Weiterentwicklung eines Verfahrens zur Reinigung von Altpapierstoffen durch Zentrifugal-Flotation

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1 Weiterentwicklung eines Verfahrens zur Reinigung von Altpapierstoffen durch Zentrifugal-Flotation E. HANECKER 1. Einführung Die Einsatzmöglichkeit von Altpapier im grafischen Sektor hängt grundsätzlich ganz wesentlich davon ab, wie erfolgreich die Druckfarbe aus dem Altpapier entfernt werden kann (Deinking). Der Weißgrad von Sekundärfaserstoffen soll dabei dem von Primärfaserstoffe möglichst nahe kommen. Darüber hinaus bereiten Verunreinigungen mit klebendem Potential erhebliche Schwierigkeiten im Produktionsprozeß und mindern die Qualität des fertigen Produkts. Für die Einsatzmöglichkeiten von Altpapier allgemein ist deshalb die Effektivität der Abscheidung von klebenden Verunreinigungen von entscheidender Bedeutung. Der begrenzte Wirkungsgrad der heute zur Verfügung stehenden Deinkingverfahren erschwert gegenwärtig eine weitere Steigerung des Altpapiereinsatzes bei höherwertigen grafischen Papieren. Vor diesem Hintergrund ist es notwendig die Effektivität und Selektivität der zur Verfügung stehenden Reinigungsverfahren zu erhöhen. Es müssen alle Möglichkeiten, die zu einer Verbesserung des Gesamtprozesses beitragen können, genutzt werden. Die Flotation von graphischen Altpapierstoffen im Zentrifugalfeld stellt dabei einen vielversprechenden Ansatz zur Steigerung der Effektivität und Selektivität des Flotationsprozesses insgesamt dar (1). 2. Überblick über den Flotationsprozeß Aufgrund der aktuellen Problematik hat sich in der jüngsten Vergangenheit eine Vielzahl von Untersuchungen mit den verschiedenen Aspekten des Flotationsprozesses beschäftigt. So wurden die chemischen und physikalischen Vorgänge der Flotation intensiv untersucht [2-4] und die Anlagentechnik entsprechend der gewonnenen Erkenntnisse gestaltet [5-11]. Den verschiedenen Bauformen von Flotationszellen gemeinsam ist eine turbulente Zone, in der Gasblasen eingeleitet werden. Daran schließt sich eine turbulenzarme Zone an, in welcher der eigentliche Flotationsvorgang stattfindet. Schließlich wird noch eine Seperationszone benötigt, in der die mit den Verunreinigungen angereicherte Schaumphase von der an Verunreinigungen verarmten Suspension getrennt wird. Der gesamte Flotationsvorgang, insbesondere auch die Trennung der Phasen findet ausschließlich im Erdschwerefeld statt. Als variable Betriebsparameter stehen dabei im Wesentlichen nur das Luft/Suspension- Verhältnis und die Verweilzeit der Suspension in der Zelle zur Verfügung. Bei den Verunreinigungen, die durch das Flotationsverfahren abgetrennt werden sollen, handelt es sich in erster Linie um Druckfarbenbestandteile und Verunreinigungen mit klebendem Potential. Die Druckfarbenbestandteile sind Agglomerate von sehr kleinen Primär- Pigmentpartikeln, die in Abhängigkeit vom verwendeten Lösungsmittel hydrophob bzw. hydrophil sind. Die Dichte der Druckfarbenbestandteile liegt dabei meist im Größenordnungsbereich der kontinuierlichen Phase Wasser, d.h. bei etwa 1000 kg/m³. Die Dichte der meist hydrophoben klebenden Verunreinigungen (Stickies) liegt ebenfalls im Bereich von 1000 kg/m³. Voraussetzung für die erfolgreiche Flotation von Verunreinigungen ist deren Hydrophobie. Das Bestreben der Verunreinigungen sich an die Gasblase anzulagern muss ausreichend groß 1

2 sein muß. Es kann durch gezielte Zugabe von Chemikalien, sogenannte Sammler, im begrenzten Maße gesteigert werden. Darüber hinaus müssen die Verunreinigungen einen gewissen Mindestimpuls besitzen, um den sich zwischen Partikel und Blase befindenden Flüssigkeitsfilm zerreißen zu können und damit eine Anhaftung der Verunreinigungen an die Gasblasen möglich zu machen. Fehlt eine dieser Voraussetzungen führt dies zu ungenügenden Reinigungswirkungsgraden und damit zu den erwähnten Problemen. Da die wiederzugewinnenden Faserstoffe eine Dichte um 1400 kg/m³ besitzen und sich damit in dieser Eigenschaft erheblich von den abzutrennenden Verunreinigungen unterscheiden, bietet es sich an, diesen Eigenschaftsunterschied, neben den verschiedenen Grenzflächeneigenschaften (Potential der Hydrophobie), zur Trennung der Feststoffkomponenten zu nutzen. In diesem Zusammenhang kommen in der Verfahrenstechnik oft Zentrifugalapparate zur raschen Trennung von Feststoffgemischen unterschiedlicher Massendichte zum Einsatz. 3. Flotation im Zentrifugalfeld Für die Entwicklung der Zentrifugalflotationstechnik zur selektiven Entfernung von Verunreinigungen im Altpapier wurde eine modifizierte Labor-Flotationszentrifugalzelle gebaut und optimiert und die Betriebskosten für eine Realisierung der Zentrifugalflotationstechnik abgeschätzt, um eine Steigerung des Reinigungswirkungsgrades gegenüber dem herkömmlichen Flotationsprozeß im Erdschwerefeld, bei vertretbarem wirtschaftlichen Aufwand zu gewährleisten. Die Untersuchungen konzentrierten sich nicht nur auf die Wirksamkeit hinsichtlich der Entfernung von Druckfarbenresten im üblichen Größenordnungsbereich, sondern berücksichtigten auch kleinere Verunreinigungen, insbesondere solche, die zur Bildung klebender Partikel (stickies) neigen Versuchsaufbau Zusammen mit dem erforderlichen Zubehör, wie Pumpen, Rohr- und Schlauchleitungen, Ventilen und Meß- bzw. Regeltechnik wurde die Flotationszentrifuge zu der in Abbildung 1 dargestellten Anlage kombiniert. Die zu flotierende Stoffsuspension wird aus einer der zwei Vorratsbütten (1) mit Hilfe einer Exzenterschneckenpumpe (3) in die Flotationszelle gefördert. Dort wird der Suspensionsvolumenstrom in einen an Verunreinigungen verarmten Suspensionsteilstrom (Gutstoff) und in eine mit Verunreinigungen angereicherte Schaumphase (Schmutzstoff, Spuckstoff) getrennt. Der Gutstoff wird mit einer zweiten Exzenterschneckenpumpe (3) in die Gutstoffbütte (9) gepumpt. Der Schmutzstoff, welcher die flotierten Verunreinigungen in Form von Schaum enthält, wird durch den Gasvolumenstrom in die Schmutzstoffbütte (7) ausgeblasen. Mit Hilfe der zwei Vorratsbütten und des Umschaltventils (2) kann die zu flotierende Suspension die Flotationszelle mehrmals durchlaufen, indem die Gutstoffbütte des ersten Durchgangs gegen die leere Vorratsbütte des ersten Durchgangs ausgetauscht wird. Eine Hintereinanderschaltung von mehreren Flotationszellen kann auf diese Weise simuliert werden. Diese Anordnung wurde in umfangreichen Versuchsreihen eingefahren und optimiert. Um eine Flotation schon in der Vorratsbütte zu vermeiden, mußten entsprechende Störleisten abgebracht werden, die eine gute Durchmischung sicherstellen. 2

3 Flotationszelle Abb. 1: Versuchsanlage mit integrierter PTS-Zentrifugal-Flotationszelle 3.2. Versuchsdurchführung Mit der Laborflotationszentrifuge wurden Flotationsversuche mit den nachfolgend aufgelisteten Altpapiereinträgen durchgeführt werden: Altpapierzusammensetzungen, die der sogenannten gemischten Haushaltssammelware entsprechen und bei der Herstellung von Zeitungsdruckpapieren zum Einsatz kommen Altpapierzusammensetzungen mit definiertem Anteil an Verunreinigungen mit klebendem Potential. Dabei kamen ausschließlich ungealterte, unter industriellen Bedingungen bedruckte Papiere zum Einsatz. Die Versuchsdurchführung ist in Abbildung 2 schematisch dargestellt. Das Altpapier wurde mit Hilfe eines Planschneiders in Stücke der Größe 50 mm x 50 mm zerkleinert. Die für den Versuch benötigte Stoffmenge wurde eingewogen und unter Zugabe von Deinkingchemikalien und Verdünnungswasser auf eine Stoffdichte von 10 % eingestellt. Nach einer Quellzeit von 10 min erfolgte die Zerfaserung im Lamort-Pulper bei einer Stoffdichte von 10 % für eine Dauer von 30 min. Als Verdünnungswasser wurde Leitungswasser mit einer Härte von 18 dh und einer Temperatur von 40 C verwendet. Nach der Zerfaserung wurde auf die erforderliche Stoffdichte von 2 % verdünnt. Im Anschluß daran erfolgte die Flotation in der Flotationszentrifuge in mehreren Durchläufen. Der Stoff vor der Flotation wurde zur Beurteilung des Erfolges der Flotationsversuche im Zentrifugalfeld mit der PTS-Standardflotationszelle im Erdschwerefeld flotiert. 3

4 Altpapier Reaktion 10 min Chemikalienzugabe/ Verdünnung Schmutzstoff Stoffverlust 3.3. Versuchsergebnisse Zerfaserung 30 min Verdünnung Flotation Deinkter Stoff Einstellen des ph- Wertes auf ph 7 Nutschenblattbildung Abb.2 Schematische Darstellung des Versuchsablaufs Undeinkter Stoff Optische Eigenschaften Mit der entwickelten Flotationszelle wurden Flotationsversuche mit verschiedenen Altpapiereinträgen durchgeführt. Dabei wurden insbesondere beim Deinken von gemischter Haushaltssammelware äußerst vielversprechende Ergebnisse erzielt. Unter optimierten Bedingungen konnten für eine Standard-Altpapiermischung und für gezielt mit Mikrostickies verunreinigten Modellpapieren im Labormaßstab folgende Ergebnisse erzielt werden: Die Flotation im Zentrifugalfeld führte zu einem Weißgrad von 63 % und zu einem Hellbezugswert von 69 % (Abb. 3). Damit konnten im Vergleich zur Flotation im Erdschwerefeld ein um 3,5 %-Punkte höherer Weißgrad und ein um 4,5 %-Punkte höherer Hellbezugswert bei einer deutlich geringeren Verweilzeit ermittelt werden. Die Stoffdichte bei der Flotation im Zentrifugalfeld betrug 2 % im Vergleich zur Flotation im Erdschwerefeld von 0,8 %. Die Stoffverluste lagen bei der Flotation im Zentrifugalfeld bei 14,4 %, während bei der Flotation im Erdschwerefeld Verluste von 22,2 % ermittelt wurden. Der Anteil an Mikrostickies ließ sich im Zentrifugalfeld deutlich besser reduzieren als im Erdschwerefeld. 4

5 Hellbezugswert Y [%] Drehzahl: 1300 U/min Luftdruck: 2,6 bar Einlauf: 8 l/min Auslaßspalt: groß Anzahl der Zellendurchläufe Altpapier: 2/3 Offsettageszeitung 1/3 Beilagen Abb. 3: Entwicklung des Hellbezugswertes Y in Abhängigkeit von den Durchläufen durch die Zelle bei optimierten Bedingungen Die beschriebenen Erfolge des Flotationsprozesses im Zentrifugalfeld beruhen auf den hohen Beschleunigungen, die auf die einzelnen Feststoffpartikel bzw. Gasblasen wirken. Kleine Teilchen mit im Erdschwerefeld geringer Trägheit besitzen im Fliehkraftfeld hinreichend kinetische Energie, um den Flüssigkeitsfilm zwischen Teilchen und Blase soweit zu schmälern, daß eine Anhaftung der Feststoffpartikel an die Blasen möglich wird. Selbst bei großen Stoffdichten ist eine hohe Steiggeschwindigkeit des Gases möglich. Einem Mitreißen von Flüssigkeit bei hohen Gasvolumenströmen wird gleichzeitig entgegengewirkt. Im Zentrifugalfeld sind deshalb sehr große Gasdurchsätze und damit sehr hohe Luft/Suspensionsverhältnisse einstellbar. Gleichzeitig wird die Zahl der flotierten (mitgerissenen) Fasern verringert, da auf die spezifisch schweren Fasern große radiale Beschleunigungen wirken. 4. Zusammenfassung Die Ergebnisse der Laboruntersuchungen zeigten, daß die erreichbaren optischen Eigenschaften wie Weißgrad und Hellbezugswert bei der Flotation von graphischem Altpapierstoff (Zeitungen und Zeitschriften) im Zentrifugalfeld bei vergleichbaren Stoffeinträgen und vergleichbaren Stoffverlusten deutlich höher als bei der Laborflotation üblich sind, 5

6 die Flotation im Zentrifugalfeld eine Erhöhung der Stoffdichte ohne Beeinträchtigung der optischen Eigenschaften ermöglicht, die Stoffverluste im Vergleich zur Laborflotation im Erdschwerefeld bei Flotation im Zentrifugalfeld verringert werden und der Anteil an Mikrostickies durch Zentrifugalflotation deutlich reduziert werden kann. Zusammenfassend zeigten die Untersuchungen den deutlichen Vorteil der Flotation im Zentrifugalfeld im Vergleich zur Flotation im Erdschwerefeld auf. Allerdings erfordert der Betrieb der Flotationszentrifuge einen höheren Energieverbrauch im Vergleich zu einer Standardflotationszelle. Eine Abschätzung der Wirtschaftlichkeit unter Berücksichtigung weiterer Betriebskosten zeigte, daß durch die gesteigerte Qualität des deinkten Altpapierstoffs vor allem Bleichchemikalienkosten reduziert werden können und so deinkte Stoffe für den Einsatz bei höherwertigen Papieren kostengünstiger als durch Standardflotation erzeugt werden können. Dank Das Forschungsvorhaben BAY Nr. 01/98 wurde durch das Bayerische Staatsministerium für Wirtschaft, Verkehr und Technologie, München, gefördert. Dafür sei an dieser Stelle gedankt. Weitere Informationen: Autor: Dr. E. Hanecker PTS München Hess-Str München Tel 089/ Fax 089/

7 Literatur 1 GROSSMANN H.; HANECKER E. u. G. SCHULZE Flotation von Altpapierstoff im Zentrifugalfeld Wochenblatt für Papierfabrikation 125; (1997) Nr. 3 2 BORCHARDT. J. Chemical structure - property relationships of deinking surfactants Progress In Paper Recycling, 1, (1992) 2 3 BOVIN A., FIALA W. Increased use of waste paper by application of latest flotation deinking and bleaching technologies Firmeninformation Sunds Defibrator 4 MC COOL M. A., CAROLL W. P. Pressurized deinking module TAPPI Pulping Conference_, (1990) 5 ORTNER H., PFLAZER L. Verfahren zur Regelung einer Flotationsanlage Europäische Patentanmeldung, EP vom (1990) 6 BARNSCHEIDT W. Verfahren zum Deinken von Faserstoffsuspensionen Deutsche Patentschrift, DE C2 vom (1981) 7 IWASHIGE N., EGUCHI M. Flotation machine for de-inking Europäische Patentanmeldung, EP A2 vom (1990) 8 SEGALLA R., CODINI A. Deinking appratus in the constant densitiy section of paper manufacturing plants Europäische Patentschrift, EP A2 vom (1990) 9 LARSON A; STENIUS P., ÖDBERG L. Über das Verhalten von Druckfabenpartikeln beim Flotations-Entschwärzen Vortrag beim 3. PTS-Deinking-Symposium München, JÄRREHULT B., LIDQUIST M. Deinking of waste paper containing flexographic ink Tappi Journal 72, 1-12 (1989) 11 HORNFECK K. Chemie und Wirkungsweise der Tenside als Sammlerchemikalien für Druckfarben und Füllstoffe im Flotations-Deinking-Prozeß Wochenblatt für Papierfabrikation, 113, (1985) 17 7