Ökobilanz Verpackungspapier vom Wald bis zum Rohverpackungspapier

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1 Ökobilanz Verpackungspapier vom Wald bis zum Rohverpackungspapier von Holger Arntzen, Anke Bredhal, Gesine Bökenkamp, Melanie Degel Felix Gschnell, Frauke Haake, Sara Moltmann, Matthias Rauh Übersicht 0. Vorbemerkung 1. Einleitung/Systemabgrenzung 2. Prozessbeschreibung 2.1 Holzherstellung 2.2 Vorbehandlung des Holzes 2.3 Aufschlussverfahren 2.4 Holzstoff 2.5 Altpapier 2.6 Zellstoffaufbereitung 2.7 Papiermaschine 2.8 Kartonmaschine 2.9 Wellkartonmaschine 3. Endprodukte 3.1 Papiersorten 3.2 Karton und Pappe 3.3 Wellkarton 4. Fazit 5. Literatur 6. Flussbild (als externe Datei) Ökobilanz Papier 1

2 Gliederung 0. Vorbemerkung 1. Einleitung/Systemabgrenzung 2. Prozessbeschreibung 2.1 Holzherstellung 2.2 Vorbehandlung des Holzes Entrinden des Holzes Hacken des Holzes 2.3 Aufschlussverfahren Sulfitverfahren Sulfatverfahren 2.4 Holzstoff Holzschliff Refinerholzstoff 2.5 Altpapier 2.6 Zellstoffaufbereitung Pulper/Entstipper Refiner Mischbütte Entklumper Reinigung 2.7 Papiermaschine Stoffauflauf Siebpartie Pressenpartie Trockenpartie Leimpresse Kreppen Streichen Satinieren Prägen Ökobilanz Papier 2

3 Rollenschneidemaschinen 2.8 Kartonmaschine 2.9 Wellkartonmaschine 3. Endprodukte 3.1 Papiersorten Kraftpapier einseitig gestrichen Kraftpapier gebleicht Kraftpapier ungebleicht Swisskraft Sackpapier S Sackpapier A 3.2 Karton und Pappe Graukarton (GK) Duplex-, Triplex-Karton (GD/GT) Chromokarton (GC) Zellstoffkarton (GZ) Liquid Packaging Board (LPB) 3.3 Wellkarton Recycling-Wellkartonrohpapiere Neufaser-Wellkartonrohpapiere Recyclingfaser-Wellkarton Neufaser-Wellkarton Gemischtfaser-Wellkarton 4. Fazit 5. Literatur 6. Flussbild (als externe Datei) Ökobilanz Papier 3

4 0. Vorbemerkung Die folgende Arbeit stützt sich weitestgend auf die in der Literatur angegebene Arbeit des BUWAL und auf Ullmanns Enzyklopädie der technischen Chemie. Deshalb wurde in weiten Strecken auf eine genaue Quellenangabe verzichtet. Wenn andere Literatur verwendet wird, wird diese explizit im Text erwähnt Abschnitt 2 und 3 beinhaltet zu Einem die allgemeine (2.) und spezielle Prozessbeschreibung (3.), zum anderen die Schadsstoffe, die bei dem jeweiligen Prozess bzw. bei dem jeweiligen Produkt anfallen. Diese sind, wenn vorhanden, nach dem jeweilig Prozess/Produkt in standartisierter Form angegeben. Dazu folgende Anmerkung: Bei diesen Tabellen findet sich eine konstante Liste der Emissionen, die für jedes Inventar gleich aussieht. Die Emissionen sind nach chemischen Gesichtspunkten gruppiert, während restliche Emissionen alphabetisch aufgeführt werden. Laut BUWAL wird bei den Emissionen in Luft und Wasser eine Differenzierung zwischen Umwelteinwirkungen aus Prozessen, aus der Energienutzung (thermisch oder elektrisch) und aus Transporten vorgenommen. Die Einwirkungen, die nicht eindeutig einer dieser Quellen zuzuordnen sind, sind unter der Rubrik nicht diff. (= nicht differenzierbar) zusammengefasst. Die Emissionen sind so genau wie möglich erfasst und ausgewiesen. In der Liste der Wasserschadstoffe wird zusätzlich noch die Abwassermenge angegeben. Für die Wasserschadstoffe ist darauf zu achten, dass aufgrund der verwendeten, gebräuchlichen Summenparameter ein und dieselbe Emission mehrmals auftauchen kann (z.b. organisch gebundener Kohlenstoff in DOC und im TOC). Bei der Anwendung einer Bewertungsmethode (Bewertungsschritt in einer Ökobilanz) ist dies zu beachten. In dieser Ökobilanz werden die Emissionen in Luft und Wasser in zusammengefasster Form in nachfolgenden Tabellen dargestellt. Die einzelnen Anteile an Schadstoffen an den oben genannten Differenzierungen werden aufsummiert und als ein Wert aufgeführt. Ökobilanz Papier 4

5 Die Werte in den Tabellen, die in roten Farbe hervorgehoben sind, sind die spezifischen Umwelteinwirkungen aus Prozessen. Sie sind in der danebenstehenden Summe bereits enthalten, werden aber besonders gekennzeichnet, weil im Text davor vor allem auf die Prozesse der Papierherstellung eingegangen wird. Die nachfolgende kurze Auswertung der Tabellen geht deshalb fast ausschließlich auf prozessbedingte Luft und Wasserschadstoffe ein. Verzeichnis der abgekürzten Wasserschadstoffe: BOD COD AOX PAH DOC TOC KW Biological Oxygen Demand (identisch mit BSB) Chemical Oxygen Demand (identisch mit CSB) Absorbable Organic Halogenes Polyzyklischen aromatische Kohlenwasserstoffe Dissolved Organic Carbon Total Organic Carbon Kohlenwasserstoffe Ökobilanz Papier 5

6 1. Vorwort In dieser Arbeit wird eine Ökobilanz für Verpackungspapiere erstellt. Betrachtet werden die Prozesse vom Holz bis zum Papier. Die Systemgrenzen wurden von der Studie Ökoinventare für Verpackungen des Bundesamtes für Umwelt, Wald und Landschaft (BUWAL) übernommen. Auch in der vorliegenden Arbeit haben die Systemgrenzen einen entscheidenden Einfluss auf die Ergebnisse und Aussagekraft der Ökobilanz. Eingangsstoffe in das System sind Rohstoffe, Hilfsstoffe, Energien wie Elektrizität oder Fernwärme und weitere Endenergien. Die Ausgangsstoffe aus dem System sind im wesentlichen Produkte, Co-Produkte und Emissionen in Luft und Wasser. Nicht betrachtet wird anfallender Abfall, der Recyclingprozess ist nur im Zusammenhang mit Altpapier aufgeführt. Alle Stoff- und Energieflüsse, die in das System hinein und hinaus fließen werden quantitativ und qualitativ beschrieben. Die wesentlichen Prozesse zur Papierherstellung werden vorgestellt. Nicht bei allen Prozessen können Ein- und Ausgangsstoffe eindeutig zugeordnet werden. Schadstoffe sind den Vorgängen nicht zuzuordnen. Umwelteinwirkungen werden ausschließlich bei sehr auffälligen Prozessschadstoffen aufgezeigt. Der Energieverbrauch bezieht sich auf Daten aus der Schweiz, die ebenfalls vom BUWAL vorgegeben sind. Länderspezifische Produktionsmixe werden nach dieser Formel berechnet: Landesmix = Landesverbrauch = Eigenproduktion Export + Import. Abschließend folgt die Interpretation und Bewertung der Arbeit Zur besseren Übersicht wurde ein Flussbild zum Verfahren der Papierherstellung erstellt. Dieses kann im Anhang eingesehen werden. Ökobilanz Papier 6

7 2. Prozessbeschreibung 2.1 Holzherstellung Die Herstellung von Papier fängt nicht erst in der Papierfabrik an. Das Holzwachstum und die aufgenommene Sonnenenergie werden nicht in die Systembetrachtung aufgenommen, weil es sich beim Wachstum um einen CO 2 -neutralen Kreislauf handelt. Erst die Waldpflege, das Holzfällen und der Abtransport werden in die Betrachtung einbezogen. In der folgenden Tabelle wird der Energieaufwand für die Waldpflege und das Holzfällen und rücken in der Schweiz dargestellt. Prozess Energieeinsatz Maschinentyp Waldpflege Holzfällen, -rücken Quelle: BUWAL, S ,4 g Diesel / kg Holz im Wald 1,7 g Diesel / kg Holz 0,5 Betriebsstunden / t (0,4 g Benzin / kg Holz) Baumaschinen, Traktor Baumaschinen, Traktor Kettensäge Um 1000 kg Holz zu gewinnen muss man also 6,2 kg Diesel und 0,8 kg Benzin aufbringen. Es entstehen keine prozessbedingten Emission in Luft oder Wasser und es fallen keine festen Abfälle an (s. BUWAL, S. 502.) In Schweden muss bei der Waldbewirtschaftung zwischen Nadel- und Laubhölzern unterschieden werden. Bei Laubhölzern kommen nur die Prozesse der Waldpflege und der Holzfällung zum Tragen, da sie größtenteils auf natürlicher Art nachwachsen. Nadelhölzer werden in entsprechenden Rodungsgebieten aktiv nachgezogen und nachgepflanzt. Daher muss man das Aufziehen und die damit verbundene Herstellung von Dünger und Pestiziden mit einbringen. In Schweden wurden 1992 und 1993 durchschnittlich 24 Mio. m³ Nadelhölzer und 9,9 Mio. m³ Laubhölzer (Birken) gewonnen. (vgl. BUWAL, S.174) Bei der Holzgewinnung in Schweden entstehen mehrere Emissionen in Luft und Wasser. Um 1000 kg Laubholz zu bekommen wird ca. 4,32 kg Diesel benötigt. Bei den Nadelhölzern benötigt man für 1000 kg Holz 4,32 kwh Strom und 5,43 kg Diesel. Desweiteren braucht man Ökobilanz Papier 7

8 0,36 kg Stickstoffdünger für die Aufzucht. Bei der Holzgewinnung fallen unterschiedliche Emissionen an. Emissionen Luft Kohlendioxid fossil Kohlenmonoxid Lachgas Schwefeldioxid Stickoxide NMVOC Staub, Partikel Laubholz g 55 g 29 g 241 g 38 g 19 g Nadelholz g 73 g 3 g 39 g 320 g 50 g 25 g Wasserbelastung COD Ammonium Nitrat 0,22 g 0,30 g 0,45 g 0,45 g Quelle: BUWAL, S. 503 Nadelholz Laubholz Baumschule Pestizidher stellung Transport Düngemittel herstellung Waldpflege Waldpflege Holzfällung Holzfällung Abb. 2.1: Holzherstellung (Quelle: BUWAL, S. 175) Ökobilanz Papier 8

9 2.2 Vorbehandlung Entrinden des Holzes Vor dem Aufschluss muss das Holz entrindet werden. Zur Entrindung verwendet man große Trommeln, die nach dem Reibungsprinzip arbeiten, sowie Messerschälmaschinen, Kettenentrinder oder auch Wasserstrahlentrinder (Ullmann, Band 17, Seite 534) Wendet man die Messerentrindung an, muss jedoch mit Verlusten an Holz über 10% gerechnet werden. Bei der Nassentrindung ist der Trommelmantel der nassen Sektion geschlossen, während die Trockensektion einen geschlitzten Mantel zum Auswerfen der Rinde aufweist. Bei reiner Trockenentrindung ist die ganze Trommel mit Rindenschlitzen versehen. [ ] Bei der so genannten chemischen Entrindung wird der lebende Baum im Frühjahr ringförmig eingeschnitten und an den Einschnittstellen mit arsenikhaltigen Pasten oder ähnlichen Präparaten bestrichen. Der Baum stirbt dadurch ab, und seine Rinde kann nach dem Fällen im Herbst leicht abgelöst werden. (Ullmann, Band 17, Seite 534) Hacken des Holzes Um das Eindringen der Kochflüssigkeit bei der Zellstoffkochung zu erleichtern, wird das Holz nach der Entrindung zerkleinert ( gehackt ). Man führt Rund- oder auch Spreißelholz über eine Dosieranlage den Hackmaschinen zu, die auf diese Weise gleichmäßiger belastet werden. [ ] Die gebräuchlichsten Maschinen bestehen aus einer rotierenden, mit mehreren Messern ausgestatteten Scheibe, gegen die der Holzstamm unter einem Winkel von etwa 45 schräg von oben oder horizontal zugeführt wird. (Ullmann, Band 17, Seite ) Ökobilanz Papier 9

10 2.3 Aufschlussverfahren Sulfit-Verfahren Beim Sulfitaufschluss werden die Hackschnitzel mit Lösungen von Hydrogensulfiten oder Sulfiten gekocht. Je nachdem, ob die Hydrogensulfit-Lösungen überschüssiges Schwefeldioxid enthalten oder nicht, bezeichnet man die Verfahren als saure Bisulfitverfahren oder nur als Bisulfitverfahren. (Ullmann, Band 17, Seite 537) Überblick über die Verfahren und deren Aufschlusslösungen: Verfahren In der Lösung enthaltene ph-wert (in der Kälte Verbindungen gemessen) Saures Calciumbisufit- Ca(HSO 3 ) 2 /H 2 SO 3 Saures Magnesiumbisulfit- Mg(HSO 3 ) 2 / H 2 SO 3 Saures Natriumbisulfit- NaHSO 3 / H 2 SO 3 1,5 2 Saures Ammoniumbisulfit- (NH 4 )HSO 3 / H 2 SO 3 Magnesiumbisulfit- Mg(HSO 3 ) 2 Um 4 Natriumbisulfit- NaHSO 3 Neutralbisulfit- (NH 4 )SO 3 / NH Quelle: Ullmann, Band 17, Seite 537 Beim Sulfitaufschluss arbeitet man bis jetzt fast ausschließlich diskontinuierlich, wobei man die Kochung in großen, bis zu 350m³ fassenden und bis 15m hohen aufrechtstehenden, säurefest ausgelegten Druckgefäßen (Zellstoffkochern) vornimmt. [ ] Vor Beginn der Kochung ist für eine möglichst gute Durchtränkung des Holzes mit Kochsäure zu sorgen. (Ullmann, band 17, Seite 538) Dazu gibt es folgende Möglichkeiten: - mehrmaliges erzeugen eines hohen Dampfdruckes und dann Entspannung - mehrmalige schnelle Druckstöße - hoher hydrostatischer Druck - Dämpfung - Evakuierung Zur Vervollständigung der Imprägnierung erhöht man die Temperatur zunächst nur auf etwa 110 C und hält den Kocher 2-4h bei dieser Temperatur. Danach kann bis zu einem Viertel der Kochsäure in den Vorratsbehälter zurückgeleitet und später wieder verwertet Ökobilanz Papier 10

11 werden. Die Kochtemperaturen werden anschließend beim sauren Bisulfitverfahren auf C erhöht [ ]. Aus Frischsäure, rückgeführter Kochsäure und rückgeführten Kocherabgasen wird dann in einem Druckbehälter neue Kochsäure hergestellt. (Ullmann, Band 17, Seite 538) Je nach Verfahren wird mit verschiedenen ph-werten und unterschiedlichen Temperaturen gearbeitet und dementsprechend unterschiedlich ist auch die Zellstoffausbeute. Da Lignin und Hemicellulosen dabei bevorzugt aus der Mittellamelle zwischen den Fasern entfernt werden, löst sich der Faserverband schon nach einer geringen Delignifizierung auf, so dass man Zellstoffe höherer Ausbeute erhält. Während die Ausbeuten beim sauren Bisulfitaufschluss 45-55% (Papierzellstoffe) [ ] betragen, lassen sich beim Bisulfitaufschluss etwa 60% Zellstoff gewinnen. (Ullmann, Band 17, Seite 538) Neben diesen Verfahren gibt es noch einige Mehrstufen-Verfahren, die hier jedoch nicht genannt werden, da die Zellstoffproduktion an sich nur ein Unterpunkt der Papierherstellung ist und das Sulfit-Verfahren wiederum nur ein Unterverfahren der Zellstoffherstellung. Einsatzmaterialien der Endstufe Die Zahlen hinter den einzelnen Materialien ermöglichen es, diese den einzelnen Sulfitzellstoffarten zuzuordnen Holz 1, 2, 3 Kalziumkarbonat 1, 2 Chlor 1, 2 Salzsäure 1 Natronlauge 1, 3 Sauerstoff 1, 3 Peroxide 1, 3 Schwefel 1, 3 Magnesiumoxid 3 In BUWAL werden drei verschiedene Sulfitzellstoffarten unterschieden, und zwar: 1. Sulfitzellstoff gebleicht 2. Sulfitzellstoff ungebleicht 3. Sulfitzellstoff gebleicht Mg(HSO 3 ) 2 Ökobilanz Papier 11

12 2.3.2 Sulfatverfahren Eine noch größere Bedeutung als das Sulfitverfahren hat das Sulfatverfahren, weil - damit nahezu alle Hölzer aufschließbar sind - das Holz nicht sorgfältig entrindet sein muss - die Chemikalien nach der Ablaugenverbrennung wieder zurückgewonnen werden können - man ein besonders festes und zähes Kraftpapier erhält. Heute entstehen 70% der Weltproduktion an Zellstoff nach dem Sulfataufschluss. Die Kochflüssigkeit ist beim Sulfataufschluss stark alkalisch (ph14). Da bei der Kochung Alkali verbraucht wird, sinkt der ph-wert während des Aufschlusses auf etwa ab. [ ] Unter der Einwirkung des Alkali werden im Lignin bei hoher Temperatur Alkylarylätherbrücken zwischen benachbarten Bausteinen gesprengt, und die entstehenden Lignin-Bruchstücke gehen als Phenolat (Alkalilignin) in Lösung. Die in der Aufschlussflüssigkeit vorhandenen SH - Ionen werden hierbei vorübergehend an das ά-c- Atom der Lignin-Seitenkette gebunden und aktivieren in dieser Stellung die alkalische Hydrolyse der Alkylarylätherbrücken. Außerdem wird während des Aufschlusses ein Teil der Methoxylgruppen des Lignins als Methylalkohol, Methylmercaptan oder Dimethylsulfid abgespalten. Die Auflösung des Lignins ist von einer Lignin-Rekondensation begleitet. Beim alkalischen Aufschluss, der unter Quellung des Holzgefüges vor sich geht, werden ferner die Hemicellulosen gelöst und ein Teil der Cellulose abgebaut. [ ] Beim diskontinuierlichen alkalischen Kochprozess [ ] verwendet man Druckgefäße von etwa 250m³ Inhalt und arbeitet bei Kochtemperaturen von C. [ ] Während man bei gut aufgeschlossenen Nadelholzzellstoffen Ausbeuten von 42-52% (je nach Holzart und Aufschlussgrad) erhält, beträgt die Ausbeute bei Laubholzzellstoffen 45-55%. Die Imprägnierung spielt beim Sulfataufschluss keine so große Rolle wie beim Sulfitaufschluss, da die alkalische Kochflüssigkeit die Faserwände quellen lässt und deshalb leichter eindringt. [ ] Da beim Sulfataufschluss im Gegensatz zum Sulfitaufschluss die Hemicellulosen in einer nachfolgenden Veredlungsstufe nicht im erforderlichen Maße entfernt werden können, schaltet man dem Sulfataufschluss bei der Erzeugung von Ökobilanz Papier 12

13 Kunstfaser-Zellstoffen eine so genannte Vorhydrolyse vor. Bei dieser werden die Hemicellulosen des Holzes durch Einwirkung von Mineralsäure verschiedener Konzentration bei Temperaturen zwischen 70 und 140 C oder durch Einwirkung organischer Säuren, die bei der Behandlung des Holzes mit Wasser oder Dampf von etwa C frei werden, hydrolysiert und in Lösung gebracht. (Ullmann, Band 17, Seite ) Einsatzmaterialien der Endstufe Auch hier geben die Ziffern hinter den einzelnen Materialien an, in welchem Sulfatzellstoff, dieses Material zu finden ist Holz 1, 2, 3, 4 Kalziumkarbonat 1, 2, 3 Kalziumoxid 1, 2, 3, 4 Natriumchlorat 1, 2, 3 Natronlauge 1, 2, 3, 4 Sauerstoff 1, 2, 3 Peroxide 1, 2, 3 Natriumsulfat 2, 3, 4 Schwefeldioxid 2, 3, 4 Schwefelsäure 2, 3, 4 Entschäumungsmittel 2, 3 Komplexbildner 2, 3 Magnesiumsulfat 2, 3 Andere 2, 3, 4 1) Sulfatzellstoff gebleicht Kanada 2) Sulfatzellstoff Nadelholz gebleicht Schweden 3) Sulfatzellstoff Laubholz gebleicht Schweden 4) Sulfatzellstoff ungebleicht Schweden Ökobilanz Papier 13

14 (der folgende Abschnitt erfolgt an enger Ahnlehnung an ( Ullmann, Band 17, S.577 ff), daher wird auf ein exaktes Zitieren verzichtet) 2.4 Holzstoff Holzstoff ist ein wichtiger Grundstoff für die Papier- und Pappeherstellung. Es ist eine feine Holzmasse, die durch das Abschleifen von Nadelhölzern entsteht. (Der Brock Haus, S. 86) Es gibt zwei Arten des Holzstoffes. Zum einen der ältere Holzschliff und zum anderen das neuere Verfahren des Refinerholzstoffs. Das Ziel beider Verfahren ist es den Faserverband des Holzes in einzelne, möglichst lange Fasern aufzuschließen. Dies erfolgt unter der Berücksichtigung, dass die chemischen und physikalischen Eigenschaften des Holzes nicht verändert werden Holzschliff Die Produktion von Holzschliff beläuft sich z.zt. auf 22 Mio. t weltweit (vgl. Ullmann S. 562). Es wird vor allem für die Herstellung von Druckpapier verwendet, allerdings unter Zugabe von Zellstoff um die Festigkeit zu erhöhen. Holzschliff hat eine gute Faserstruktur und eine gut Absorptionsfähigkeit von Druckfarbe. Anderseits ist es nicht für hochwertiges Papier geeignet, da es nicht sehr Alters- und Lichtbeständig ist, d.h. es ist nicht für langlebige Dokumente etc. geeignet (s. Ullmann, S. 562). Die Herstellung von Holzschliff erfolgt im groben durch das Zerfasern des Holzes auf einem Sandstein. Als Rohstoff werden in erster Linie Nadelhölzer, wie Fichten und Tannen, verwendet, da sie langfaserige Hölzer sind. Weiterhin sollte das Holz möglichst astarm sein und die Stämme einen Durchmesser von cm aufbringen. Die Stämme werden dann zu 1 2 m langen Holzprügeln verarbeitet, die dann dem eigentlichen Schleifprozess zugeführt werden. Die Holzprügel werden dann senkrecht auf den Schleifstein gebracht. Es gibt zwei Verfahren, wie das Holz dem Stein zugeführt wird. Einerseits geschieht dies intermittierend durch Pressstempel, dies das Holz auf den Schleifstein pressen (Pressenschleifer), oder andererseits werden die Holzprügel kontinuierlich an den Schleifstein gedrückt (Kettenschleifer). An dem Schleifstein findet eine Ökobilanz Papier 14

15 sogenannte Fibrillation statt. Das bedeutet, dass das Holz zerfasert wird, bzw. dass die Holzfasern herausgekämmt werden. Zuvor muss die Faser jedoch aufgelockert werden. Dies wird durch eine thermische Aufweichung der Lignin- Zwischenschichten erreicht. Das Holz ist somit plastifiziert. In der Schleifzone herrschen um die 180 C. Der gewonnene Schliff enthält noch neben den wertvollen langen Fasern unterschiedliche Bestandteile, wie Späne, kleinere Splitter oder große Holzstücke. Diese gilt es herauszusortieren. Die Sortierung erfolgt in mehreren Stufen. Der Grobstoff kann nochmals aufbereitet und verfeinert werden und wird dem Schleifprozess abermals zugeführt (vgl. Ullmann, S ). Der gewonnene Holzschliff hat eine leichte gelbbraune Färbung. Deswegen wird er gebleicht. Es gibt zwei Arten von der Holzschliff-Bleiche. Die eine ist die reduzierende Bleiche mit Natriumdithionit oder mit Natriumhydrosulfit (Na 2 S 2 O 4 ). Die andere Bleichung erfolgt mit Natrium- und Wasserstoffperoxydlösungen und Wasserglas 1 als Stabilisator (Oxidbleiche) (s. Ullmann, S.565). Ökoinventar: 1000 kg Holzschliff Ressourcen, energetisch verwendet Rohbraunkohle Rohgas Rohsteinkohle Rohöl ab Bohrloch Uran ab Erz Holz Pot. Energie Wasser Ressourcen, rohstofflich verwendet Holz Einsatzmaterialen der Endstufe Holz (trocken) Hauptprodukt Markt-Holzschliff (BUWAL, S. 182) 1 Sammelbegriff für erstarrte Schmelzen aus verschiedenen Natrium- und Kaliumsilicaten, u.a. Bindemittel für Farbpigmente (vgl. Schüler Duden, Die Chemie) glasartige Alkalisilicate (Der Brock Haus) Ökobilanz Papier 15

16 Ausgangsstoffe für Papierherstellung: Holzschliff/Sulfitzellstoff/Sulfatzellstoff Hauptprodukt Holzschliff Sulfitzellstoff Sulfitzellstoff Sulfitzellstoff Sulfatzellstoff gebleicht ungebleicht (D) gebleicht (CAN) gebleicht Luftschadstoffe Staub/Partikel g (1) 45,1 (1,3) (110) Benzol g 1,1 0,325 0,265 0,487 0,502 PAH g 0,0062 0,0014 0,0007 0,0104 0,0069 Aromat. KW g 3,31 5,01 (4,2) 0,507 13,8 (7,5) 4,83 (0,75) Halon H 1301 g 0,0396 0,0047 0,0038 0, ,0091 Halogenierte KW g 0, , , , , Methan g , Nicht-Methan KW g (17) (30) 876 (3) CO 2 fossil g (6000) CO g NH 3 g 0,498 0,122 0,2293 1,62 1,56 HF g 2,88 0,67 0,186 11,9 8,22 N 2 O g 6,55 1,73 1,36 4,28 9,98 HCl g 27 9,33 1, ,1 SO 2 g (2720) 4570 (2700) 6320 (1830) 3970 (10) NO X g Blei g 0,165 0,0203 0,0138 0,0707 0,0692 Cadmium g 0,0776 0,006 0,0052 0, ,0044 Mangan g 0,014 0,0034 0,0008 0,0365 0,0344 Nickel g 1,73 0,166 0,126 0,267 0,329 Quecksilber g 0, ,0011 0,0004 0,0187 0,0104 Zink g 0,2 0,0396 0,0241 0,178 0,131 Metalle g 16 2,57 1,1 31,2 21,6 Radioaktive Sub. kbq Aldehyde g 3400 Chlor (Cl 2 ) g 0,336 (0,336) Mercaptane g 70 H 2 S g 140 Ökobilanz Papier 16

17 Hauptprodukt Holzschliff Sulfitzellstoff Sulfitzellstoff Sulfitzellstoff Sulfatzellstoff gebleicht ungebleicht (D) gebleicht (CAN) gebleicht Wasserschadstoffe Abwassermenge m 3 15 (15) ,004 (0,004) BOD g 0, COD g 2500 (2500) AOX als Cl - g 0, , susp. Stoffe g (4) 8230 Phenole g 0,589 0,132 0,11 0,134 0,262 Toluol g 0,491 0,115 0,096 0,114 0,227 PAH g 0,0541 0,0126 0,0105 0,0125 0,0248 Aromatische KW g 3,54 0,829 0,69 0,83 1,62 Chlorierte KW g 0,0037 0,0008 0, , ,0018 Fette/Öle g ,8 21,4 25,7 50,6 DOC g 600 (600) 0,0212 0,0051 0,164 0,0865 TOC g 38,9 10,1 7,5 19,7 22,6 + Ammonium NH 4 g 7,66 2,36 1,66 3,33 5,54 - Nitrat NO 3 g 4,44 1,07 0,636 6,7 8,29 Stickstoff org. g 0,583 0,272 0,241 0,245 0,523 Stickstoff ges. g 4,83 1,71 1,48 1,57 3,3 Arsen g 0,136 0,0341 0,009 0,512 0,511 Chlorid g (60) (110) 5030 (10) Cyanid g 0,0174 0,0042 0,0033 0, ,0098 Phosphat g 3,88 0,978 0,252 15,1 15,1 Sulfat g Sulfid g 0,129 0,0306 0,0254 0,033 0,0609 Anorg. Salze g (1) (1470) Aluminium g 69,6 17,3 4, Barium g 15,5 3,73 2,35 22,5 24,9 Blei g 0,64 0,152 0,0396 1,44 1,38 Cadmium g 0,0092 0,0022 0,0012 0,0148 0,0156 Chrom g 0,689 0,173 0,0484 2,54 2,54 Eisen g 70,1 18,2 4, ,2 Kupfer g 0,331 0,0833 0,022 1,26 1,26 Nickel g 0,341 0,0859 0,0231 1,28 1,28 Quecksilber g 0, , , , , Zink g 0,708 0,177 0,0498 2,56 2,56 Metalle g 33,3 9,34 5,45 32,7 40,5 Radioaktive Sub. kbq Chrom VI g 0,397 (0,397) Ökobilanz Papier 17

18 Auswertung prozessbedingter Schadstoffe: - große Unterschiede in der Emission von Staubpartikel (Faktor 130 zwischen Sulfit ungebleicht und Sulfat Kanada), auch CO 2 Emissionen nur Sulfat Kanada - SO 2 fällt in der Kocherei prozessbedingt bei den Sulfit und Sulfatverfahren an - Chlor Cl 2 als Luftemission fällt nur in der Sulfatzellstoffherstellung, als Wasserschadstoff aber bei allen bleichenden Verfahren an - große COD und DOC Belastung bei Holzschliffaufarbeitung - Belastung durch anorganische Salze und Chrom VI entsteht nur in der Sulfatherstellung - relativ geringe Abwasserentstehung in diesem Prozessabschnitt Refinerholzstoff Der Refinerholzstoff, oder auch Hackschnitzel genannt, stellt eine gute Alternative für Zellstoff dar. Bei der Zeitungspapierherstellung wird es z.b. mit 100 % eingesetzt. Im Gegensatz dazu wird beim Einsatz von Holzschliff nur 85 % Holzschliff und 15 % Zellstoff verwendet. Die Weltproduktion für die thermische Refinerverfahren beläuft sich auf ca. 4 Mio. t pro Jahr (Ullmann, S.566). Die Holzprügel werden wie bei dem Holzschliff hergestellt. Allerdings werden sie dann nicht in einer Schleifmaschine sondern in einer Hackmaschine zerkleinert. Dies erfolgt wie bei der Hackschnitzelherstellung bei der Zellstoffproduktion. Bei diesem Verfahren kann man zusätzlich auf Holzabfälle, z.b. aus dem Sägewerk, zurückgreifen. Das Refinerverfahren ist größtenteils das Mahlen des Hackgutes. Zuvor muss es gut sortiert und ausgewaschen werden. Dann kann das Hackgut zwischen den Mahlscheiben aufgebrochen und in der eigentlichen Mahlzone zermahlen werden. Die dabei entstehende Reibungswärme bewirkt das Plastifizieren des Holzes und erleichtert somit Separierung und Fibrillierung (s. Ullmann, S ). Ökobilanz Papier 18

19 2.5Altpapier Laut dem Verband Deutscher Papierfabriken e.v. lag der Verbrauch von Altpapier im Jahre 2002 bei kt in Deutschland. Die Einsatzquote, d.h. der Altpapiereinsatz in der Papierherstellung ist in den letzten Jahren gestiegen. Im Jahr 1995 lag die Quote bei 58 % und bei 65 % im Jahre Die Rücklaufquote (Altpapieraufkommen) ist höher als die Einsatzquote. Die Rücklaufquote lag 1995 bei 67 %. Im Jahre 2002 ist sie um 5 % auf 72 % gestiegen. (Vgl. VDP, Papierkompass 2003). Fasern aus Altpapier können bis zu 4-6 mal wiederverwendet werden. Mit jedem Aufbereitungsprozess werden die Fasern kürzer und schwächer, so dass ständig neue Fasern zugegeben werden (vgl. BUWAL S. 170). Der Einsatz von recycelten Fasern nimmt mit zunehmender Qualität des herzustellenden Papiers ab (Ullmann, S. 570). Verpackungspapiere weisen einen sehr hohen Anteil von Altpapier auf. Manche Wellkartonarten werden z.b. aus 100 % Recyclingfasern hergestellt (BUWAL, S.171). Altpapiersortierung Materialeinsatz Altpapier Pressdraht Schmieröl Energiebedarf Strom ab Netz Diesel Quelle: BUWAL, S.503 Die Aufbereitung von Altpapier erfolgt in mehreren Schritten. Im Pulper, oder auch Stofflöser genannt, wird das Altpapier im Wasser suspendiert und erstmals zerfasert. Der entstandene Faserstoff wird über den Siebboden abgeleitet. Je nach Bedarf werden weitere Siebsortierer und Zerfaserer (z.b. Entstipper) nachgeschaltet. Druckfarbe wird in sogenannten De-Inking-Anlagen entfernt. Andere Stoffe, wie Bitumina oder Wachse werden durch Wärmeeinwirkung und Knetvorgänge dispergiert. Zum Schluss wird die Altpapier- Fasersuspension noch gemahlen, wobei die Fasern nochmals aufgelockert werden (vgl. Ullmann, S ). De Inking De Inking ist der Prozess bei dem die Druckfarbe aus dem Altpapier entfernt wird, um dieses heller und vielseitig verwendbarer zu machen. Das geschieht vor allem bei Ökobilanz Papier 19

20 Zeitungspapieren. Das Verfahren läuft in mehreren Schritten ab. Zuerst wird das Altpapier im Pulper aufgelöst und gleichzeitig werden die Chemikalien zum Ablösen der Druckfarbe zugegeben. Der zweite Schritt erfolgt im Siebsortierer, wo Fremdstoffe entfernt werden. Der letzte Schritt ist dann das Abtrennen der Druckfarbe (s. Ullmann, S ). Es gibt zwei Wege das De Inking durchzuführen. Beim Wasch De Inking wird die Druckfarbe im Pulper möglichst gut dispergiert (wird erst herausgewaschen und dann fein verteilt). Die Druckfarbe verbleibt dann in der Flotte (Flotte: Flüssigkeit in der Textilien gebleicht, gefärbt oder imprägniert werden). Das Wasser (Flotte) muss dann in nachgeschalteten Entwässerungsstufen gereinigt werden. Dieses Verfahren weist jedoch hohe Stoffverluste von bis zu 15 25% an der Faser auf und benötigt einen hohen Wasserbedarf von 160 m³ Wasser pro Tonne Fertigstoff. (Ullmann, S.571). Eine andere weitaus bessere Methode ist das Flotations De Inking. Bei diesem Verfahren wird sich die unterschiedliche Benetzbarkeit von Druckfarbe und Papierfaser zu nutze gemacht. Hydrophobe (Wasser abstoßende) Druckfarbe wird zuerst geflockt, dann gesammelt und zuletzt im Flotationsschaum abgeschieden. Die hohe Ausbeute und der geringe Wassergehalt machen dieses Verfahren attraktiv (Ullmann, S.571) Die Chemikalien, die für den De-Inking Prozess verwendet werden bewirken das Ablösen, Dispergieren und Sammeln der Druckfarbe. Sie werden meist im Pulper zugegeben. Dort erhalt man dann eine alkalisch, waschaktive Flotte, die oftmals mit bleichenden Komponenten versetzt ist. Folgende Chemikalien werden bei dem Verfahren eingesetzt: Bleichkomponente: 0,5-1,0 % H 2 O 2 Zur Quellung des Faserstoffs und Aktivierung der Bleiche: 1,5-2,0 % NaOH Stabilisierung der Bleiche: 0,1-0,3 % DTPA-Handelsware (= 40%ige Lösung despentanatriumsalzes der Diäthylentriaminpentaessigs) 2,0-4,0 % Wasserglas Emulgator: meist 0,1-0,3 % Fettalkoholpolyglykoläther Sammler: 0,6-1,2 % Fettsäure oder Seife (Vgl. Ullmann, S ) Ökobilanz Papier 20

21 Daten zum Deinking von Altpapier (BUWAL, S.511) Deinking von Altpapier Altpapier deinkt Materialeinsatz: Altpapier Natronlauge (30%) Natron-Wasserglas Schwefelsäure Wasserstoffperoxyd (30%) Kaolin diverse Einsatzmaterialien bei der Papierherstellung Verpackungspapiere Recycling-Kraftpapier (BUWAL, S. 516) Materialeinsatz: Zellstoffe Altpapier Zellulosekarton Wellkarton Zeitungen Kraftliner Hilfsstoffe Blanose Kartoffelstärke Harzleim Aluminiumsulfat Graphische Papiere Recyclingpapier ohne Deinking (BUWAL, S. 521) Materialeinsatz: Altpapier Zellulosekarton Zeitungen EDV-, Couvert-Späne Etikettenabfälle bedruckt Hilfsstoffe Kartoffelstärke synth. Leim Ökobilanz Papier 21

22 Zeitungsdruckpapier (BUWAL, S. 522) Materialeinsatz: Zellstoffe, Holzstoffe Hilfs- und Füllstoffe TMP (t100) Altpapierstoff deinkt (t100) Alaun Malusil Kartoffelstärke diverse Recyclingpapier mit Deinking (BUWAL, S. 522) Materialeinsatz: Zellstoffe, Holzstoffe Sulfatzellstoff gebleicht (t90) Sulfatzellstoff ungebleicht (t90) Altpapierstoff deinkt (t100) Hilfs- und Füllstoffe Alaun Harzleim Kaolin Kartoffelstärke Wasserstoffperoxyd diverse Karton (BUWAL, S. 524) Chromokarton (GC) Materialeinsatz: Nadelholz-Sulfatzellstoff gebl. (t90) Sulfitzellstoff gebl. (t90) Holzschliff (t90)... Duplex-/Triplex-Karton (GD/GT) Materialeinsatz: Sulfitzellstoff gebl. (t90) Sulfitzellstoff ungebl. (t90) Holzschliff (t90) Altpapier (t90)... Ökobilanz Papier 22

23 Wellkarton Wellkarton-Rohpapiere (BUWAL, S. 531) Materialeinsatz: Kaufhausabfälle gemischtes Altpapier 2.6 Die Zellstoffaufbereitung Pulper/Entstipper Kommt der Zellstoff nicht aus dem chemischen Auflösungsprozeß in einer integrierten Papierfabrik, wird er in Ballen von externen Zellstofffabrikanten angeliefert. Diese Ballen müssen, bevor sie weiter verarbeitet werden können, im sog. PULPER aufgelöst werden. Dies sind große Tröge, in denen durch mechanische Durchmischung eine Suspension aus Wasser und Zellstoff hergestellt wird. Teilweise wird diesem Prozeß noch ein Entstipper nachgeschaltet, da für die Papierherstellung eine möglichst stippenfreie Suspension benötigt wird. Im sog. Entstipper werden noch vorhandene Knoten(Stippen), die noch aus dem Pulper austreten, aufgelöst. Dies geschieht nach dem sog. Turbulenz- und Prallsystem. Die Stippen werden axial eingeführt und durch die hohe Umdrehungszahl nach aussen geschleudert, so dass sie gegen die Aussenwände geschleudert werden und sich auflösen. Dies geschieht in mehreren Stufen, d.h. die Stippen werden auf ihrem Weg nach aussen wiederholt abgebremst und beschleunigt. Als einzige Eingangsgröße neben dem Zellstoff und Wasser wird elektrische Energie für die Motoren benötigt Refiner Im anschliessenden Refiner werden die Fasern aufgelockert und je nach Bedarf auch noch zerkleinert. Zur Anwendung kommen hier vor allem Kegelmühlen oder Scheibenrefiner. Die horizontal gelagerte Kegelmühle mahlt und pumpt die Zellstoffsuspension gleichzeitig und kontinuierlich. Durch den modularen Aufbau und durch die Möglichkeit, den Stoff teilweise Ökobilanz Papier 23

24 zurückzuführen, können sowohl große Mengen als auch unterschiedliche Mahlgrade erreicht werden. Mehr und mehr werden heute allerdings Scheibenrefiner eingesetzt, da diese leistungsfähiger und günstiger als Kegelrefiner sind. Es wird unterschieden zwischen Einfachscheibenrefiner mit einer beweglichen, und Doppelscheibenrefinern mit zwei beweglichen Scheiben. Die Zellstoffsuspension wird dabei axial eingeführt und verlässt den Scheibenrefiner an seinen Rändern. Auch hier wird nur elektr. Energie für den Antrieb der Scheiben benötigt Mischbütte In der anschliessenden Mischbütte wird der Papierbrei zu einem mit Wasser aus dem Sieb der Papiermaschine verdünnt, zum anderen werden auch Füllstoffe hinzugeben. Ob diese Füllstoffe hier oder beim Leimen in der Papiermaschine hinzugeben werden, hängt von der Verwendung des Papieres ab und wird hier nicht weiter untersucht. Eine Zusammenstellung der verwendeten Füllstoffe wird in folgender Tabelle gegeben. Stoff Verwendung in der Papierindustrie Kaoline Talkum Asbestine Ca-Silicat Gips Kreide Magnesit Anatas Kieselgur Zinkoxid Sachtolith Schreib- u. Druckpapiere; Kartone; Streichen von Papier und Karton Druckpapiere mit besonders glatter Oberfläche; Buntpapier; Streichen Isolier- und Asbestpapiere zum Strecken bzw. als Ersatz für Titanoxid vollgeleimte und mattere, wenig glänzende Schreibpapiere und Kartone; Elfenbeinkarton ungeleimte Papiere; Kartone Dünndruckpapiere; Zigarettenpapiere Dünn- und Bibeldruckpapiere, sehr weiße Feinpapiere, Streichen Volumenerhöhung bei Federleicht- oder Dickdruckpapieren photoelektrische Kopierpapiere Fein- und Spezialpapiere Ökobilanz Papier 24

25 2.6.4 Entklumper Im anschliessenden Entklumper, bzw. Knotenfänger, werden Verunreinigungen entfernt, die eine ähnliche Dichte und spezifisches Gewicht wie die Faserstoffe haben. Der Papierbrei wird durch ein Sieb gepresst. Rotierende Propellerflügel sorgen dafür, dass dieses Sieb nicht verstopft Reinigung Bevor der Papierbrei in die Papiermaschine geleitet wird, wird er in einem Zentrifugalreiniger von Sand und anderen Verunreinigungen befreit. Die Suspension wird in Drehung versetzt, wobei der leichte Zellstoff in der Mitte bleibt und abgesaugt werden kann, während die schweren Verunreinigungen an den Wänden sich sammeln, zu Boden sinken und abgesaugt werden können. 2.7 Langsiebpapiermaschine In der Papiermaschine werden die Fasern aus Holzschliff, Zellstoff oder Altpapier dann zu Papier verarbeitet. 2 Dabei kann man verschiedene Arten von Papiermaschinen unterscheiden. Die Langsiebpapiermaschine wird zur Herstellung von einlagigem Papier verwendet. Sie besteht aus den Elementen Stofflauf, Siebpartie, Pressenpartie, Trockenpartie, Leimpresse, Nachtrockenpartie, Streichanlage, Glättwerk und Aufrollung. 3 Leimpresse, Streichanlage und Glättwerk verändern die Eigenschaften des Papiers, sind aber nicht notwendig. Moderne Maschinen haben eine Länge von über 120 m. Sie benötigen zu ihrem Antrieb ca. 150 Elektromotoren mit insgesamt ca. 2,94 MW. Die Produktionsleistung einer Langsiebpapiermaschine ist von der Siebbreite und der Laufgeschwindigkeit bestimmt und beträgt bei großen Papiermaschinen über 6000 Tonne pro Tag Stofflauf Die Stoffdichte des Gemischs, dass über den Stoffauflauf in die Papiermaschine gegeben wird beträgt etwa 1%. Die in einer Rohrleitung möglichst gleichmäßig anströmende Suspension wird unter Druck durch einen m hohen und bis 10 mm breiten Düsenspalt 2 Der folgende Abschnitt ist angelehnt an Foerst (1962) S.126ff. 3 Schuh (1980) S Ökobilanz Papier 25

26 mit Laufgeschwindigkeit des Siebes auf das bis zu 10m breite 4 Sieb gepumpt. Konsistenz und Menge der Stoffzufuhr wird vom Stoffauflaufsystem geregelt Siebpartie In der Siebpartie bewegt sich das endlos waagerecht umlaufende, aus feinen Bronze- oder Kunststofffäden gewebte 6 Sieb mit einer Geschwindigkeit von bis zu 2000m/min 7, das entspricht ca. 33 m/s. Dabei ist das Sieb auf der Eintrittseite des Stoffstromes um Brustwalze und am Ablaufende der Stoffbahn um die Saugwalze geführt. Bei älteren Maschinen wird statt der Saugwalze noch eine zweiwalzige Gautschpresse verwendet, wobei die Stoffbahn um die untere Walze geführt wird. Die Art und Dichte des Siebes, sowie die Laufgeschwindigkeit sind Bestimmungsgrößen für das Flächengewicht des entstehenden Papiers. 8 Durch seitliche Schüttelbewegung des m langen Siebes verfilzen die Fasern auch senkrecht zur Bewegungsrichtung und es entsteht eine Papierbahn. Auf dem Sieb werden die Faserorientierung und die Zweiseitigkeit des Papiers bestimmt. Ein großer Teil des Wassers läuft durch das Sieb ab. Die erste Hälfte des Siebes wird von einer Anzahl von Registerwalzen getragen, die durch ihre Drehung das Wasser abschleudern und so die Entwässerung förden. Auf der zweiten Hälfte der Siebpartie wird durch ein Vakuum in Saugkästen weiteres Wasser abgezogen, das von Pumpen oder Kompressoren erzeugt wird. Nach den Saugkästen läuft die Papierbahn noch über eine Gautschpresse oder eine Saugwalze. Die feuchte Papierbahn wird so zu etwa 20% 24% entwässert, und kann nun freitragend in die Pressenpartie überführt werden Pressenpartie In der Pressenpartie wird die Bahn an Filzen geführt, zwischen 4 8 Presswalzen geleitet und dort verdichtet wobei das Wasser an die Filze abgegeben wird. Dabei sind jeweils die unteren Presswalzen mit Gummi bezogen, die oberen bestehen aus Granit oder sie haben einen Stonite-Bezug, ein Gemisch aus Hartgummi und feinem Quarzsand. Eventuell wird gleichzeitig durch Saugnasspressen Wasser entzogen. 9 Die Papierbahn hat nun einen Trockengehalt von etwa 28% - 42%. In der Sieb- und Pressenpartie werden pro funktionaler 4 McGraw-Hill (1997) S Schuh (1980) S Schuh (1980) S Römp (1998) S Schuh (1980) S Schuh (1980) S Ökobilanz Papier 26

27 Einheit 270 l 410 l Wasser abgegeben. Das in Sieb- und Pressenpartie abgeschiedene Wasser wird gegebenenfalls nach Durchlauf von Reinigungsaggregaten wieder in den Herstellungsprozess zurückgeführt. 10 Danach gelangt die Bahn in die Trockenpartie Trockenpartie In der Trockenpartie wird die Papierbahn mit Hilfe von Trockenfilzen am Ende meist freitragend zwischen bis zu 100 in zwei Reihen übereinanderliegenden dampfbeheizten Trockenzylindern mit einem Durchmesser von ca. 1,5 m 11 bis 2m 12 durchgeleitet. Der Dampfdruck beträgt 0,2 1,2 bar. Zum Trocknen von 1 kg Papier sind ca. 3 kg Dampf erforderlich. Beim Kondensieren des Dampfes wird Wärme abgegeben, die durch die dünnen Zylinderwände auf die Papierbahn übertragen wird. Die Oberflächentemperatur der Zylinder am Anfang der Trockenpartie beträgt 60 C und darf nur langsam bis auf 120 C angehoben werden, da die meisten Harzleime bei einer Feuchterwärmung über 70 C die Papierkapillaren verkleben. Der ganze Bereich wird zusätzlich mit Heißluft belüftet. Der entstandene Dampf wird aus der geschlossenen Trockenhaube abgesaugt und in eine Wärmerückgewinnungsanlage geführt. 13 Am Ende der Trockenpartie hat das Papier eine Temperatur von C und seinen endgültigen Wassergehalt von ca. 5% erreicht. Pro funktionaler Einheit werden 530 l 670 l Wasser abgegeben. Beim Trocknen schrumpft die Papierbahn zusammen, wobei die Schrumpfung in der Querrichtung größer ist als in der Längsrichtung. Das liegt daran, dass die Fasern vor allem in Längsrichtung orientiert sind und außerdem die Zugspannung zwischen den Trockenzylindern der Schrumpfung in Längsrichtung entgegenwirkt. Über Kühlzylinder, durch die dauernd kaltes Wasser läuft, wird das Papier auf C abgekühlt. Nach der Trockenpartie wird die Papierbahn durch ein Trockenglättwerk geführt und erhält dort die Maschinenglätte. Das Trockenglättwerk besteht aus mehreren polierten übereinanderliegenden Hartgusswalzen. Danach kann die Papierbahn in die Leimpresse gelangen. 10 Römp (1998) S Brockhaus (1989) S McGraw-Hill (1997) S Papiermachen S. 3 Ökobilanz Papier 27

28 2.7.5 Leimpresse Um die Oberflächeneigenschaften zu verbessern, oder die Festigkeit der äußeren Schichten zu erhöhen, wird mit zwei gummibezogenen Walzen und/oder Rakelauftrag ein- oder beidseitig alternativ oder zusätzlich zum Leimzusatz im Ganzstoff die Papierbahn oberflächengeleimt. Dafür werden meistens modifizierte Stärke, Carboxy-methyl-cellulose, Gelatinelösungen und Melaminharze benutzt. In der Leimpresse können auch Pigmente auf die Oberfläche aufgetragen werden Kreppen Dieser Prozeß erfolgt um die Dehnbarkeit der Papierbahn zu erhöhen. Gleichzeitig wird das Papier durch das Aufbringen feiner Falten verkürzt. Innerhalb der Papiermaschine wird das Verfahren Naßkrepp und außerhalb Trockenkrepp genannt Streichen Das Streichen ist eines der häufigsten Veredelungsverfahren der Papierherstellung. Man versteht darunter das ein- oder beidseitige Beschichten mit Dispersionen aus Pigmenten, Bindemitteln und Hilfsstoffen. Pigmente sind Kaolin, Bariumsulfat und Kreide. Die am häufigsten in der Papiermaschine verwendente Füllstoffsorte ist das Pigment China Clay. Die Bindemittel können natürlicher oder synthetischer Herkunft sein. Natürliche Bindemittel sind Casein und Stärke, synthetischer Art sind Styrol-, Butadein- oder Acrylsäure- Mischpolimerisat. Unter Hilfsstoffen werden Dispergiermittel, Stearate zur besseren Glättbarkeit, optische Aufheller, Verdickungs-und Vernetzungsmittel verstanden. Beim Streichverfahren wird eine flüssige Streichmasse mit Walzen, Luftbürsten oder Schabern auf die trockene Papierbahn aufgetragen. Anschließend wird das Papier wieder getrocknet. Der Stärkestrich ist nicht wasserfest und eine Härtung ist nicht ohne weiteres möglich. Die Wasserfestigkeit und Härtung hängt vom Abbaugrad der Stärke ab. Zur Härtung werden bezogen auf die trockene Stärke 15-20% Harnstoff- und Melanimharze angewendet. Um die Viskosität der Streichmasse zu verringern werden Wachse zugegeben, sie sollen den Feststoffgehalt auf 55-70% steigern. Beim Streichen muss der Feststoffgehalt des verwendeten Sriches so hoch wie möglich sein. Dem Flächengewicht entsprechend kann der Strichauftrag des Papiers bis zu 30g/m 2 betragen. Ökobilanz Papier 28

29 Da in der Papiermaschine kein Platz für eine Trockenanlage vorhanden ist, kann eine größere Wassermenge nicht verdampft werden. Die Feuchtigkeit vor dem Streichen beträgt 10%, nach dem Streichen beträgt sie 15-20%. Nach dem Streichprozess durchläuft die Papierbahn die Heißlufttrockenschnecke und anschließend die Zylindernachtrockenpartie. Gestrichene Papiere werden nach dem Trocknen auf Superkalandern satiniert. Durch den Streichprozess soll eine Verbesserung der Bedruckbarkeit von Papier und Karton erreicht werden. Die Beschichtung mit Kunststoffdispersionen macht die Papiere wasserdampf- und aromadicht. Das bekannteste Verfahren des Streichens innerhalb der Papiermaschine ist von P.J. Massey. Darüber hinaus gibt es außerdem das Trockenstrichverfahren. Dies ist für kleinere Mengen von Spezialpapieren geeignet. Der Strichauftrag ist zwischen 4-30g/m 2 schwer, besteht aus 8% Pigment und aus hitzebeständigem Bindemittel. Bei diesem Verfahren werden pulverförmige Teilchen elektrisch aufgeladen und zwischen zwei Plattenelektroden niedergeschlagen Satinieren Wenn die Maschinenglätte nicht ausreicht, werden die Papiere in Satinierkalandern glänzend gemacht. Je nach Verwendungszweck des Papieres können die Glätte- und Glanzgrade von matter bis Hochglanzsatinage reichen. Die Papiere müssen elastisch sein, um geglättet zu werden. Deshalb werden sie angefeuchtet. Für die Satinage gewöhnlicher Papiere genügt die Anfeuchtung in der Papiermaschine, die besseren Papiersorten müssen in die Feuchtmaschine. Zum Befeuchten wird die Papierbahn ab- und wieder aufgerollt. Das Wasser wird durch Düsen oder rotierende Bürsten oder Walzen auf die Bahn gebracht. Die Wassermenge ist von der Papiersorte und dem Grad der Satinage abhängig. Sie liegt bei Schreib- und Druckpapieren bei 4-8%, bei Illustrationsdruck und ähnlichen Hochglanzpapieren bei 12-15%, bei Pergamin- und anderen Spezialpapieren bei 20-30%. Um die Feuchtigkeit gleichmäßig zu verteilen, lagert man die gefeuchteten Rollen mehrere Tage in Räumen mit hoher Luftfeuchtigkeit. Ökobilanz Papier 29

30 Im Satinierkalander kommt es zur Verdichtung des Papiergefüges. Er besteht aus bis zu 18 schweren Stahlwalzen, elastischen Papier- oder Baumwollwalzen, die in wechselnder Reihenfolge übereinander gelagert sind. Die polierte Oberfläche der Stahlwalzen hat den Hauptanteil am Satinieren. So erhält die der Walze zugewandte Papierseite eine höhere Glätte. Um eine einseitige Glättung zu vermeiden, liegen je zwei Walzen aufeinander. Durch Zusammenpressen der Walzen mit Liniendrucken von Kg/cm Walzenlänge erhält das Papier ein gleichmäßige Oberfläche und einen entsprechenden Glanz, der durch die Reibung zwischen den Walzen gefördert wird. Um bei Illustrations- und Hochglanzpapieren eine geschlossene Hochglanzoberfläche zu erhalten, wird zweimal satiniert. Besonders empfindliche Papier- und Kartonsorten, wie z.b. Kunstdruckpapiere mit Pigmentstrichen werden zwei- oder dreimal mit geringerem Druck satiniert, da sie große Belastungen nicht vertragen. Aufgrund des hohen Druckes im Kalander kommt es zu einer starken Wärmeentwicklung, dadurch verdampft das Feuchtwasser. Damit auch das Wasser stark befeuchteter Papiere (z.b. Pargaminpapier) verdampft, werden mehrere Stahlwalzen mit Dampf beheizt. Es kann zu Oberflächentemperaturen von bis zu 150 C kommen. Es gibt auch Bogenkalander mit Bänderführung, ähnlich aufgebaut wie Satinierkalander.Diese werden zum Glätten schwerer Kartonsorten benutzt. Aber auch Konturen, Landkarten und ähnliche möglichst flächenbeständige Papiere werden in Bogenkalandern nachsatiniert. Weiterhin gibt es Dreiwalzenkalander mit Friktion, bestehend aus zwei Stahlwalzen und einer Papierwalze. Die Stahlwalzen sind oben und unten angeornet und laufen mit unterschiedlicher Geschwindigkeit und sind mit Dampf beheizt. Durch den Preßdruck und die hohe Friktion, die durch die unterschiedliche Geschwindigkeit der drei Walzen entsteht, erhält das Papier oder der Karton eine spiegelblanke Glätte. In einigen Fällen muss die Dicke genau eingehalten werden. Hierfür gibt es Kalibrierkalander, welcher aus zwei genau auf gewünschte Dicke einstellbaren Stahlwalzen besteht. Ökobilanz Papier 30

31 2.7.9 Prägen Ein weiterer Prozeß in der Papierveredelung ist das Prägen. Es werden in Gaufrier- oder Grainierkalandern Muster mit gravierten Stahlwalzen eingeprägt Rollenschneidemaschinen Die papiermaschinenbreiten Mutterrollen werden in schmalere Rollen geteilt, da diese besser zur Weiterverarbeitung geeignet sind. Die Formate erhält man durch Schneiden in Querschneidern. Anschließend wird das Papier in Papier oder Kunststoff verpackt, gewogen und ist zum Versand bereit. 2.8 Rundsiebmaschine Diese Maschine zur Karton- und Pappenherstellung 14 besteht aus siebüberzogenen Rundsiebzylindern, Nasspressen und einer Trockenpartie. Die Siebzylinder tauchen zu 2 / 3 in die Stoffsuspension ein. Durch den Druckunterschied zwischen Trog und Zylinderinnerem bildet sich eine Papierbahn auf dem Zylinder, während das Wasser ins Innere des Zylinders fließt und von dort abgeleitet wird. Abnahmefilze nehmen die Papierbahnen vom Sieb und tragen sie zu den Nasspressen. Einfache Rundsiebmaschine Die einfache Rundsiebmaschine 15 dient zur Eindickung und Entwässerung von Holzschliff sowie zur Herstellung von Schrenz- und Spezial-Handpappen. Sie besteht aus ein oder zwei Zylindern ohne anschließenden Trockenapparat. Mehrrundsiebmaschine Die Mehrrundsiebmaschien 16 wird zur Herstellung von schweren Pappen und Kartons genutzt. Mehrere Rundsiebe sind hinter einander geschaltet. Die auf den einzelnen Rundsieben erzeugten Stoffbahnen werden von einem gemeinsamen Filz von den Sieben genommen und in den nachfolgenden Pressen zusammengegautscht. 14 Nach Foerst (1962), S Nach Foerst (1962), S Nach Foerst (1962), S. 131 Ökobilanz Papier 31

32 Kombinierte Langsieb-Rundsieb-Maschinen Die kombinierte Langsieb-Rundsieb-Maschine 17 wird genutzt, wenn es sich um sehr große Stoffbahnen handelt und eine weniger hochwertige Bahn eine bessere Deckschicht erhalten soll. Die Trockenpartie beinhaltet meistens noch Glättzylinder, Leimpressen und Streicheinrichtungen. 2.9 Wellkartonmaschine Zur Wellkartonherstellung 18 wird eine Papierbahn erwärmt und befeuchtet. Die anschleißende Riffelung erfolgt unter Druck- und Hitzeeinwirkung durch eine Riffelwalze. Danach wird sie mit erhitztem Leim mit zwei Papierbahnen (Deckbahnen) verleimt und die Bahnen werden zusammengepresst. Für mehrwellige und somit stabilere Wellkartons können mehrere Riffelpapiere (Wellenstoff) und Deckschichten abwechselnd verleimt werden. Abbildung zeigt eine Wellkartonmaschine zur Herstellung von einwelligem Wellkarton mit zwei Deckbahnen. Abb : Herstellung einer einwelligen Wellpappe mit zwei Deckbahnen. (Quelle: ) 17 Nach Foerst (1962), S Nach Foerst (1962), S. 131 Ökobilanz Papier 32

33 3. Endprodukte 3.1 Papiersorten Manche Einsatzmaterialien lassen sich aufgrund fehlender Daten nicht bis zu den Ressourcen zurückverfolgen KRAFTPAPIER EINSEITIG GESTRICHEN Das einseitig gestrichene Kraftpapier besteht zu gleichen Teilen aus gebleichtem Laubholz- Sulfatzellstoff und gebleichtem Nadelholz-Sulfatzellstoff. Zur Herstellung von 1000 kg Kraftpapier benötigt man je 366 kg der beiden Zellstoffe. Bei der Verarbeitung der Zellstoffe zu einseitig gestrichenem Kraftpapier werden die folgenden Produktionsschritte durchlaufen: Zellstoffaufbereitung Siebpartie Presspartie Trockenpartie Glättwerk Leimpresse Streichanlage Zusätzlich zum Zellstoff werden noch die folgenden Ressourcen benötigt: Einsatzmaterialien der Verwendete Ressourcen, rohstofflich Endstufe verwertet Kalziumkarbonat 105,0 kg Kalkstein Kaolin 172,0 kg Eisenerz, Kalkstein, Sand, Steinsalz Schwefelhaltige Rohstoffe Styrolbutadien-Latex 25,9 kg Carboxymethylcellulose 3,5 kg Harzleim 7,8 kg Ökobilanz Papier 33

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