da sich die Anforderungen an den Deinkingstoff nach der Spezifikation des Entproduktes richten.
In industriellen Deinkinganlagen erfolgt die Auflösung der Deinkingware im Hochstoffdichte- pulper oder in einer Auflösetrommel. Bei der Mehrzahl der Altpapier-Aufbereitungsanlagen zur Herstellung graphischer Papiere wird nach der Flotation eine Dispergierung durchge- führt, wobei in einigen Fällen Bleichchemikalien zugesetzt werden. Eine 2. Flotation des Alt- papierstoffes (nach der Dispergierung) wird nicht in allen Anlagen durchgeführt. In einigen Anlagen wird reduktiv nachgebleicht, vorwiegend unter Einsatz von Natriumdithionit.
Untersuchungen zur Bilanzierung der Druckfarbenpartikel und zur Entwicklung des Weiß- grads in industriellen Deinkinganlagen (1) ergaben, dass durch eine 2. Flotationsstufe der Weißgrad um rund 1 %-Punkt – im Vergleich zum Weißgrad nach der ersten Flotation - gesteigert werden kann.
An der Forschungsstelle durchgeführte Arbeiten, deren Ziel es war, die Ursachen unzurei- chender Weißgradsteigerungen in den Stufen Disperger-Bleiche und anschließende Flotati- on in einer industriellen Deinkinganlage zu ermitteln, legten den Schluss nahe, dass durch eine unzureichende Druckfarbenentfernung in der 1. Flotationsstufe der Deinkinganlage eine der 2. Flotation vorgeschaltete Dispergerbleiche die Flotierbarkeit der Druckfarbenteilchen und damit der mögliche Weißgradgewinn verschlechtert werden.
Ergebnisse vergleichender Untersuchungen von Deinkingstoffen in Abhängigkeit von der Altpapierzusammensetzung und vom Anlagenkonzept, die im Auftrag der Internationalen Forschungsgemeinschaft Deinking-Technik e.V. (INGEDE) durchgeführt wurden, ergaben, dass die Qualität von Altpapierstoffen, die für die Produktion von graphischen Papieren ein- gesetzt werden, eine Funktion des eingesetzten Altpapiers sowie der Aufbereitungstechnik und Betriebsweise der Aufbereitungsanlage (2, 3) ist. Für die Weißgrade der deinkten Stoffe ist das Verhältnis zwischen Zeitungen und Illustrierten in der eingesetzten Deinkingware von erheblicher Bedeutung. Die Dispergierung ist im Hinblick auf die Reinheit des deinkten Stoffs (Freiheit von optisch störenden Bestandteilen) besonders wichtig, wobei sich ein höherer spezifischer Energieeintrag positiv auf die Qualität des Altpapierstoffes auswirkt (4).
Erwartungsgemäß hängen die für die Aufbereitung des Deinkingstoffes anfallenden Kosten stark von dessen Einsatzzweck ab. Unabhängig vom Konzept der Aufbereitungsanlagen wiesen die deinkten Stoffe, die für die Zeitungsdruckpapierherstellung erzeugt werden, nied- rigere Weißgrade auf als die deinkten Stoffe für aufgebesserte Sorten. Da bei der DIP- Aufbereitung für Zeitungsdruckpapier meist nicht im Disperger gebleicht wird, sind die ge- samten Einsatzmengen von Natronlauge, Wasserstoffperoxid und Wasserglas meist niedri- ger als bei der DIP-Aufbereitung für aufgebesserte Sorten.
Diese Ergebnisse und die darüber hinaus vorliegenden umfangreichen Erfahrungen gaben Anlass zur Frage nach den Einflüssen der Aufbereitungsstufen und Prozessbedingungen auf die Bleichbarkeit deinkter Altpapierstoffe und auf die Effektivität weiterer nachgeschalteter Reinigungsprozesse. Verschiedenste Einflussgrößen entscheiden über die Qualität des er- zeugten deinkten Stoffes und über die Wirtschaftlichkeit der eingesetzten Aggregate. Wirt- schaftlich besonders relevant sind die eingesetzten Mengen an Chemikalien sowie die E- nergieeinträge unter den spezifischen Bedingungen.
2 Ziel des Projektes
Ziel des Forschungsvorhabens war die Verbesserung deinkter Altpapierstoffe hinsichtlich Weißgrad und Reinheit und die Sicherstellung der gegebenen Qualitätsanforderungen durch eine Bleiche unter wirtschaftlichen Bedingungen. Schwerpunkt der Projektarbeit war die Untersuchung und Bewertung der durchlaufenen Aufbereitungsstufen und deren Prozesspa- rameter im Hinblick auf das mögliche Bleichpotenzial, die Möglichkeiten zu dessen Beein- flussung sowie die Bewertung der Auswirkungen möglicher Verbesserungsmaßnahmen auf weitere, nachgeschaltete Reinigungsschritte.
3 Versuchsablauf
Im Rahmen dieses Forschungsprojekts wurde im Labormaßstab der erforderliche Aufwand für das Erreichen vorgegebener Qualitätsniveaus hinsichtlich Reinheit und Weißgrad ermit- telt. Die im Labormaßstab durchgeführten Arbeiten untergliederten sich in
• Vorversuche zur Ermittlung des Einflusses des Tiefgefrierens von industriellem DIP auf die optischen Eigenschaften, sowie auf die Flotier- und/oder Bleichbarkeit,
• Ermittlung der Einflüsse der Aufbereitungsstufen und Prozessbedingungen auf die Bleichbarkeit und die Effektivität weiterer nachgeschalteter Reinigungsprozesse auf die Altpapierstoffqualität und die
• Ermittlung der optimalen Einsatzmengen von Chemikalien beim Deinken und der Bleiche in Abhängigkeit von der Altpapierzusammensetzung zur Erzielung vorgegebener Weiß- grade.
4 Ergebnisse
4.1 Vorversuche zur Ermittlung des Einflusses des Tiefgefrierens von industriellem DIP auf die optischen Eigenschaften, sowie auf die Flotier- und/oder Bleichbar- keit
Es ist bekannt, dass bei einer Lagerung von DIP bei Raumtemperatur infolge mikrobiellen Wachstums Alterungsprozesse auftreten. Sie verursachen Qualitätsverluste, die u.a. an der Verschlechterung der optischen Eigenschaften zu erkennen sind. Deshalb wurden die für die Versuche vorgesehenen industriellen DIP bei -30°C gelagert. Die Vorversuchsreihe diente dazu, den Einfluss der Gefrierdauer auf die optischen Eigenschaften, sowie auf die Flotier-
und/oder Bleichbarkeit zu untersuchen. Die Flotation wurde nach dem klassischen alkali- schen Verfahren durchgeführt, die Bleiche erfolgte mit Wasserstoffperoxid.
Es konnte für einen Zeitraum von 8 Tagen eine hohe Konstanz der optischen Eigenschaften aufgezeigt werden. Die teilweise Wiederholung des Vorversuchs an einem über 6 Monate entsprechend gelagerten deinkten Faserstoff bestätigte das Ergebnis (Abb. 1). Die Lagerung bei -30°C ermöglichte folglich eine Konservierung dieser Eigenschaften.
50 55 60 65 70
0 6
Lagerdauer bei - 30 °C (mon)
Weißgrad (%)
unbehandelt + Flotation + Flotation + Bleiche
Abb. 1: Einfluss der Lagerung bei – 30°C auf die Weißgradentwicklung des DIP
4.2 Einfluss der Aufbereitungsstufen und Prozessbedingungen auf die Bleichbarkeit und die Effektivität weiterer nachgeschalteter Reinigungsprozesse auf die Alt- papierstoffqualität
Der 2. Teil widmete sich der Untersuchung und Bewertung der durchlaufenen Aufberei- tungsstufen Flotation, Bleiche und Dispergierung im Hinblick auf das mögliche Bleichpoten- zial und dessen Beeinflussung sowie die Auswirkungen eines jeden Verbesserungsschritts auf die nachfolgenden Reinigungsstufen. Hierbei wurde mit eingedickten und entwässerten Faserstoffen aus industriellen Deinkinganlagen (DIP) gearbeitet, wobei die Proben bei -30°C lagerten.
Durch Variation der Abfolge der Verfahrensschritte Flotation und Bleiche wurden zunächst Aussagen über den Einfluss im Faserstoff verbliebener Druckfarbenpartikel auf das Bleich- potenzial und über den Einfluss der Bleiche auf eine nachfolgende Flotation getroffen. Zu- dem wurde aufgezeigt, inwieweit in industriellen Anlagen das Potenzial der 1. Flotationsstufe zur Weißgradsteigerung genutzt wird. Die Flotation erfolgte klassisch alkalisch. Gebleicht wurde oxidativ mit Wasserstoffperoxid und reduktiv mit Natriumdithionit bzw. FAS.
Dabei ergab sich:
• Die Verfahrensabfolge Flotation/H2O2-Bleiche und H2O2-Bleiche/Flotation führte im Labor bei den verschiedenen Proben zu vergleichbaren Endergebnissen hinsichtlich der opti- schen Eigenschaften.
50 55 60 65 70
B2 B1
DIP
Weißgrad (%)
unbehandelt + Bleiche
+ Bleiche + Flotation + Flotation + Flotation + Bleiche
Abb. 2: Erzielte Weißgrade unter Variation der Prozess-Schritte Flotation und H2O2-Bleiche bei DIP B2 und DIP B1
• Die höchsten und kosteneffizientesten Weißgradsteigerungen wurden durch den Pro- zess-Schritt Flotation erzielt. Das Potenzial der 1. Flotationsstufe wird in den industriellen Deinkinganlagen häufig nur unzureichend genutzt. Deren Optimierung im Hinblick auf die Erzeugung von DIP für aufgebesserte Sorten könnte zu Kosteneinsparungen führen.
• Durch die reduktive Bleiche mit Natriumdithionit konnten im Labormaßstab nur minimale Weißgradgewinne erzielt werden. An einem Beispiel ergaben sich mit FAS die besten Ergebnisse.
52 57 62 67 72
FAS Peroxid
Bleiche
Weißgrad (%)
unbehandelt + Bleiche
+ Flotation + Flotation + Bleiche
Abb.3: Erzielte Weißgrade durch FAS- und Wasserstoffperoxid-Bleiche von DIP B1
Ein Vergleich der Untersuchungen mit verschiedenen Stoffen aus Deinkinganlagen nach der 1. Flotation ergab Folgendes:
• Eine unzureichende Druckfarbenentfernung in der 1. Flotationsstufe kann den maximal möglichen Weißgradgewinn, der durch eine der Dispergierung nachgeschaltete 2. Flota- tion erzielbar ist, verringern.
50 55 60 65 70
B2 B1 A1 A2 A3
Weißgrad (%)
Flotation DIP Bleiche Flotation
Abb. 4: Einfluss des Restdruckfarbengehalts nach der Flotation auf die Weißgradentwick- lung durch Dispergierung und anschließende Flotation
4.3 Ermittlung der optimalen Einsatzmengen an Chemikalien beim Deinken und der Bleiche in Abhängigkeit von der Altpapierzusammensetzung
Die in industriellen Deinkinganlagen eingesetzten Mengen an Chemikalien (Natronlauge, Wasserglas, Wasserstoffperoxid und gegebenenfalls anderen Bleichchemikalien) unter- scheiden sich – selbst bei vergleichbaren Anforderungen an die Stoffqualität – zum Teil er- heblich. Da mit geringeren Dosiermengen durchaus höhere Weißgrade des deinkten Fertig- stoffs erzielt werden können, diente der 3. Teil der Arbeiten dazu, die optimalen Chemika- lieneinsatzmengen in den Prozess-Schritten Flotation und Bleiche in Abhängigkeit von der Altpapierzusammensetzung im Labormaßstab zu ermitteln. Die Untersuchungen sollten zei- gen, bei welcher Altpapierzusammensetzung mit welchen Deinkingchemikalieneinsatz ein optimaler Druckfarbenaustrag in der 1. Flotationsstufe gewährleistet ist, welche optischen Eigenschaften und Reinheiten erwartet werden können und welches Bleichpotenzial gege- ben ist. Es wurden drei Altpapiermischungen, bestehend aus Zeitungen und Illustrierten untersucht. Bei der Deinkingrezeptur wurde von minimalen, durchschnittlichen und maxima- len in der Praxis anzutreffenden Einsatzmengen ausgegangen. Die Bleiche erfolgte oxidativ mit Wasserstoffperoxid, wobei zwei verschiedene Rezepturen angewendet wurden.
Aus den Ergebnissen der Versuchsreihe zur Bestimmung der optimalen Chemikalien- einsatzmengen in den Prozess-Schritten klassisch alkalische Flotation und Wasserstoffpe- roxidbleiche ergab sich Folgendes:
• Die in industriellen Anlagen typischerweise verwendete Deinkingrezeptur führte unab- hängig von der Altpapierzusammensetzung zu einem optimalen Flotationseffekt hinsicht- lich der Weißgradsteigerung.
• Hohe Anteile an Illustrierten und Zeitschriften im Altpapier hatten die Vorteile, dass der Chemikalienbedarf zur Erreichung bestimmter Qualitätsnormen geringer und die opti- sche Reinheit des DIP besser waren.
• Die Bleiche bewirkte stets eine Verbesserung der optischen Reinheit. Die gewählten Standardbedingungen bei der Bleiche waren aus Kosten-Nutzen-Sicht den Maximalbe- dingungen überlegen, wobei generell das Bleichpotenzial mit steigender H2O2-Dosierung bei der Zerfaserung sank.
• Bei überdurchschnittlicher Chemikaliendosierung beim Deinken und der anschließenden Bleiche hatte die Altpapierzusammensetzung keinen Einfluss auf die erzielten Endweiß- grade. Der steigende Anteil an holzhaltigen, ungebleichten Fasern im Altpapier konnte durch einen höheren Chemikalieneinsatz kompensiert werden.
5 Zusammenfassung
Um den Einfluss der Aufbereitungsstufen und ihrer Betriebsbedingungen auf die Bleichbar- keit und die Effektivität weiterer nachgeschalteter Reinigungsprozesse auf die Altpapierqua- lität zu untersuchen, wurden Altpapierstoffe aus industriellen Deinkinganlagen vor der Dispergierung und nach der Nachflotation entnommen. Untersucht und bewertet wurden die Verfahrensstufen Flotation, Bleiche und Knetdispergierung. Die Ergebnisse zeigten, dass die höchsten und kostengünstigsten Weißgradsteigerungen durch die Flotation zu erzielen sind.
Das Potenzial der 1. Flotationsstufe wird in industriellen Deinkinganlagen mit einem 2-Loop- System innerhalb der Altpapieraufbereitungsanlage jedoch meist nur unzureichend genutzt.
Deren Optimierung im Hinblick auf die Erzeugung von Deinkingstoff für aufgebesserte Sor- ten könnte zu deutlichen Kosteneinsparungen führen. Eine unzureichende Druckfarbenent- fernung in der 1. Flotationsstufe kann zudem die Effektivität weiterer Reinigungsstufen ne- gativ beeinflussen.
Aus den Ergebnissen zur Bestimmung der optimalen Chemikalieneinsatzmengen in der Pro- zess-Folge klassisch alkalische Flotation und Wasserstoffperoxidbleiche ergab sich, dass höhere Weißgrade durch eine optimale Anpassung der Deinkingchemikalien kostengünsti- ger zu erzielen sind als durch eine Bleiche. Unabhängig von der Altpapierzusammensetzung ist bei der Aufbereitung von Deinkingstoff für die Zeitungsdruckpapierherstellung eine Blei- che nicht erforderlich. Bei höheren Anforderung an die optischen Eigenschaften für den Ein- satz bei aufgebesserten Sorten, muss der deinkte Stoff jedoch gebleicht werden. Hohe An- teile an Illustrierten und Zeitschriften im Altpapier verlangten zur Erreichung der geforderten Qualität einen niedrigeren Chemikalienbedarf. Durch die Verarbeitung höherwertiger Altpa- piersorten kann somit der Chemikalieneinsatz beim Deinken und Bleichen reduziert werden.
Berücksichtigt man allerdings neben den Chemikalienkosten auch die Altpapierkosten, so wird deutlich, dass bei höheren Anforderungen an den Weißgrad mit Deinkingware die Ge- samtaufwendungen niedriger liegen als bei Altpapiermischungen mit höherem Illustrierten- anteil, die ja den Einsatz von höherwertigen Altpapiersorten, wie z.B. Multidruck, notwendig macht.
6 Ausblick
In der BRD wird derzeit knapp ein Viertel des eingesetzten Altpapiers in Deinkinganlagen aufbereitet - überwiegend für die Herstellung von Zeitungsdruckpapieren. Die Erweiterung des Einsatzbereiches von deinktem Altpapierstoff vor allem bei SC- und LWC-Papieren birgt nach wie vor ein erhebliches Potenzial für weitere Kostenreduzierungen - Einsparungen im Bereich der Stoffkosten in der Größenordnung von bis zu 10 % erscheinen grundsätzlich möglich. Aber auch die Aufbereitung der Altpapierstoffe selbst bietet, insbesondere im Hin- blick auf die Bleiche, noch erhebliche Möglichkeiten zur Verbesserung der Wirtschaftlichkeit.
Die durchgeführten Analysen haben gezeigt, dass die Erhöhung des Weißgrades der deinkten Stoffe nicht notwendigerweise mit der gleichzeitigen Erhöhung des Chemikalien- einsatzes und damit der Kosten verbunden ist. Die optimale Abstimmung und Dosierung der erforderlichen Prozesschemikalien, der Verzicht auf wenig oder nicht wirksame Mittel und die optimale Führung der Prozesse sind die Voraussetzungen für weitere wirtschaftliche Qualitätsverbesserungen.
Danksagung
Das Forschungsvorhaben AiF 11873 wurde durch die Arbeitsgemeinschaft industrieller For- schungsvereinigungen e.V. (AiF), Köln, mit finanziellen Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft (BMWi), Berlin, gefördert. Dafür sei an dieser Stelle gedankt.
Literatur
1 RENNER K., PUTZ H.-J. u. L. GÖTTSCHING
Druckfarbenpartikel-Bilanzierung in industriellen Deinkinganlagen Das Papier 49, V48- V56 (1995) Nr. 10A
2 INGEDE-Projekt 47 96 PTS
Charakterisierung von Altpapierstoffen durch vergleichende Untersuchungen in IN- GEDE-Mitgliedsfirmen
3 INGEDE-Projekt 63 98 PTS
Charakterisierung von Altpapierstoffen durch vergleichende Untersuchungen in IN- GEDE-Mitgliedsfirmen
4 GROSSMANN H. u. R. KLEIN
Aktuelle Qualitätsprobleme deinkter Altpapierstoffe Das Papier 51, V80-V86 (1997), Nr. 6A
Weitere Informationen: E.Hanecker@ptspaper.de Autor:
Dr. E. Hanecker PTS München Hess-Str. 134 807907 München Tel 089/12146-95 Fax 089/12146-36
