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Titel
Ultraschallbehandlung von Naturfasern in der Faserstoffsuspension zur Papier- produktion
T. Brenner, H. Großmann, T. Arndt
Inhalt
1 Zusammenfassung 2
2 Abstract 3
3 Einleitung 6
4 Versuchsdurchführung 9
4.1 Analytik der Faserstoffe und Papiere 9
4.2 Versuchsanlagen zur Beschallung von Faserstoffsuspension mit Ultraschall 11
4.3 Technikumsrefiner 12
5 Änderung der Fasermorphologie und der Papiereigenschaften durch Behandlung
der Faserstoffsuspension mit Ultraschall 13
5.1 Ultraschallbehandlung von graphischem Altpapier im diskontinuierlichen und
kontinuierlichen Betrieb (Batch- und Durchflusszelle) 13
5.2 Ultraschallbehandlung von Altpapier der unteren Sortengruppen in der kontinuierlichen
Durchflusszelle 16
5.3 Vergleich von gemahlenem und mit Ultraschall behandeltem Faserstoff zur Erzeugung von Verpackungspapier 17 5.4 Ultraschallbehandlung von Kurzfaserzellstoff (ungemahlener Eukalyptus-Sulfatzellstoff) in
der kontinuierlichen Durchflusszelle 18
5.5 Untersuchungen zur Variation der Schallintensität und der Amplitude der
Ultraschallsonotrode 21
6 Messung der Kavitation 25
6.1 Optische Bewertung des Kavitationsfeldes 25
6.2 Messung der akustischen Kavitation mit metallischen Prüfkörpern 26 7 Einsatz von Einjahrespflanzen bei der Produktion von Verpackungspapieren 28
7.1 Mahlung von Einjahrespflanzenfaserstoffen 29
7.2 Substitution von rezykliertem Faserstoff durch Einjahrespflanzenfaserstoffe 30
Glossar 33
Ansprechpartner für weitere Informationen 33
Beteiligte Forschungsinstitute 34
Literaturverzeichnis 35
1 Zusammenfassung
Thema Ultraschallbehandlung von Einjahrespflanzen, faserhaltigen Rückständen aus der Landwirtschaft und holzbasierten Faserstoffen in einer Suspension zur Nut- zung als Rohstoff bei der Papierproduktion und der Biogasgewinnung.
Ziel des Projektes
Im Rahmen des EU-Projekts „SONOPULP“ bestand das Forschungsziel in der Entwicklung eines Prozesskonzeptes zur Erzeugung von Papierfaserstoff aus Einjahrespflanzen und pflanzlichen Rückständen aus der Landwirtschaft mittels kavitationserzeugender Prozesse. Die dabei anfallenden Nebenprodukte sollten einer weiteren Nutzung zugeführt werden und das erarbeitete Prozesskonzept unter ökologischen, logistischen und sozioökonomischen Aspekten bewertet werden.
Ziel der Arbeiten der deutschen Projektpartner war die Ermittlung und Bewertung der Möglichkeit, das Festigkeitspotenzial von primären und rezyklierten Faser- stoffen im Rahmen der Stoffaufbereitung mittels Ultraschallbehandlung so zu beeinflussen, dass die daraus hergestellten Verpackungspapieren zumindest den üblichen Anforderungen genügen.
Einsatz von Einjahres- pflanzen in Verpackungs- papier
In dem erarbeiteten Prozesskonzept zum Aufschluss von Einjahrespflanzen mit- tels kavitationserzeugender Prozesse konnten Faserstoffe aufbereitet werden, die bei der Produktion von Verpackungspapieren, einen Teil des konventionellen holzfaserbasierten Faserrohstoffes ersetzen konnten. Mehrere Festigkeitsanfor- derungen an Verpackungspapiere konnten durch die Nutzung von
Einjahrespflanzen übertroffen werden. Die Nebenprodukte des Aufschlusspro- zesses erwiesen sich als für die Erzeugung von Biogas geeignet, wobei
insbesondere die Nutzung dieser Nebenprodukte als Co-Substrat im Gärmedium sinnvoll ist.
Mahlung rezyklierter Faserstoffe mit Ultraschall
Bei rezyklierten, für die Produktion von Verpackungspapieren eingesetzten Fa- serstoffen wurde mit der Ultraschallbehandlung eine gleich hohe Steigerung des Festigkeitspotenzials erzielt wie mittels einer konventionellen Mahlung - bei ähn- lichem spezifischem Energiebedarf. Die bei der Mahlung üblicherweise
auftretenden negativen Eigenschaftsveränderungen (Erhöhung des Entwässe- rungswiderstandes und Kürzung der Fasern) erfolgte bei der
Ultraschallbehandlung in einem geringeren Maß.
Mahlung
Primärfaserstoffe mit Ultraschall
Die Anwendung der Ultraschalltechnologie bei Primärfaserstoffen auf Basis Holz erbrachte nur geringe technologische Vorteile. Insbesondere die mittels Mahlung erzielbare Steigerung des Festigkeitspotenzials kann mittels Ultraschallbehand- lung nicht erreicht werden.
Nutzen und wirtschaftliche Bedeutung des Forschungsthem as für kleine und mittlere
Unternehmen (kmU)
Die Verfügbarkeit einer breiteren Basis an Faserrohstoffen würde es der Papier- industrie ermöglichen, flexibler auf Preisschwankungen bei den konventionellen Faserrohstoffen zu reagieren. Kleine Papierfabriken leiden aufgrund ihrer gerin- gen Marktmacht und der damit fehlenden Möglichkeit, adäquate Produktpreisen durchzusetzen, deutlich stärker unter schwankenden Rohstoffpreisen. Aufgrund der lokal begrenzten Verfügbarkeit von Einjahrespflanzen, ist deren Einsatz als Faserrohstoff vorrangig für kleine Papierfabriken nahe dem Ort der Erzeugung des Faserrohstoffs lohnend, so dass vor allem kmU geprägte Papierfabriken klei- ne und mittlere Papierfabriken davon profitieren könnten.
Der Aufschlussprozess wird vorrangig in kleinen Anlagen realisiert, die ihrerseits insbesondere von kleinen und mittleren Maschinenbauern gefertigt werden.
Danksagung Das Forschungsvorhaben IGF 28 EBG der AiF-Forschungsvereinigung PTS wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Tech- nologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.
Dafür sei an dieser Stelle herzlich gedankt.
Unser Dank gilt außerdem den beteiligten Firmen der Papierindustrie sowie des Maschinenbaus und der Biogaserzeugung für die Unterstützung der Arbeiten.
2 Abstract
Topic Ultrasonic treatment of annual plants, fibrous wastes from agriculture and wood- based pulps in a suspension for use as a raw material for paper production and biogas production
Project objective The research objective aimed at developing a process concept for producing pa- per pulp from annual plants and plant-related agricultural residues by means of cavitation-producing processes. The resultant by-products are to be channelled toward reutilisation and the developed process concept evaluated under ecologi- cal, logistical and socio-economic aspects.
The aim of the German portion of the research project was to increase the strength of paper by improving the strength potential of pulps made of virgin and recycled fibres by using ultrasonic in the pulp suspension in the stock preparation section of a paper mill.
Pulping of natural fibres by cavitation
The developed process concept for pulping annual plants by means of cavitation- producing processes allowed pulps to be prepared that were able to replace some of the conventional fibrous raw material in the production of wood-
fibrebased packaging paper. Some of the strength requirements for pulps for the production of packaging paper were even exceeded by the pulps produced from annual plants. The by-products of the pulping process proved to be suitable for the generation of biogas, especially when used as a co-substrate in the fermen- tation medium.
Refining of recycled pulps with ultrasound
In the case of recycled pulps for packaging paper, ultrasonic treatment achieved an increase in strength potential that was equal to conventional refining – with similar specific energy requirements. The negative changes in properties caused by refining (increased drainage resistance and shortened fibres) occurred to a lesser extent in ultrasonic treatment.
Refining of virgin pulp with
ultrasound
The use of ultrasonic technology for wood-based virgin pulps offers only few technological advantages. Ultrasonic treatment cannot achieve the increases in strength potential that refining is capable to achieve.
Benefits and economic relevance of this research subject for small and medium sized enterprises (SMEs)
Papermakers need to have an as broad as possible supply of fibrous raw materi- als in order to become less dependent on the price fluctuations of conventional fibrous raw materials. Small paper mills suffer far more from fluctuating or rising raw material prices owing to their limited market power and thus their inadequate enforcement of adequate product prices. Due to the local availability of pulps made from annual plants, their use as a fibrous raw material is imperative and lu- crative for small paper mills close to the site of annual plant pulp production so that small and medium sized paper mills in particular will profit.
The pulping process will be implemented primarily in small facilities manufac- tured in particular by the small and medium sized machine-building industry.
Acknowledge- ments
Research project IGF 28 EBG of the PTS Paper Technology Research Associa- tion (AiF) was funded by the German Federal Ministry of Economics and Technology through the German Federation of Industrial Cooperative Research Associations (AiF) within the scope of the "Industrial Co-operative Research"
(IGF) promotion programme based on a decision of the Bundestag. We would like to express our gratitude for this support.
We would also like to express our appreciation to the participating companies in the paper, mechanical engineering and biofuel production industries for their support during the project.
3 Einleitung
Faserbehandlung – konventionelle Methoden
Die Eigenschaften von Faserstoffen zur Papierherstellung müssen speziell auf das angestrebte Produkt angepasst werden. Die Festigkeit des gebildeten Pa- piers ist dabei meist das Zielkriterium, da das Festigkeitspotential und die Bindungskraft zwischen den Einzelfasern von zentraler Bedeutung sind. Das gilt sowohl für graphische Papiere als auch für Verpackungspapiere. Der Trend zu höheren Maschinengeschwindigkeiten und geringeren flächenbezogenen Massen erfordert höhere Festigkeit bei gleichzeitiger Gewährleistung der Lauf- eigenschaften und angemessenem Verarbeitungsverhalten des Papiers.
In Abhängigkeit vom Aufschlussverfahren haben Zellstoffe ein hohes initiales Festigkeitspotenzial, das durch eine geeignete Faserbehandlung weiter ge- steigert werden kann. Im Vergleich dazu, haben rezyklierte Fasern, besonders von Altpapieren der unteren Sortengruppe, bereits mehrfach den Prozess der Papierherstellung durchlaufen, wodurch sie über ein geringeres Festigkeitspo- tential verfügen. Mit zunehmender Zahl an Prozesszyklen und
Wiederaufbereitungsschritten treten folgende Probleme und Effekte auf:
Verhornung der Fasern durch die zyklischen Verdichtungs- und Trock- nungsprozesse. Das manifestiert sich in Form einer reduzierten
Quellungskapazität, Flexibilität und folglich auch der Bindungsfläche zwi- schen den Fasern (interfibrilläre Wechselwirkungen) [1],
Mechanische Zerstörung der Fasern, beispielsweise durch die Mahlung, die eine Faserkürzung und Feinstoffbildung zur Folge hat [2],
Steigender Gehalt an anorganischen Materialien im rezyklierten Papier und Altpapierfaserstoff, sowie ansteigender Gehalt an Kontaminationen [3].
Die Mahlung von Fasern hat einen entscheidenden Einfluss auf die Fasermor- phologie und somit die Papierqualität. Eine Mahlung des Faserstoffes in Refinern hat meist einen Anstieg der Festigkeit und der Papierdichte zur Folge.
Gleichzeitig werden die Quellungskapazität der Fasern und deren Bindungsflä- che erhöht.
Mahlung Der Energiebedarf für die Mahlung macht einen erheblichen Teil des Gesamt- energiebedarfs der Stoffaufbereitung und Papiererzeugung aus [4]. Im
Vergleich zu andern Aufbereitungsschritten ist die Mahlung (bis zu 200 kWh/t, bei Spezialpapieren auch weit darüber) der mit Abstand energieintensivste Prozess innerhalb der Stoffaufbereitung, zusammen mit der Entstippung (bis zu 60 kWh/t) und Dispergierung (bis zu 150 kWh/t) [5]. Der Energieaufwand für ein chemisch aufgeschlossenen Faserstoff variiert von 80 kWh/t für Kurzfaserzell- stoffe bis zu 200 kWh/t für Langfaserzellstoffe [6]. Eine weitere wichtige Einflussgröße für die Fasereigenschaften neben dem spezifischen Energieauf- wand ist die so genannte Kantenbelastung bei der Mahlung in Refinern.
Ein erheblicher Anteil (nahezu 90 %) des Energiebedarfs der Mahlung wird nicht für die Behandlung der Fasern verwendet, sondern in Wärme umgewan- delt. Die Energieeffizienz des Mahlungsprozesses ist somit außerordentlich niedrig.
Die Wiederaufbereitung von Altpapier hat u. a. das Ziel, das Potential von Alt- papierfaserstoffen zu reaktivieren. Zu diesem Zweck müssen gegebenenfalls auch rezyklierte Fasern - meist in Scheiben- oder Kegel-Refinern – gemahlen werden. Der Prozess der Mahlung hat nicht nur eine Fibrillierung sondern auch eine Kürzung der Fasern sowie die Bildung von Feinstoff zur Folge [7], die po- sitiv für die Formation aber negativ für die Entwässerung und die dynamischen Festigkeiten sind.
Da die mit der Mahlung angestrebte Verbesserung des Bindungsvermögen durch die Vergrößerung der spezifischen Oberfläche jedoch für die Qualität des fertigen Papiers von hoher Bedeutung ist, werden alternative, energieeffiziente- re Verfahren gesucht. Der Einsatz von Hochleistungs-Ultraschall könnte eine solche Alternative darstellen.
Untersuchungen zur Ultraschall- mahlung
Beginnend mit den frühen 1950er Jahren haben Wissenschaftler und Papier- macher den Einsatz von Ultraschall für die Papiermahlung untersucht. Studien haben gezeigt, dass der Einsatz von Ultraschall folgende Auswirkungen auf die Eigenschaften von Faserstoffen haben kann [8,9,10,11,12]:
- Anstieg der Faserfibrillierung,
- Bildung von bindungsaktiven Feinstoff und Fibrillen, - Anstieg der Faser- und Füllstoffretention,
- Anstieg der Quellungskapazität oder Wasserabsorption, - Anstieg der Papierfestigkeit (Tensile-Festigkeit),
- Reduzierte oder keine Kürzung der Fasern.
Frühere Laboruntersuchungen zeigten die besten Ergebnisse bei Faserstoffen, die zuvor behandelt wurden. z. B. in Form einer Vormahlung bei niedrigen E- nergiebedarf und anschließender Ultraschallbehandlung. Die Mehrzahl dieser Untersuchungen ergaben leider, dass die Anwendung von Ultraschall mit rela- tiv hohen, häufig sogar noch höheren Energiebedarf verbunden ist als die konventionelle Mahlung [11].
Kavitation Ein typisches Phänomen bei der Erzeugung von starken Ultraschallfeldern in Flüssigkeiten ist die akustische Kavitation. Die meisten Effekte, die bei der Fa- serstoffbehandlung mit Ultraschall beobachtet werden, können auf die
Kavitation zurückgeführt werden. Kavitation wird als Bildung und Kollaps von Gas- oder Dampfblasen in Flüssigkeiten bezeichnet, die durch den dynamisch alternierenden Druck der Ultraschallwelle verursacht werden. Abhängig vom Blasengehalt wird eine Unterscheidung zwischen den zwei vorherrschenden Fällen eingeführt: Gaskavitation (weiche Kavitation) und Dampfkavitation (harte Kavitation). Dampfkavitation entsteht bei hohen alternierenden Drücken und verursacht Blasen, deren Kollaps deutlich schneller und intensiver abläuft als bei der Gaskavitation. Die enorme Kompression der Blasen verursacht lokale Schockwellen mit Drücken von über 100 MPa und Temperaturen von über 1000 K [13,14]. Diese Schockwellen sind dann für mechanische Effekte wie Materialerosion durch Scherkräfte der Flüssigkeit und so genannte Blasen-Jets verantwortlich.
Die Ausprägung und das Ausmaß der Kavitation hängen hauptsächlich von den Parametern des Ultraschallfeldes ab und werden durch Frequenz, Schall- wellenamplitude, Energiebedarf, Druck, Temperatur und Medieneigenschaften beeinflusst [15,16,17,18]. Bei hohen Frequenzen (>10³ kHz) wird die Kavitation durch die Medienträgheit abgeschwächt oder unterdrückt [19]. Blasen können bei geringeren Frequenzen (20-500 kHz) zu größeren Blasen anwachsen, wo- durch sie energischer kollabieren. Höhere Schallwellenamplituden und größere Druckunterschiede generieren ebenso größere Blasenradien. Generell steigen der Energiegehalt der Blasen und folglich auch der durch den Kollaps verur- sachte Effekt mit steigendem Radius der Blasen. Der statische
Umgebungsdruck wirkt in zweierlei Art und Weise. Ein höherer Druck resultiert in einem höheren Partialdruck in der Blase und mildert den Kollaps. Anderer- seits steigt der energetische Gehalt der Blase, wenn deren Radius gleichbleibt und intensiviert den Kollaps und seine Effekte [20].
Abb. 1 Modell der Implosion einer Kavitationsblase in der Nähe einer Oberfläche [21]
Forschungsziel Ziel der Arbeit der deutschen Projektpartner (Arbeitspaket 4) war die Erhöhung der Festigkeit von Papier durch die Verbesserung des Festigkeitspotenzials von Faserstoff aus Frischfasern und rezyklierten Fasern durch Anwendung von Ultra- schall in der Faserstoffsuspension im Bereich der Stoffaufbereitung der
Papierfabrik.
4 Versuchsdurchführung
4.1 Analytik der Faserstoffe und Papiere
Charakteri- sierung
Für die Untersuchungen in AP4 wurden an den Faserstoffen sowie den Papieren folgende Analysen durchgeführt Tab. 1 und Tab. 2.
Tab. 1 Charakterisierte Faserstoffeigenschaften
Faserstoff
Eigenschaften Standard Einjahres-
pflanzen
Primär- fasern
Altpa- pier Fasermorphologie (FiberLab):
Faserlänge, Wanddicke, Faser- durchmesser, Feinstoffanteil, Curl- Index
ISO 16065-1:2001 x x x
Wasserrückhaltevermögen ZM IV/33/57 x x x
Entwässerungswiderstand (Schop-
per Riegler) DIN ISO 5267/1:2000 x x x
Asche 525°C im Ausgangsstoff [%] ISO 1762:2001 x
Asche 525°C in Rapid-Köthen La-
borblättern [%] ISO 1762:2001 x x x
Porengrößenverteilung mit Diffe- renz-Wärmestrom-Kalorimetrie (DSC),
in Anlehnung an [22] x
Grenzviskositätszahl ISO 5351-1:2010 x
Tab. 2 Physikalische Analyse der Laborpapiere
Faserstoff
Eigenschaften Standard Einjahres-
pflanzen
Primär- fasern
Altpa- pier Herstellung der Laborblätter, Rapid
Köthen Methode ISO 5269-2:2004 x x x
Zugfestigkeit DIN EN ISO 1924–
2:2009 x x x
Tear Test (Brecht-Imset) DIN 53115:2008 x x x
Berstfestigeit ISO 2758:2001 x x
Biegesteifigkeit DIN 53121:2008 x x
Plybond Festigkeit DIN 54516:2004 x
Scott-Bond Festigkeit T 569 pm-00:2000 x x
Stauchwiderstand nach Riffelung
(CMT) ISO 7263:2011 x x
Kompressionsfestigkeit (SCT) DIN 54518:2004 x x
Korrektur Festigkeitsmes- sung
Die Korrektur der an den Rapid Köthen Papieren gemessenen Festigkeitsei- genschaften erfolgte mit dem Test nach Grubbs.
Polymerisations- grad (DP)
Der Polymerisationsgrad von Cellulosemolekülen kann mithilfe der Grenzviskosi- tätszahl ermittelt werden. Bei dieser Messmethode wird die Cellulose zuvor aufgelöst und anschließend die Viskosität der Lösung bestimmt. Da die Viskosi- tät proportional zur Kettenlänge ist, kann diese Methode zur Beurteilung der Einzelfaserfestigkeit und der Faserschädigung herangezogen werden. Typische Werte der Grenzviskositätszahl betragen über 1.200 für ungebleichte Zellstoffe, 900 für gebleichte Nadelholzzellstoffe und 650 für gebleichte Laubholzzellstoffe.
Splittergehalt Die Bestimmung des Splittergehaltes erfolgte in einem Fraktioniergerät nach Brecht-Holl durch gravimetrische Bestimmung des ofentrockenen Rückstandes auf dem Sortierkriterium.
Die Bestimmung von Faserbündeln, die beim Aufschluss nicht in Einzelfasern zerteilt worden sind, erfolgt für Holzstoffe gemäß dem Zellcheming Merkblatt IV-1-66. Abweichend dazu wurde ein Sortierkriterium mit 0,7 mm Lochplatte ge- nutzt, gemäß Zellcheming Merkblatt V-18-62.
Rasterelek- tronische Aufnahmen
Die rasterelektronenmikroskopischen Aufnahmen erfolgten an der PTS mit dem Rasterelektronenmikroskop JSM-6510 der Fa. JEOL.
Lichtmikros- kopische Aufnahmen
Für lichtmikroskopische Aufnahmen der Faserstoffproben wurde an der PTS das Mikroskop VHX-500F in Verbindung mit der 3D-Einheit VHX-S15 der
Fa. Keyence eingesetzt. An der TU Dresden wurden Mikroskopiebilder mit einem DM4000B der Fa. Leica gewonnen.
4.2 Versuchsanlagen zur Beschallung von Faserstoffsuspension mit Ultraschall Versuchsanlagen Für die Beschallung von Faserstoffsuspension wurden drei Versuchsstände ein-
gesetzt. Zum einen ein diskontinuierliches System (Batch-Zelle) sowie zwei kontinuierlich arbeitende Systeme mit Durchflusszelle. Das diskontinuierliche System (Abb. 2) wurde in Zusammenarbeit mit der Fa. Ingo Jänich Ultraschall + Technologien konzipiert und ist geeignet für die Beschallung von maximal 1 Liter Volumen und einem statischen Druck von bis zu 5 bar, der durch Druckluft er- zeugt wird. In den Untersuchungen wurde ein Kunststoffbecher mit 400 ml Volumen eingesetzt (Höhe ca. 80 mm). Durch die Ausführung als Glaszelle kann der Beschallungsvorgang visuell verfolgt werden.
Zwei kontinuierliche Systeme wurden sowohl an der TU Dresden als auch an der PTS eingesetzt (Abb. 3, Abb. 4). In den Anlagen können Faserstoffsuspensionen mit einem Volumen zwischen 3 bis 7,5 Liter behandelt werden. Der statische Druck ist im Bereich von 0 bis 5 bar regelbar und wird durch Druckluft in das System eingebracht. Die kontinuierlichen Beschallungssysteme wurden von der Fa. Ingo Jänich Ultraschall + Technologien konzipiert, konstruiert und gebaut.
An Ultraschalltechnik wurde in allen Beschallungsanlagen jeweils ein UIP1000 der Fa. Hielscher Ultrasonics GmbH mit einer Frequenz von 20 kHz (+/- 1 kHz) und einer maximalen Leistung von 1000 W verwendet.
Abb. 2 Versuchanlage zur diskontinuierli- chen Ultraschallbehandlung von Faserstoffsuspensionen (Batch- Zelle, TUD)
Abb. 3 Versuchanlage zur kontinuierlichen Ultraschallbehandlung von Faser- stoffsuspensionen (Durchflusszelle, TUD)
Abb. 4 Versuchanlage zur kontinuierlichen Ultraschallbehandlung von Faser- stoffsuspensionen (Durchflusszelle, PTS)
Abb. 5 Verstärkungsbooster (links) und Ultraschallsonotrode (rechts), Fa.
Hielscher Ultrasonics GmbH
4.3 Technikumsrefiner
Technische Daten
Der Technikumsrefiner (Abb. 6) der PTS wurde zur Mahlung des Altpapierstoffes mit den folgenden Parametern betrieben:
- Garnitur: Scheibe, Garniturkonstante 0,273 km, Schnittwinkel 60°, Durchmesser 300 mm
- Stoffdichte: 4,5 %
- Spezifische Kantenbelastung: ca. 1,0 Ws/m
Technikums- refiner
Abb. 6 Technikumsrefiner PTS
5 Änderung der Fasermorphologie und der Papiereigenschaften durch Behandlung der Faserstoffsuspension mit Ultraschall
5.1 Ultraschallbehandlung von graphischem Altpapier im diskontinuierlichen und kontinuierlichen Betrieb (Batch- und Durchflusszelle)
Vorgehen Für die Untersuchungen zur Behandlung von Faserstoffsuspension mit Ultra- schall wurden zwei verschiedene Systeme (Batch-Zelle, Durchflusszelle) genutzt. Beide Systeme unterscheiden sich zum einen durch die Reaktorgeo- metrie und zum anderen durch die Art der Strömung. Bei der Batch-Zelle bildet sich eine durch den Ultraschall induzierte Strömung im Becherglas aus, bei der die Suspension von der Stirnfläche der Ultraschallsonotrode abströmt. Bei der Durchflusszelle wird hingegen die Suspension gezielt auf die Sonotrodenstirnflä- che geführt und die Sonotrode somit angeströmt.
Am Beispiel einer Faserstoffsuspension aus WFC (Wood free coated) Papier (rezyklierter Faserstoff) wurde einerseits die Reproduzierbarkeit der beiden Ult- raschallsysteme (Batch-Zelle, Durchflusszelle) als auch der direkte Vergleich der beiden Systeme untersucht.
Aus Voruntersuchungen zur Ultraschallbehandlung von rezyklierten Faserstoffen war bekannt, dass die Ergebnisse der automatisierten optischen Bewertung der Fasermorphologie im Gerät FiberLab bei den Altpapiersuspensionen keine deut- liche Änderung der Eigenschaften wie Faserwanddicke infolge der
Ultraschallbehandlung aufzeigte. Daher erfolgte bei den nachfolgenden Untersu- chungen neben der Bestimmung der Fasermorphologie am Ganzstoff auch die Bestimmung der Fasermorphologie an hyper-gewaschenem Stoff (gemäß IN- GEDE Methode 5).
Einen Überblick über die Untersuchungen gibt das Schema in Abb. 7.
FiberLab (after Hyper wash, INGEDE method 5)
Drainage resistance, WRV, FiberLab
Strength properties Fibres
Water
Disinte-
gration Dilution Ultrasonic treatment
Pulp Water
RK sheet
Pulp RK sheet Pulp
RK sheet
Hyper
wash Pulp *
Pulp *
Hyper-
wash Pulp *
Abb. 7 Schema der Untersuchungen zur Ultraschallbehandlung von graphischem Altpapier
Festigkeits- und Suspensionseige nschaften
In den Untersuchungen wurde eine Doppelbestimmung der unbehandelten Null- probe (NP), der Behandlung in der Durchflusszelle (K-1, K-2) sowie der
Behandlung in der Batch-Zelle (B-1, B-2) durchgeführt.
Die Steigerung der Zugfestigkeit betrug bei den vier Ultraschallbehandlungen durchschnittlich 14 % (Abb. 8). Der Entwässerungswiderstand wurde um durch- schnittlich 4 SR gesteigert (Abb. 9). Die geringe Steigerung des WRV weist darauf hin, dass der Faserstoff des WFC Papiers bei der Produktion nur gering gemahlen wurde, so dass die Primärwand der Fasern auch nach der Ultraschall- behandlung noch intakt ist und nur eine geringe Quellung zulässt.
Ultrasonication of fibre suspension, raw material recovered paper (WFC) - Variation US-reactor - BS2d34, p 0 bar,
I 35 W/cm², A 63 µm, SEC 525 kWh/t (net), c 20 g/l
0 10 20 30 40 50 60 70
NP-1 US_
K-1 US_
K-2 US_
B-1 US_
B-2 NP-2 Trial (treatment - no. of realisation)
Tensile-Index / Nm/g
NP … Neutral point, US … Ultrasound K … Flow cell, B … Batchzelle
Abb. 8 Tensile-Index von Papieren vor (NP) und nach der Ultraschallbehandlung(US) der
Faserstoffsuspension, grafisches Altpapier
Ultrasonication of fibre suspension, raw material recovered paper (WFC) - Variation US-reactor - BS2d34, p 0 bar,
I 35 W/cm², A 63 µm, SEC 525 kWh/t (net), c 20 g/l
0 10 20 30 40
NP-1 US_
K-1 US_
K-2 US_
B-1 US_
B-2 NP-2 Trial (treatment - no. of realisation)
Drainage resistance / SR
NP … Neutral point, US … Ultrasound K … Flow cell, B … Batchzelle
Abb. 9 Entwässerungswiderstand vor (NP) und nach der Ultraschallbehandlung (US) der
Faserstoffsuspension, grafisches Altpapier
Faser- morphologie
Die Faserlänge wird durch die Ultraschallbehandlung nicht beeinflusst (Abb. 11).
Am hyper-gewaschenem Stoff ist aufgrund des weitgehend eliminierten Fein- stoffs die Eigenschaftsänderung an den Fasern mit dem FiberLab besser detektierbar. Die Faserwanddicke (CWT) wird durch die Ultraschallbehandlung tendenziell verringert (Abb. 10). Dies kann durch das Aufstellen / Abscheren der äußeren Fibrillen der Faserwand erklärt werden. Diese externe Fibrillierung ist auch auf lichtmikroskopischen Aufnahmen sichtbar (Vergleich Abb. 12 und Abb.
13).
Ultrasonication of fibre suspension, raw material recovered paper (WFC) - Variation US-reactor - BS2d34, p 0 bar,
I 35 W/cm², A 63 µm, SEC 525 kWh/t (net), c 20 g/l
5 6 7 8
NP-1 US_
K-1 US_
K-2 US_
B-1 US_
B-2 NP-2 Trial (treatment - no. of realisation) Cell wall thickness (HW pulp), CWT / µm
0
NP … Neutral point, US … Ultrasound K … Flow cell, B … Batchzelle
Abb. 10 Faserwanddicke vor (NP) und nach der Ultra- schallbehandlung (US) der Faserstoffsuspen- sion, graphisches Altpapier, alle Proben wurden nach der INGEDE Methode 5 hyper-gewaschen
Ultrasonication of fibre suspension, raw material recovered paper (WFC) - Variation US-reactor - BS2d34, p 0 bar,
I 35 W/cm², A 63 µm, SEC 525 kWh/t (net), c 20 g/l
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0
NP-1 US_
K-1 US_
K-2 US_
B-1 US_
B-2 NP-2 Trial (treatment - no. of realisation) Average length weighted fibre contur length, (HW pulp) L(l)c / mm
NP … Neutral point, US … Ultrasound K … Flow cell, B … Batchzelle
Abb. 11 Faserlänge vor (NP) und nach der Ultraschall- behandlung (US) der Faserstoffsuspension, graphisches Altpapier
Abb. 12 Lichtmikroskopische Aufnahmen von graphi- schem Altpapier (WFC), Faserstoff, unbehandelt, nach der INGEDE Methode 5 hyper-gewaschen
Abb. 13 Lichtmikroskopische Aufnahmen von graphischem Altpapier (WFC), ,nach der Ultraschallbehandlung (Durchflusszelle), nach der INGEDE Methode 5 hyper-gewaschen
5.2 Ultraschallbehandlung von Altpapier der unteren Sortengruppen in der kontinuierlichen Durchflusszelle
Vorbemerkungen Vorausgehende Untersuchungen zeigten, dass hohe Schallintensitäten zu einer Steigerung des Festigkeitspotenzials von rezykliertem Faserstoff führen. Die bei sehr hoher Schallintensität auftretenden Effekte hinsichtlich des Verschleißes der Sonotrode lassen einen wirtschaftlichen kontinuierlichen Betrieb jedoch nur ein- geschränkt zu.
Parallele Untersuchungen zur Messung der Kavitation mit Aluminiumfolie (siehe Kapitel 6.2) zeigten, dass Kavitation auch bei sehr geringen Amplituden respek- tive Schallintensitäten auftritt. Die Amplitude wurde dabei im Bereich von 10 bis 28 µm (pkpk) variiert und die Schallintensität war geringer als 40 W/cm².
Festigkeits- potenzial
Aus Abb. 14 ist zu erkennen, dass die Festigkeit um durchschnittlich 14 % gesteigert werden kann. Die Dauer der Beschallung ist in den gezeigten Fäl- len gleich. Bei einer Amplitude von 10 µm und Umgebungsdruck ist eine Steigerung des Festigkeitspotenzials um 14 % mit einem spezifischen Ener- giebedarf von 25 kWh/t möglich.
Das Altpapier enthält neben Faserstoff auch anorganische Partikel. Diese werden beim Blattbildungsprozess zum Teil ausgewaschen, sowohl bei der Laborblattbildung als auch in der Siebpartie der Papiermaschine. Die anor- ganischen Partikel erschweren die Ausbildung von Zwischenfaserbindungen im Papiergefüge und verringern damit die Papierfestigkeit. Die Ultraschallbe- handlung bei Umgebungsdruck verringert den Glührückstand des Papiers bei 525°C nicht wesentlich, so dass die Änderung der Festigkeit vornehmlich auf die Änderung der Fasermorphologie zurückgeführt werden kann. Neben Fa- sern und anorganischen Partikeln sind auch Stärke und weitere Additive im Papier vorhanden, wobei der Einfluss der Ultraschallbehandlung auf diese Stoffe nicht weiter betrachtet wurde.
Suspensions- eigenschaften
Die Ultraschallbehandlung erhöht den Entwässerungswiderstand des Faser- stoffes um maximal 10 SR und das Quellvermögen um maximal 20 %. Die Faserlänge wird, im Unterschied zur Mahlung in Refinern, durch die Ultra- schallbehandlung nicht verringert.
Ultrasound treatment, fibre suspension,
Recovered paper (1.02+1.04) UDA-PTS, BS2d34, Q 3 l/min, FCInsert34
30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
SEC Netto / kWh/t
Tensile-Index / Nm/g
28 µm, 1 bar 10 µm, 1 bar 28 µm, 0 bar 10 µm, 0 bar
Abb. 14 Entwicklung des Tensile-Index von Rapid Köthen Blättern nach der Ultraschallbehandlung von Faserstoffsuspensionen (Rohstoff: Altpapier 1.02+1.04)
5.3 Vergleich von gemahlenem und mit Ultraschall behandeltem Faserstoff zur Erzeugung von Verpackungspapier
Vorgehen Für einen Vergleich des konventionellen Mahlverfahrens mit der Ultraschallbe- handlung von Faserstoff wurde das Altpapier für die Produktion von
Verpackungspapieren im Technikumsrefiner der PTS gemahlen und den Ergeb- nissen der Versuchsreihe aus Kapitel 5.2 gegenübergestellt.
Ergebnisse Den Vergleich zwischen Ultraschallbehandlung und konventioneller Mahlung von Altpapier der unteren Sortengruppe (1.02, 1.04) zeigen Abb. 15 und Abb. 16. Die Ultraschallbehandlung von Altpapiersuspensionen bewirkt einen Anstieg der Zugfestigkeit der gebildeten Blätter um 14 % mit einem spezifischen Energiebe- darf von weniger als 50 kWh/t sowie ein Anstieg des
Entwässerungswiderstandes um 4 SR.
Um einen ähnlichen Anstieg der Zugfestigkeit zu erreichen, wird bei der Mahlung im Scheibenrefiner mehr spezifische Energie benötigt, wobei der Entwässe- rungswiderstand um 13 Schopper Riegler gesteigert wird.
Dies bedeutet, dass der Einsatz von Ultraschall eine Möglichkeit darstellt, das Festigkeitspotential von Altpapier der unteren Sortengruppen zu steigern ohne dabei den Entwässerungswiderstand und damit die Geschwindigkeit der Blattbil- dung bzw. die Geschwindigkeit der Papiermaschine stark negativ zu
beeinflussen.
Comparison Refining (PTS-Refiner) vs.
Ultrasound (UDA-PTS), Recovered paper (1.02, 1.04)
20 25 30 35 40 45 50
0 20 40 60 80 100
SEC net / kWh/t
Tensile index / Nm/g
Ultrasound, 10 µm, 0 bar Refiner, 60°
+ 14%
+ 12%
Abb. 15 Entwicklung der Zugfestigkeit von Rapid Köthen Blättern nach der Mahlung von Faserstoff im Technikumsrefiner und nach der Ultraschallbe- handlung in der Durchflusszelle
Comparison Refining (PTS-Refiner) vs.
Ultrasound (UDA-PTS), Recovered paper (1.02, 1.04)
0 10 20 30 40 50 60 70 80
0 20 40 60 80 100
SEC net / kWh/t
Drainage resistance / SR
Ultrasound, 10 µm, 0 bar Refiner, 60°
+ 4 SR + 13 SR
Abb. 16 Entwicklung des Entwässerungs-widerstandes von Faserstoff nach der Mahlung in Technikums- refiner und nach der Ultraschallbehandlung in der Durchflusszelle
5.4 Ultraschallbehandlung von Kurzfaserzellstoff (ungemahlener Eukalyptus- Sulfatzellstoff) in der kontinuierlichen Durchflusszelle
Einfluss einer Ultraschallbe- handlung auf Suspensions- und Papier- eigenschaften
Wie Abb. 17 zeigt, resultiert aus der Ultraschallbehandlung kein Anstieg des Entwässerungswiderstandes. Auch die Faserlängenverteilung und die Faser- fibrillierung, gemessen mit dem FiberLab, zeigen keine Veränderungen. Aber wie in Abb. 18 dargestellt, erfolgt durch die Faserbehandlung mit Ultraschall ein An- stieg des Quellvermögens (WRV) des Faserstoffes. Das Quellvermögen korreliert mit der Papierfestigkeit (Zugfestigkeit).
Zusätzlich wurde durch die Ultraschallbehandlung ein Anstieg des Feinstoffan- teils erzielt, aus dem ein Anstieg der Zwischenfaserbindung im Fasernetzwerk resultiert (Abb. 20). Der Festigkeitsanstieg der Papiere wird deshalb hauptsäch- lich durch eine verbesserte Faserflexibilität und einem größeren Feinstoffanteil hervorgerufen.
Einfluss Ultraschall auf Faserstoff- morphologie
Die Faserlänge des Zellstoffs wird durch die Ultraschallbehandlung nicht verän- dert (Abb. 17). Der Anteil an Feinstoff im Faserstoff wird erhöht (Abb. 20).
Die elektronenmikroskopischen Aufnahmen (siehe Abb. 21 und Abb. 22) zeigen, dass die Ultraschallbehandlung auch beim Kurzfaserzellstoff eine rauere Faser- oberfläche und ein Aufreißen der äußeren Faserwand verursacht. Die
lichtmikroskopischen Aufnahmen der Fasersuspension zeigen keine großen Veränderungen der Fasern durch Ultraschallbehandlung (siehe Abb. 23 und Abb. 24).
UDA-TUD FC-Insert34, Eucalyptus globulus, no beating - Variation SEC - BS2d22, p 1 bar, I 135 W/cm², S 125 µm, SD 2 %
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0
0 1000 2000 3000 4000 5000 SEC / kWh/t
Averaged length weighted fibrelength (contour) L(l)c / mm
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
Drainage resistance / SR
L(l)c SR-value
Abb. 17 Ultraschallbehandlung von Primärfaserstoff (Eukalyptus) bei Variation des spezifischen Energiebedarfs, Faserlänge und
Entwässerungswiderstand
UDA-TUD FC-Insert34, Eucalyptus globulus, no beating - Variation SEC - BS2d22, p 1 bar, I 135 W/cm², S 125 µm, SD 2 %
0 10 20 30 40 50 60
0 1000 2000 3000 4000 5000
SEC / kWh/t
Tensile index / Nm/g
0 20 40 60 80 100 120
WRV / %
Tensile WRV
Abb. 18 Ultraschallbehandlung von Primärfaserstoff (Eukalyptus) bei Variation des spezifischen Energiebedarfs, Zugfestigkeit von Rapid Köthen Blättern und Wasserrückhaltevermögen des Faserstoffes
UDA-TUD FC-Insert34, Eucalyptus globulus, no beating - Variation SEC -
BS2d22, p 1 bar, I 135 W/cm², S 125 µm, SD 2 %
700 705 710 715 720 725 730 735 740 745 750
0 1000 2000 3000 4000 5000
SEC / kWh/t
Intrinsic viscosity / ml/g
Initrinsic viscosity
0
Abb. 19 Ultraschallbehandlung von Primärfaserstoff (Eukalyptus) bei Variation des spezifischen Energiebedarfs, Grenzviskositätszahl
UDA-TUD FC-Insert34, Eucalyptus globulus, no beating - Variation SEC -
BS2d22, p 1 bar, I 135 W/cm², S 125 µm, SD 2 %
0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0
0 1000 2000 3000 4000 5000 SEC / kWh/t
Cell wall thickness / µm
0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0
Fines(n)c / %
Cell wall thickness Fines
Abb. 20 Ultraschallbehandlung von Primärfaserstoff (Eukalyptus) bei Variation des spezifischen Energiebedarfs, Wanddicke und Feinstoffanteil
Abb. 21 Rasterelektronenmikroskopie eines Primär- faserstoffes (Eukalyptus), Rapid Köthen Blatt, keine Behandlung
Abb. 22 Rasterelektronenmikroskopie eines Primärfaser- stoffes (Eukalyptus), Rapid Köthen Blatt, nach Ultraschallbehand-lung mit SEC 4000 kWh/t
Abb. 23 Lichtmikroskopische Aufnahmen eines Primär- faserstoffes (Eukalyptus), Fasersuspension, keine Behandlung
Abb. 24 Lichtmikroskopische Aufnahmen eines Primär- faserstoffes (Eukalyptus), Fasersuspension, nach Ultraschallbehandlung mit SEC 4000 kWh/t
5.5 Untersuchungen zur Variation der Schallintensität und der Amplitude der Ultraschallsonotrode
Vorbemerkungen In den folgenden Untersuchungen wurde am physikalischen Limit für die Erzeu- gung von akustischer Kavitation, das mit zylindrischen Stabsonotroden
realisierbar ist, gearbeitet. Zu diesem Zweck wurden der Durchmesser der So- notrode und damit die Sonotroden-Oberfläche verkleinert, um eine
Ultraschallintensität von deutlich mehr als 100 W/cm² zu erreichen.
Versuchsplan Abb.13 zeigt den experimentellen Versuchsplan und den Ablauf der Versuche in der Batch-Zelle. Für eine Sonotrode mit einem Durchmesser von 18 mm wurde graphisches Altpapier (SC Papier nach Standard-Flotation (Ingede Methode 11)) verwendet. Bei den Untersuchungen wurden der Druck, die Ultraschallintensität und der spezifische Energiebedarf variiert.
RP
Desinte- gration s.c. 2,5%
Diluting
Ultrasound Batch cell
s.c. 2%
Pulp: Drainage resistance, WRV, FiberLab
RK-sheet: Strength properties
X
X X
Abb. 25 Überblick der Versuchsdurchführung zur Ultraschallbehandlung von Faserstoffsuspen- sionen mit hoher Intensität
Tab. 3 Versuchsplan für verschiedene Faserstoffsuspensionen bei diskontinuierlicher Ultraschallbehandlung mit hoher Amplitude und hoher Ultraschallintensität
Sonotr. Pulp Amplitude Pressure Intensity Spec. energy demand
mm - µm (pkpk) bar W/cm² kWh/t o.d. pulp
18 RP (SC paper, flot.) 142 5 267 500, 750, 1000
18 RP (SC paper, flot.) 142 3 191 500, 750, 1000
18 RP (SC paper, flot.) 142 1,5 121 500, 750, 1000
18 RP (SC paper, flot.) 142 0 60 500, 1000
10 RP (SC paper, flot.) 168 5 443 500, 750, 1000
10 RP (1.02, 1.04) 168 5 443 500, 1000
10 Eucalyptus globulus 168 5 443 500, 1000
Ergebnisse der Untersuchungen mit grafischem Altpapier
In der Versuchsserie mit einem grafischen Altpapier (SC Papier) mit der Ultra- schallsonotrode S18 führte die Ultraschallbehandlung zu einem Anstieg der Zugfestigkeit von maximal 10 % (Abb. 26). Und dies trotz des hohen spezifi- schen Energiebedarfs und der hohen Intensität. Die höchste
Festigkeitssteigerung wurde bei den Versuchen mit der Sonotrode S10 erzielt, die eine Intensität von 443 W/cm² erzeugen konnte.
Ultrasound treatment of fibre suspension, Batchzelle, SC paper, T 40°C, c 2%, BS2d18: 142 µm, BS2d10spec: 168 µm
0 5 10 15 20 25 30 35 40
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100
SEC / kWh/t
Tensile index / Nm/g
60 121 191 267 443
Intensity / W/cm²
< BS2d18 >< BS2d10S >
+ 10 % + 6 %
Abb. 26 Durch Ultraschallbehandlung (Batch-Zelle) erzielte Entwicklung der Zugfestigkeit von Rapid Köthen Blättern aus graphischem Altpapier bei Variation von Amplitude und Intensität
Ergebnisse der Untersuchungen mit hoher Intensität
Ergänzend zur ersten Versuchsserie mit dem grafischen Altpapier wurden mit der Sonotrode S10 in einer zweiten Versuchsserie zwei weitere Faserstoffe un- tersucht; ein Altpapier für Verpackungspapiere (Altpapiersorten 1.02, 1.04) und ein Primärfaserstoff (Eukalyptus-Sulfatzellstoff).
Der Anstieg der Zugfestigkeit nach einer Ultraschallbehandlung mit einer Intensi- tät von 440 W/cm² ist für Primärfaserstoff (Eukalyptus-Sulfatzellstoff) und Altpapier (1.02, 1.04) höher als für SC Papier (Abb. 27).
Bei dem Primärfaserstoff ist der Anstieg des Tensile-Indexes ähnlich hoch wie bei der Ultraschallbehandlung mit einer Amplitude von 123 µm oder einer Ultra- schallintensität von 120 W/cm². Die geringen Auswirkungen der
Ultraschallbehandlung auf Faserstoff zeigen sich auch beim Entwässerungswi- derstand und dem Wasserrückhaltevermögen. Auch die Biegesteifigkeit der Papiere, die vor allem für Verpackungskarton entscheidend ist, wird durch die Ultraschallbehandlung nicht wesentlich beeinflusst
Ultrasound treatment fibre suspension, Batch cell, BS2d10spec,
T 40°C, c 2%, y 168 µm, I ~440 W/cm², p 5 bar
0 5 10 15 20 25 30 35 40
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
SEC / kWh/t
Tensile index / Nm/g
SC paper RP (1.02,1.04) Eucalyptus Pulp
+24%
+10%
+24%
+20%
+ 6%
+12%
Abb. 27 Entwicklung der Zugfestigkeit von Rapid Köthen Blättern durch Ultraschallbehandlung (Batch-Zelle) hoher Intensität für verschiedene Faserstoffe
Bewertung Die Untersuchungen zeigen, dass die Behandlung von Faserstoffsuspensionen mit Kavitation, die eine zylindrische Ultraschall-Sonotrode erzeugt, nur begrenzt Auswirkung auf die Veränderung der Fasermorphologie und dementsprechend das Festigkeitspotential hat. Insbesondere existiert bei der akustischen Kavitati- on mit Stabsonotroden keine Intensitätsschwelle, ab der eine deutlich erhöhte Änderung der Fasermorphologie eintritt.
Die Untersuchungen der zweiten Versuchsserie mit der Sonotrode S10 wurden am physikalischen Limit der Ultraschallbehandlung mit Stabsonotroden durchge- führt. Zum einen kann die Schwingweite dieser Sonotroden nicht wesentlich über die in diesen Versuchen angewandten Schwingweite hinaus gesteigert werden, da dies zu Haarrissen in der Sonotrode und damit zu deren Zerstörung führt.
Außerdem verursacht die hohe Intensität eine starke Erosion an der Sonotrode- noberfläche.
6 Messung der Kavitation
Vorbemerkungen Neben den Untersuchungen zum Einfluss der Ultraschallbehandlung auf die morphologischen Eigenschaften von Faserstoffsuspensionen, wurden zwei Me- thoden zur Messung von akustischer Ultraschallkavitation genutzt.
Die erste Methode nutzt ein optisches Messsystem für eine quantitative Bewer- tung der Kavitation. Die zweite Methode verwendet Aluminiumfolie als metallischen Prüfkörper, um die mechanischen Auswirkungen der Kavitation zu messen.
6.1 Optische Bewertung des Kavitationsfeldes
Vorgehen Mit der High-Speed Kamera (Motion Analysing Microscop VW 6000 mit Keyence VH-Z00R (Real Zoom Lence), RZ 5 – 50x) der Fa. Keyence wurde de-ionisiertes Wasser (Temperatur: 20C) beschallt. Dass Kavitationsfeld unterhalb der So- notrode wurde seitlich mit weißem Licht angestrahlt und mit der Kamera aufgezeichnet. Die Flüssigkeit befand sich in einem Plastikgefäß (Höhe ca.
50 mm, Breite ca. 70 mm).
Der Kavitationsfeld wurde mit dem Ultraschallssystem UIP1000 der Fa. Hiel- scher Ultrasonics GmbH unter Verwendung der Sonotrode BS2d34, (D = 34 mm) und einer Eintauchtiefe der Sonotrode von 10 mm aufgezeichnet.
Kavitationsfeld in Abhängigkeit der Schwingweite / Intensität
Schwingweite 0 µm Schwingweite 10,4 µm Schwingweite 28,4 µm Intensität 0 W/cm² Intensität 10 W/cm² Intensität 30 W/cm²
10 mm 10 mm
10 mm
Abb. 28 Aufnahme des Kavitationsfeld unterhalb einer Ultraschallsonotrode, Links ohne Ultraschall/Kavitation, Mitte und Rechts mit Ultraschall gemäß obiger Tabelle Ergebnis Aus Abb. 28 ist ersichtlich, dass die Parameter Schallintensität respektive
Schwingweite das Kavitationsfeld ändern. Die hier genutzte Reaktorgeometrie weicht deutlich von der verwendeten Geometrie der Batch-Zelle als auch der Durchflusszelle ab. Die Aufnahmen lassen nur eine qualitative Bewertung zu.
Das Leuchten des Kavitationsfeldes wird durch das seitlich eingebrachte und an den Kavitationsblasen gebrochene Licht erzeugt und nicht durch die Sonolumi- neszens.
6.2 Messung der akustischen Kavitation mit metallischen Prüfkörpern
Vorgehen Ein Effekt der Kavitation ist die Bildung von sogenannten Mikrojets, die über eine sehr hohe Geschwindigkeit verfügen und eine Durchmesser von wenigen Mik- rometer haben.
Beim Auftreffen eines Mikrojet auf einer festen Grenzfläche, kann eine Erosion an der Oberfläche eines Feststoffes erfolgen. Außerdem verursacht Kavitation kurze Schockwellen, die ebenfalls die Materialoberflächen schädigen können.
Beispiele hierfür sind die unerwünschte Erosion in Pumpen oder an Schiffspro- pellern.
Im Projekt wurde eine Methode entwickelt, um akustische Kavitation in einer Fa- sersuspension zu messen. Die Ausdehnung und Intensität der Kavitation kann dabei visualisiert und quantitativ bewertet werden (Kavitationsindex). Diese Me- thode wurde zur Bewertung des Einflusses von Stoffdichte, Druck, Amplitude, Temperatur, Gasgehalt und Sonotroden- Durchmesser verwendet.
Versuchs- parameter
Für die experimentellen Untersuchungen wurden folgende Bedingungen ge- wählt:
Versuchsaufbau: diskontinuierliche Ultraschallbehandlung (Batch-Zelle)
Faserstoff: Eukalyptus-Sulfatzellstoff
Druck: 0 bar - 5 bar
Temperatur: 20-25°C
Bechervolumen: 400 ml
Dicke der Alu-Folie: 13 µm
Versuchsaufbau Sonotrode
Suspension
Aluminium foil Beaker Sonotrode
Suspension
Aluminium foil Beaker Sonotrode
Suspension
Aluminium foil Beaker
Abb. 29 Versuchsaufbau für die Messung der Kavitation mit Aluminiumfolie in der Batch-Zelle Ergebnis In Abb. 30 ist der Einfluss der Ultraschallbehandlung auf eine sich in einer Fa-
serstoffsuspension befindende Aluminiumfolie dargestellt. Bei Umge-bungsdruck bildet sich die Kavitation direkt an der Sonotrode aus. Mit steigendem Druck ver- größert sich der Kavitationsbereich deutlich.
Die Temperatur wurde in einem Bereich zwischen 20 und 90°C variiert. Der größte Kavitationsindex konnte bei einer Temperatur von 80°C beobachtet wer- den. Aber auch eine Amplitude von weniger als 23 µm mit einer Temperatur von 35°C resultiert in einem großen Kavitationsindex. Das bedeutet, dass die Pro- zesstemperatur der Stoffaufbereitung einer Papierfabrik, die zwischen 35-50°C
80 mm
0 bar 2,5 bar 5 bar
Abb. 30 Erosion an einer Aluminiumfolie nach Behandlung einer Faserstoffsuspension mit Ultraschall bei
verschiedenen statischen Drücken, Sonotroden- Durchmesser 40 mm (BS2d40), Behandlungsdauer 30 s
Cavitationindex / %
Stock consistency / % Pressure / bar
Abb. 31 Entwicklung des Kavitationsindexes durch Ultraschallbehandlung von Primärfaser- stoff (Eukalyptus) bei Variation der Stoffdichte, Art der Sonotrode (S34, S40) und Druck, Behandlungszeit 60 s, Amplitude 28 µm
Bewertung Wichtig für den Energiebedarf während der Ultraschallbehandlung ist die Fest- stoffkonzentration der Faserstoffsuspension. Die in den obigen Kapiteln be- schriebenen Untersuchungsergebnisse wurden bei einer Feststoffkonzentration von maximal 3 % durchgeführt. Die Messungen der Kavitation mit Aluminiumfolie haben gezeigt, dass bei Umgebungsdruck Kavitation bis zu einer Stoffdichte von 4 % auftritt. Mit steigendem statischem Druck im System kann die Kavitation auch bis zu einem Feststoffgehalt von 10 % aufrechterhalten werden. Das be- deutet, dass ein weiteres Potential zur Senkung des spezifischen Energiebedarfs durch Optimierung der Ultraschallbehandlung mit einem neuen Reaktordesign gegeben sein könnte.
7 Einsatz von Einjahrespflanzen bei der Produktion von Verpackungspapieren
Vorbemerkungen In Arbeitspaket 1 erarbeitete der spanische Projektpartner ITENE eine Liste mit Einjahrespflanzen, die für einen Einsatz als Faserrohstoff geeignet sind. Neben der prinzipiellen technischen Eignung als Faserrohstoff wurden die Verfügbarkeit sowie logistische Aspekte bei der Bewertung herangezogen. Dabei wurden vier pflanzliche Reststoffe aus der Landwirtschaft (Einjahrespflanzen) identifiziert, nämlich Stroh von: Weizen, Reis, Mais und Flachs. Aus diesen Einjahrespflan- zen wurden vom ungarischen Partner in Arbeitpaket 2 Faserstoffe unter Einsatz von Kavitation erzeugt und in Arbeitspaket 2 und Arbeitspaket 3 charakterisiert.
In Arbeitspaket 4 der deutschen Projektpartner wurde bewertet, inwieweit mit diesen Einjahrespflanzen der Faserrohstoff (rezyklierter Faserstoff) bei der Pro- duktion von Verpackungspapieren substituiert werden kann. Diese Ergebnisse flossen in die Arbeiten in Arbeitspaket 6 ein.
Vorgehen Die Einjahrespflanzenfaserstoffe wurden lichtmikroskopisch analysiert sowie der Splittergehalt bestimmt.
Um zu bewerten, inwieweit eine Mahlbehandlung die Eigenschaften des Einjah- respflanzenfaserstoffes verbessern kann, wurde in der Jokro Mühle eine klassi- fizierende Mahlung der vier Faserstoffe durchgeführt.
Um das Potential von Einjahrespflanzenfaserstoff zur partiellen Substitution von Fasern des Ausgangsmaterials für Verpackungspapier zu bestimmen, wurde dieser mit Altpapierfaserstoff gemischt. Als Altpapierfaserstoff kam eine Mi- schung aus 50 % Altpapier der Altpapiersorte „Sortiertes gemischtes Altpapier“
(1.02) und 50 % der Altpapiersorte „Kaufhausaltpapier“ (1.04) zum Einsatz.
Faser- morphologie
Die lichtmikroskopischen Aufnahmen des Faserstoffs zeigen, dass die Fasern des Weizen- und Reisstrohs dünner sind als die Holzfasern des Altpapiers. Die Fasern des Flachs erscheinen hingegen in etwa gleich dick wie die Holzfasern des Altpapiers. Der aus Maisstroh gewonnene Faserstoff enthält einen hohen Anteil an Faserbündeln. Die mittlere Faserlänge der vier Faserstoffe aus Einjah- respflanzen liegt im Bereich von 0,8 bis 1,1 mm und ist somit geringer als die der Fasern von Altpapier (1.02+1.04) mit 1,2 mm.
Splittergehalt Am Anfang der Untersuchungen in Arbeitspaket 2 hatte der Faserstoff einen Splitteranteil von fast 30 % bezogen auf die Trockenmasse. Nach dem Optimie- rungsschritt des Aufschlusses im AP2 wiesen die Faserstoffe aus Einjahrespflan- zen nur noch einen Splittergehalt von 10% auf.
Wie in Kapitel 4.1 angemerkt, muss für die Bestimmung des Splittergehaltes der Einjahrespflanzen von dem Zellcheming Merkblatt IV-1-66 (Sortierkriterium 0,2 mm Schlitzplatte) abgewichen werden und eine 0,7 mm Lochplatte gemäß des Zellcheming Merkblatt V-18-62 eingesetzt werden, mittels der die sehr flä- chigen Splitter des Einjahrespflanzenfaserstoffes erfasst werden können.
7.1 Mahlung von Einjahrespflanzenfaserstoffen
Vorbemerkung Vorversuche mit Weizen, Mais, Flachs und Reis zeigten, dass mit einem steigenden Anteil an Weizenstroh in der Altpapiermischung die Zugfestigkeit des Papiers anstieg und die Biegesteifigkeit nicht negativ beeinflusst wurde.
Im Gegensatz dazu, wurde bei einem steigenden Anteil an Mais, Flachs oder Reis eine Abnahme der Zugfestigkeit beobachtet.
Die Einjahrespflanzen verfügen eine unterschiedlich hohe Mahlresistenz auf (Tab. 4).
Tab. 4 Entwässerungswiderstand (Schopper-Riegler) von Altpapier und Einjahrespflanzenfaserstoff vor und nach der Mahlung in der Jokro-Mühle
Beating time
RP
(1.02, 1.04) wheat corn flax rice Pine
sulphate
no beating 47 68 15 26 74 13
5 minutes 49 33 81
10 minutes 55 38 84 15
Ergebnisse Abb. 32 zeigt, dass die Mahlung von Faserstoffen aus Einjahrespflanzen im Vergleich zu Primärfaserstoff (Fichten-Sulfatzellstoff) nur ein begrenztes Potenti- al hat, die Papierfestigkeit zu erhöhen. Das gilt auch für andere
Festigkeitskennwerte wie SCT, Biegesteifigkeit oder Durchreißfestigkeit.
Digestion of straw with hydrodynamic cavitation (rotor-stator) - Variation of beating time in Jokro mill, Rapid-Köthen sheets (80 g/m²)
0 10 20 30 40 50 60 70
0 2 4 6 8 10 12
Beating time / min
Tensile index / Nm/g
Wheat straw Flax stalk Rice straw
RP (1.02, 1.04) Spruce sulphate
Abb. 32 Entwicklung des Tensile-Index von Rapid Köthen Blättern durch Mahlung in der Jokro Mühle für verschiedene Einjahrespflanzen und Altpapier
7.2 Substitution von rezykliertem Faserstoff durch Einjahrespflanzenfaserstoffe
Vorgehen Die Mischung aus Faserstoffen aus Einjahrespflanzen und Altpapier wurde be- züglich der Suspensionseigenschaften wie Entwässerungswiderstand und Fasermorphologie gemäß dem Versuchsplan in Abb. 33 untersucht. Nach der Blattbildung wurden insbesondere für Verpackungspapiere relevante Festig- keitskennwerte wie Tensile-Index, SCT, CMT, Bestwiderstand, Festigkeit in z- Richtung und Durchreißfestigkeit analysiert.
Disinte- gration s.c. 2,5%
Thickening
Refining, Jokro mill s.c. 6%
Recovered paper
Disinte- gration s.c. 2,5%
Agro-waste
Digestion with cavitation
Pulp: Drainage resistance, FiberLab
RK-sheet: Strength properties
unrefined straw fibres
0…100%
--- Recovered
paper 100…0%
refined straw fibres
0…100%
--- Recovered
paper 100…0%
X
X
X
Abb. 33 Überblick über die Tests zur Rohstoffsubstitution von Altpapier mit Einjahrespflanzenfaserstoff bei der Produktion von Verpackungspapier
Suspensions- eigenschaften
Die folgenden Darstellungen zeigen die Ergebnisse der Mischungen aus Einjah- respflanzen und Altpapier (1.02, 1.04). Der Entwässerungswiderstand für verschiedene Arten von Einjahrespflanzen nach dem Aufschluss im Arbeitspa- ket 2 unterscheidet sich stark (15 bis 74 SR, Tab. 4). Die Abb. 48 zeigt, dass mit steigendem Anteil an Einjahrespflanzen der Entwässerungswiderstand der Mi- schung immer mehr zu dem des reinen Einjahrespflanzenfaserstoffes tendiert.
Der Entwässerungswiderstand ist ein Indikator für die Verarbeitbarkeit des Fa- serstoffs auf der Papiermaschine. Ein Anstieg des Entwässerungswiderstands reduziert die Entwässerungsgeschwindigkeit und verringert dementsprechend die Geschwindigkeit der Papiermaschine. Der Einsatz von 20% Einjahrespflan- zen als Rohstoff für die Herstellung von Verpackungspapier verursacht einen Anstieg des Entwässerungswiderstandes um maximal 10 SR.
Digestion of straw with hydrodynamic cavitation (rotor-stator) - Variation of share of straw with recovered paper (RP), Rapid-Köthen sheets (80 g/m²)
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Share of straw / %
Drainage resistance / SR
Rice, 84 SR (Jokro) Wheat, 68 SR Flax, 26 SR Flax, 38 SR (Jokro) Corn, 15 SR Corn, 49 SR (Jokro) Corn, 55 SR (Jokro)
Abb. 34 Entwicklung des Entwässerungswiderstandes für eine Mischung aus Altpapier (1.02, 1.04) und Einjahrespflanzenfaserstoff
Festigkeit Ein steigender Anteil an Reis- oder Weizenstroh hat einen Anstieg der Zugfes- tigkeit der Rapid Köthen Blätter zur Folge. Im Falle von Reis führt die Erhöhung der Blattdichte zu höheren Festigkeiten.
Die Ergebnisse des Arbeitspakets 3 zeigen, dass der Gehalt an Hemicellulosen im Weizen und Reisstroh höher ist als im Altpapier. Durch die starken Bindungs- kräfte der Hemicellulosen wirkt sich ein steigender Anteil von Einjahrespflanzen im Faserrohstoff positiv auf die interfibrillären Wechselwirkungen aus.
Eine Mahlung der Einjahrespflanzen vor der Zugabe zum rezyklierten Faserstoff kann das Festigkeitspotenzial des Faserstoffes erhöhen.
Digestion of straw with hydrodynamic cavitation (rotor-stator) - Variation of share of straw with recovered paper (RP), Rapid-Köthen sheets (80 g/m²)
0 10 20 30 40 50 60
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Share of straw / %
Tensile index / Nm/g
Rice, 84 SR (Jokro) Wheat, 68 SR Flax, 26 SR Flax, 38 SR (Jokro) Corn, 15 SR Corn, 49 SR (Jokro) Corn, 55 SR (Jokro)
Abb. 35: Entwicklung der Zugfestigkeit von Rapid Köthen Blätter für eine Mischung aus Altpapier (1.02, 1.04) und Einjahrespflanzenfaserstoff
