DE3875893T2 - Verfahren zur ozonbehandlung von lignocellulosematerialien, insbesondere papiermassen, und reaktor zum ausfuehren des verfahrens. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft die Ozonbehandlung von ligno-cellulosischem Material und insbesondere von chemothermo-mechanischen mechanischen thermo-mechanischen Papiermassen.
• Es ist bekannt, daß das Ozon eine Wirkung auf ligno-cellulosisches Material im allgemeinen und insbesondere auf das Lignin hat. Diese Wirkung, die zu einem chemischen Abbau führt, der sich durch einen Wegfall der Ligninstruktur äußert, wurde zum Bleichen, besonders von Papiermassen benutzt.
• Es wurde festgestellt, daß die während der Raffinierungsphase durchgeführte Ozonbehandlung der Papiermassen eine Herabsetzung der für dieses Raffinierungsverfahren benötigten Gesamtenergie mit sich bringt, wobei jedoch eine längere Dauer dieser Phase, also der Behandlung, wegen der langsamen Ozonreaktion auf die Masse in Kauf genommen werden muß.
• Außerdem zeigt die Ozonisierung, so wie sie bisher durchgeführt wurde, nicht die fördernde Wirkung von Ozon auf die Verbesserung der, Papiereigenschaften, insbesondere der mechanischen Eigenschaften mancher Massen wie die der sogenannten "thermo-mechanischen", mechanischen", "chemo-thermo-mechanischen" Massen, das heißt, der Papiermassen, die durch Zerkleinern von Holzstangen in einem feuchten Medium auf Mahlsteinen entstanden sind, oder durch Zerkleinern von zuvor mit Wasser oder durch Wasserdampf aufgeweichten Holzspänen, mit einer leichten chemischen und/oder thermischen Behandlung.
• Es ist ein chemisches Verfahren zum Bleichen von Papiermassen mit Ozon (siehe FR-A-1 441 787) bekannt, das darin besteht, eine Masse zu behandeln, die zuvor in einen hygrometrischen Sollzustand gebracht wurde, und deren Oberfläche in einen Zustand gebracht wurde, der einen guten Kontakt zwischen Ozon und Papiermasse gewährleistet. Ein solches Verfahren ist nicht gänzlich zufriedenstellend, insbesondere was die mechanischen Eigenschaften des erzielten Materials betrifft, wenn es sich um mechanische, thermo-mechanische oder chemo-thermomechanische Massen handelt.
• Die vorliegende Erfindung hat zur Aufgabe, ein Verfahren zur Ozonbehandlung zu schaffen, das im Vergleich mit dem Stand der Technik verbessert ist und unerwartete Ergebnisse liefert, die nachstehend beschrieben werden.
• Das erfindungsgemäße chemo-thermo-mechanische, mechanische, thermo-mechanische Verfahren zur Behandlung von Papiermassen zum Zwecke der Verbesserung der mechanischen Eigenschaften, bei dem die in einen trockenen Zustand im Bereich von 20 bis 50% Feuchtigkeit gebrachte Papiermasse auf einen Teilungszustand reduziert wird, der ausreicht, um zwischen ihr und dem Ozongasstrom, dessen Einwirkung sie ausgesetzt ist, eine größtmögliche Kontaktfläche herzustellen, ist dadurch gekennzeichnet, daß die Ozonkonzentration des Gasstroms zwischen 4 und 10% in Masse, bezogen auf den Gasstrom, liegt, und daß die eingeleitete Ozonmenge zwischen 2 und 8% in Masse, bezogen auf das Trockenmaterial, liegt.
• Die Anmelderin hat festgestellt, daß, wenn man entsprechend dem oben beschriebenen Verfahren vorgeht, erstaunliche Ergebnisse erzielt werden, was die Herabsetzung der Reaktionsdauer, und vor allem auch bedeutende Verbesserungen der mechanischen Eigenschaften des erhaltenen Materials betrifft, insbesondere die Reißlänge und den Riß- bzw. Berstindex der Papiermassen, insbesondere von chemo-thermo-mechanischen, mechanischen, thermo-mechanischen Ausführungen von Papiermassen.
• Erfindungsgemäß wird das Material vor der Ozonisierung durch geeignete Mittel behandelt, so daß sein Trockenzustand sich in einem Bereich zwischen 20 und 50% befindet.
• Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es vor allem, folgende besonders interessante Ergebnisse zu erreichen:
• - Die Reaktionszeiten, die zu bedeutenden Verbesserungen der Eigenschaften des behandelten Materials führen, sind 10 bis 30 mal geringer als die mit den bekannten Verfahren erzielt werden, wodurch es möglich ist, die gewünschten Reaktionen mit einer Dauer von wenigen Sekunden bis zu hundert Sekunden, zu erzielen.
• - Die mechanischen Eigenschaften des behandelten Materials (Reißlänge, Berstfestigkeit) weisen je nach verwendetem Ozongehalt eine Steigerung von bis zu 50 bis 60% der Ausgangswerte auf. Diese erheblichen Steigerungen ermöglichen es, die Eigenschaften des Endproduktes, Papier oder Pappe jeglicher Art, zu verbessern, und ermöglichen es auf die gleiche Weise, die Mengen der chemischen Massen stark zu verringern, die Bestandteile der Endzusammensetzung der Gemische für die Herstellung von Papier mit besonderen Eigenschaften sind.
• Die Verbesserung der Papiereigenschaften der Endprodukte, die nach der Ozonbehandlung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erreicht wird, ermöglicht ebenfalls die Vergrößerung der Produktivität durch eine merkliche Steigerung der Herstellgeschwindigkeit von Papier oder Pappe sowie durch erhöhte Maschinengeschwindigkeiten, was die Umwandlung oder die Endverwendung, wie z. B. für eine Druckerei, sicherstellt.
• Die Anmelderin konnte ebenfalls nachweisen, daß, wenn die Ozonbehandlung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt, die Verbindungen mit aromatischer Struktur der Lignin bilden, in Nebenprodukte verwandelt werden, die dann die Benzolgruppe nicht mehr aufweisen.
• Diese Umwandlung hat den Vorteil, den Gewichtsverlust, der durch das Auflösen des Lignin entsteht, auf einen minimalen Wert zu begrenzen und einen hervorragenden Gewichtsertrag des behandelten ligno-cellulosischen Materials zu erhalten. Als nicht einschränkendes Beispiel ermöglicht es die Herstellung von Papiermasse nach einem herkömmlichen chemischen Verfahren, einen Gesamtertrag in einer Größenordnung von 45 bis 60% zu erzielen, während die Herstellung von Papiermasse nach dem erfindungsgemäßen Verfahren es ermöglicht, einen Gewichtsertrag von 90% in Masse mit einem Ozongehalt von 5% in Masse bezogen auf das als trocken geltende Material zu erzielen.
• Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, mit dem Vorteil eines eindeutig günstigeren Gewichtsertrags Papiermassen zu erhalten, deren Papiereigenschaften, wie z. B. Reißlänge oder Berstidex, nahe bei denen der durch herkömmliche chemische Umwandlung erhaltenen Massen liegen.
• Das erfindungsgemäße Verfahren kann mit Hilfe eines Reaktors durchgeführt werden, von dem im folgenden als nicht einschränkendes Beispiel eine mögliche Ausführungsart beschrieben ist, wobei diese Beschreibung auf die beiliegende Zeichnung Bezug nimmt- die eine schematische Darstellung einer Anlage mit einem solchen Reaktor zeigt.
• Das Ozon wird aus Sauerstoff erzeugt, der durch eine Kanalisation (1) strömt und in einen Generator (2) eingeleitet wird, der Strom im mittleren Frequenzbereich versorgt wird, der mit eiskaltem Wasser gekühlt wird, das durch eine Kanalisation (3) zugeführt und durch eine Kanalisation (4) abgeführt wird. Die Eigenschaften dieses Generators sind so gewählt, so daß eine hohe Ozonkonzentration zwischen 70 und 140g/Nm3 erreicht wird.
• Das so erzeugte, hochkonzentrierte Ozongas wird durch eine Kanalisation (5) in einen Reaktor (6) geschickt, der aus einem länglichen, zur Horizontalen leicht geneigten Behälter besteht, in dem das Abfließen und das Umrühren des zu ozonisierenden cellulosischen Materials durch ein einfaches Schraubensystem (7) von der Art der archimedischen Schraube gewährleistet wird, das mit einer Ausputzvorrichtung (nicht dargestellt) versehen ist und ein Vortreiben und Abfließen des zu behandelnden ligno-cellulosischen Materials gewährleistet und eine ständige Erneuerung der Kontaktfläche Material- Gas fördert. Da die Ozonreaktionen auf die ligno-cellulosischen Strukturen vorübergehend ein Maximum erreichen, bezogen auf die Stärke der Schicht des zu behandelnden Materials, ist die Gesamtanlage so ausgeführt und eingestellt, daß Stärke der in dem Reaktor befindlichen Materialschicht niedrig bleibt und vorteilhafterweise bei einer Stärke von circa zehn cm liegt.
• Das Ozongas wird an mehreren Stellen (8), die über die Länge des Reaktors verteilt sind, mit Hilfe von Öffnungen, die in dem im Inneren des Reaktors befindlichen Teil der Kanalisation (5) angeordnet sind, so eingeblasen, daß ein das gesamte Reaktionsvolumen erfassender, radialer Strom gewährleistet ist. Eine herkömmliche Durchsatzregulierungsvorrichtung (nicht dargestellt) ermöglicht es, diesen Durchsatz in jeder der Reaktionszonen, die durch die Einblasenstellen bestimmt sind, zu regulieren.
• Das Einführen des ligno-cellulosischen Materials in den Reaktor (6) erfolgt mittels eines Trichters (9), der eine Verschlußschraube (10) speist, die gleichzeitig die Durchsatzregulierung des in den Reaktionsbehälter eingeführten Materials und die notwendige Dichtigkeit gewährleistet, um ein Entweichen des Ozongas in die Außenluft zu vermeiden.
• Auf die gleiche Weise erfolgt das Ausbringen des cellulosischen Materials, das beim Verlassen des Reaktors behandelt wird, mit Hilfe einer Schraube (11), die ebenfalls eine Verschlußschraube (vis de type bouchon) ist, die gleichzeitig die Durchsatzregulierung des ausgebrachten Produkts und die nötige Dichtigkeit gewährleistet, um ein Entweichen des Ozongas in die Außenluft zu vermeiden.
• Das ligno-cellulosische Material wird vor seiner Einführung in den Ozonisierungsreaktor mittels irgendeines geeigneten Mittels oder Vorrichtung in einen geregelten trockenen Zustand zwischen 30 und 45% Feuchtigkeit gebracht. Die Stehzeit des ligno-cellulosischen Materials, die nötig ist, um die gewünschten Papiereigenschaften zu erzielen, ist durch Einstellung der Drehgeschwindigkeit der Schraube (7) geregelt, was die Förderung des Materials in den Behandlungsbehälter gewährleistet.
• Die niedrige Ozonmenge, die keine Reaktion mit dem ligno-cellulosischen Material eingeht, wird aus dem Reaktor durch Absaugen ausgebracht und durch eine Kanalisation (12) zu einer Einheit (14) zum thermischen Ozonabbau geführt.
• Da die Ozonreaktion auf die Ligninstrukturen während der halbfeuchten Phase (Trockengehalt des Materials liegt zwischen 20 und 50%, gemäß Erfindung), wie die Anmelderin festgestellt hat, einen stark wärmeabgebenden Reaktionstyp darstellt, ist ein Kühlkreislauf (13) in das Reaktorgehäuse eingebaut, um die Temperaturerhöhung in dem Reaktionsbehälter zu kontrollieren und zu begrenzen. Unter diesen Bedingungen bleibt die Temperatur an allen Stellen des Reaktors unter 50ºC, so daß die dem Ozon eigene Zerfallsreaktion begrenzt wird und es ermöglicht wird, einen Ozonverbrauch zu erhalten, der der einzigen Stöchiometrie der Umwandlungsreaktion des Lignin angepaßt ist.
• Mit Hilfe eines Reaktors so wie er soeben beschrieben wurde, hat man Ergebnisse erzielt, die in der folgenden Tabelle schriftlich festgehalten sind: Eigenschaften herkömmliche Ozonbehandlung Behandlung gemäß Erfindung Trockengehalt des Materials (%) Ozongehalt (Massenanteil) bezogen auf die Trockenmasse Ozonkonzentration im Sauerstoff (Massenanteil) Temperatur des Reaktors (ºC) Verweilzeit (Reaktionsdauer) (Sek.) Papiereigenschaften des Rohmaterials: L = Reißlänge (m) I = Berstindex Gewinne: Reaktionsdauer Reißlänge (%) Berstindex (%)
• Die Reißlänge stellt die Länge eines Streifens, der gleichmäßig dick und breit ist, in Metern, von dem vorausgesetzt ist, daß er an einem seiner Enden aufgehängt ist, und reißt unter Einwirkung des eigenen Gewichts ab.
• Der Berstindex, der die auszuübende Druckkraft mittels einer Vorrichtung aufzeichnet, die die Fähigkeit besitzt, einen solchen hydrostatischen Druck auf einen Ausfallmuster auszuüben, um ihn zum Bersten bzw. Reißen zu bringen.
• Diese Tabelle zeigt auf eindrucksvolle Weise die Vorteile, die die Erfindung aufweist, insbesondere, was die Reaktionsdauer (Kontaktzeit) und die Papiereigenschaften des behandelten Produkts betrifft.
• Jedoch ist die beschriebene und dargestellte Reaktorausführung nicht die einzige, die verwendet werden kann.
• Man kann ebenfalls für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens Reaktoren anderer Bauarten verwenden, wie sie nachstehend festgelegt sind:
• - Tunnelartiger Reaktor mit Fließbett, in dem das zu behandelnde Material in Schichten von geringer Stärke mechanisch befördert und von dem Behandlungsgas durchströmt wird, wobei der Strom auf die ganze Bettoberfläche verteilt ist, um die Einwirkung des Behandlungsgases auf das Material gleichmäßig zu machen.
• - Reaktor, dessen Behälter die Form eines vorteilhafterweise zylindrischen Rotationskörpers hat, und eine Rotationsbewegung um die eigene Achse versetzt wird, wobei der Behälter mit mindestens einer Vorrichtung versehen ist, die eine Wirbelströmung bewirkt, um das Abfließen des zu behandelnden Materials in dem Behälter zu behindern.
• - Reaktor, dessen Behälter vertikal angeordnet ist und eine Vielzahl von geneigten Sohlen aufweist, um einen Schwerkraftfluß des Feststoffes zu ermöglichen, wobei Schaufelarme zum mechanischen Rühren vorgesehen sind und das Behandlungs-Ozongas in der gleichen Richtung oder entgegengesetzt zur Fließrichtung des zu behandelnden Materials strömt.

Claims (5)

1. Chemo-thermo-mechanisches, mechanisches oder thermo-mechanisches Verfahren zur Ozonbehandlung von Papiermassen zum Zwecke der Verbesserung der mechanischen Eigenschaften, bei dem die auf einen zwischen 20 und 50% Feuchtigkeit liegenden Trockenheitszustand gebrachte Papiermasse auf einen Teilungszustand reduziert wird, der ausreicht, um zwischen ihr und dem Ozon-Gasstrom, dessen Einwirkung sie ausgesetzt ist, eine größtmögliche Kontaktfläche herzustellen, dadurch gekennzeichnet, daß die Ozonkonzentration des Gasstroms zwischen 4 und 10% in Masse, bezogen auf den Gasstrom, liegt, und daß die eingeleitete Ozonmenge zwischen 2 und 8% in Masse, bezogen auf das Trockenmaterial, liegt.

2. Reaktor zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, der aus einem Behälter in Form eines Rotationskörpers besteht, dem das Ozongas und die Papiermasse zugeführt werden und der Einrichtungen zur Einleitung der Papiermasse und zu deren Ableitung nach der Reaktion aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanalisation (5) zur Zuführung des Ozongases in den Behälter (6) eine Anzahl von Öffnungen (8) aufweist, durch die das Ozongas in den Behälter eingeblasen wird, so daß ein das gesamte Reaktionsvolumen erfassender radialer Strom gewährleistet ist, und daß der Behälter (6) mit Einrichtungen (7) versehen ist, die das zu behandelnde Material in einer dünnen Schicht halten und die eine ständige Erneuerung der Kontaktfläche Material - Behandlungsgas gewährleisten.

3. Reaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter vertikal angeordnet ist und eine Vielzahl von geneigten Sohlen aufweist, um einen Schwerkraftfluß des Feststoffes zu ermöglichen, wobei Schaufelarme zum mechanischen Rühren vorgesehen sind und das Behandlungs-Ozongas in der gleichen Richtung oder entgegengesetzt zur Fließrichtung des zu behandelnden Materials strömt.

4. Reaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zu behandelnde Materialschicht dort eine Dicke von etwa 10 cm aufweist.

5. Reaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (6) gegenüber der Horizontalen geneigt ist.