DE19618529A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Stoffgemischtrennung bei der Aufbereitung und Reinigung bedruckter Altpapiere - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Stoffgemischtrennung bei der Aufbereitung und Reinigung bedruckter Altpapiere nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung zur Durch­ führung dieses Verfahrens.

Seit Beginn der 60er Jahre ist es bekannt, die Flotation als Ver­ fahren zur Trennung von Stoffgemischen bei der Aufbereitung und Reinigung bedruckter Altpapiere zu verwenden. Unter Flotieren ist dabei ein Vorgang zu verstehen, bei dem ein zu behandelndes Feststoff-Flüssigkeits-System, das meist mehrere verschiedene Feststoffkomponenten enthält, mit einem mehr oder weniger fein dispergiertem Gas - meist Luft - durchströmt wird. Entsprechend den unterschiedlichen oberflächenchemischen Eigenschaften der Feststoffkomponenten lagern sich diese mehr oder weniger selek­ tiv an die Gasblasen an und werden schließlich zur Oberfläche der Suspension transportiert. Der sich dort bildende Flotations­ schaum wird abgezogen. Neben den oberflächenchemischen Eigen­ schaften nehmen auch die Größenverhältnisse zwischen den Gasbla­ sen und den zu flotierenden Partikeln sowie die Turbulenzintensi­ tät und die Turbulenzstruktur in der Flotationszelle auf die Se­ lektivität des Trennvorgangs großen Einfluß.

Trotz intensiver Entwicklungsarbeit ist die Selektivität dieser Technik noch nicht befriedigend. Dies kommt unter anderem auch in den grundsätzlich zwar nicht zu vermeidenden, aber in dem heute üblichen Maß unbefriedigenden Stoffverlusten zum Ausdruck. Die Wirksamkeit des Deinking-Verfahrens ist nicht ohne weiteres qua­ lifizierbar. Der Reinigungswirkungsgrad, definiert als Menge der ausgeschlossenen Druckfarben bezogen auf die Menge der eingetra­ genen, dürfte jedoch heute in der Größenordnung von 60 bis 70% liegen. Das gilt allerdings nur für die relativ einfach zu flo­ tierenden Druckfarben, also für Offset-, Hochdruck- und Tief­ druckfarben, nicht aber für wasserbasierende Flexodruckfarben oder für wasserbasierende Farben generell. Darüberhinaus spielt auch die Zusammensetzung des Papiers und insbesondere dessen Oberflächenbehandlung eine entscheidende Rolle.

Bei Druckfarbenpartikeln, die mit Hilfe des Flotationsverfahrens aus den entsprechenden Altpapierstoffsuspensionen abgetrennt wer­ den müssen, handelt es sich grundsätzlich um Agglomerate sehr kleiner Primär-Pigmentpartikel (in der Größenordnung einiger Na­ nometer), die je nach der chemischen Natur ihrer Bindemittel mehr oder weniger hydrophob sind. Ihre Dichte liegt typischerwei­ se in der Größenordnung von 1, also im Bereich der Dichte der kontinuierlichen Phase (Wasser). Das gleiche gilt im wesentli­ chen für dispergierte Verunreinigungen, die ein Klebepotential entwickeln können, die allerdings meist ausgeprägt hydrophob sind. Eine spontane Separation aus der kontinuierlichen Phase durch Sedimentation oder (spontane) Flotation ist bei beiden Par­ tikelarten nicht gegeben, vor allem auch wegen der aufgrund des Größenspektrums und der üblichen Stoffdichten extrem niedrigen Schwarm-Separationsgeschwindigkeiten selbst bei nennenswerten Dichteunterschieden.

Die Aufbereitung des Altpapiers beginnt üblicherweise mit der Zerfaserung und Suspendierung in sogenannten Pulpern oder Auflö­ setrommeln - heute in der Regel bei relativ hohen Stoffdichten (10 bis 15%). Meist werden alle zur Druckfarbenablösung und zur Flotation erforderlichen Deinking-Chemikalien (Seifen oder Fett­ säuren, Natronlauge, Wasserglas, Wasserstoffperoxid, eventuell Komplexbildner und Sammlerchemikalien) bereits in diesem Prozeß­ schritt zugegeben. Es schließt sich gegebenenfalls eine weitere Zerfaserungsstufe in einem Sekundärpulper an, bevor die Aus­ schleusung grober Verunreinigungen in Dickstoffreinigern er­ folgt. In der folgenden Vorsortierung werden bereits kleinere Verunreinigungen in Drucksortierern mit Loch- und Schlitzkörben zurückgehalten. Eine wirksame Entfernung von Druckfarbenparti­ keln kann mit diesem Trennverfahren jedoch nicht erreicht wer­ den. Aus diesem Grund schließt sich bei der Aufbereitung von Deinking-Stoff eine erste Flotationsstufe zur Druckfarbenentfer­ nung an, der heute immer noch häufiger eine Dispergierstufe nach­ geschaltet ist, in der noch vorhandene Verunreinigungen zerklei­ nert werden. Bei hohen Ansprüchen an die optische Qualität (Weiß­ grad und Reinheit) kann eine zweite Flotationsstufe folgen.

Bei bekannten Flotationsverfahren werden innerhalb von Flota­ tionszellen Zonen bereitgestellt, in denen die Luft in die Sus­ pension eingetragen und dispergiert wird. In sich anschließenden turbulenzärmeren Zonen erfolgt die Flotation. Schließlich schließen sich Zonen an, in denen der sich bildende Schaum abge­ zogen wird. Die derart aufgebauten Flotationszellen basieren aus­ schließlich auf der Nutzung der oberflächenchemischen Eigenschaf­ ten der Partikel, in erster Linie ihrer Hydrophobie, die die Flo­ tation durch die Anlagerung an Gasblasen nahelegt. Wie die Erfah­ rung zum Beispiel mit wasserbasierenden Flexodruckfarben und laserbedruckten Altpapieren gezeigt hat, ist die Strategie nur dann erfolgreich, wenn sowohl ein ausreichendes Niveau der Hydro­ phobie vorliegt, als auch die Partikelgrößen in Bereichen lie­ gen, die die Anlagerung an Gasblasen (deren Größenspektrum in den meisten kommerziell verfügbaren Deinking-Zellen nicht be­ kannt und nur beschränkt beeinflußbar ist) überhaupt zulassen. Das Fehlen nur einer dieser Voraussetzungen führt zwangsläufig zu unbefriedigenden Reinigungsergebnissen bei problematischen Altpapieren.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens an die Hand zu geben, mit der insbesondere Druckfarben und andere Verunreini­ gungen aus Altpapierstoffen auf der Basis des Flotationsprinzips wirksam entfernt werden können.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch das Verfahren gemäß An­ spruch 1 und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 3 bzw. Anspruch 5 gelöst. Demnach wird die Flota­ tion erfindungsgemäß im Zentrifugalfeld durchgeführt. Hier wird zwar die Flotation mit Hilfe von Luftblasen weiterhin den domi­ nierenden Effekt bei der Entfernung der Druckfarben und anderer Verunreinigungen aus den Altpapierstoffen bilden. Allerdings wird die Separationsgeschwindigkeit und insbesondere die Selekti­ vität der Trennung durch die Wirkung des Zentrifugalfeldes be­ schleunigt und unterstützt werden. Insgesamt können die Flota­ tionszellen auch wesentlich kleiner bauen.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn bei dem Verfahren die weitge­ hend verunreinigungsfreien Faserstoffkomponenten des Altpapiers gezielt abgetrennt werden (Positivsortierung). Im Stand der Tech­ nik hatte man diese Möglichkeit der Positivsortierung außer acht gelassen. In den bekannten Flotationszellen wurde nur versucht, die Verunreinigungen aus dem Stoffgemisch abzutrennen (Negativ­ sortierung).

Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfah­ rens kann eine rotationssymmetrische Zelle mit einem tangentia­ len Einlauf für das Altpapier aufweisen. Im Bereich dieses Ein­ laufs können am Umfang der Zelle verteilt Gasverteilungsvorrich­ tungen angeordnet sein. In die Zelle kann ein Rotor zur Erzeu­ gung eines Zentrifugalfeldes hineinragen. Zentral in die Zelle kann ein Schaumabzugsrohr hineinragen und an der Zelle kann ein Abzug für den gereinigten Gutstoff ansetzen.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform kann der Rotor koaxial zu dem Schaumabzugsrohr ausgebildet sein und dieses in einer zen­ trischen Ausnehmung aufnehmen. Eine andere erfindungsgemäße Vor­ richtung kann eine rotationssymmetrische Zelle aufweisen, an de­ ren einen Seite ein koaxiales Einlaufrohr für das Altpapier und an der gegenüberliegenden Seite ein koaxiales Schaumabzugsrohr vorgesehen ist. Der Inhalt der Zelle ist in eine rotierende Bewe­ gung zur Erzeugung des Zentrifugalfeldes versetzbar und es kann eine Luftzufuhr und ein Gutstoffabzug vorgesehen sein.

Das Rotationsfeld kann innerhalb der Zelle durch einen in sie hineinragenden Rotor erzeugt werden. Alternativ dazu kann das Zentrifugalfeld aber auch durch Rotation der Zelle selbst erzeug­ bar sein.

Die Luftzufuhr kann über ein zum Einlaufrohr koaxial verlaufen­ des Rohr erfolgen, während der Gutstoffabzug über ein zum Schaum­ abzugsrohr koaxiales Rohr erfolgen kann. Dabei können das Rohr zur Luftzufuhr und das Rohr zum Gutstoffabzug einstückig mit der Zelle ausgebildet sein.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1: eine schematische Schnittdarstellung einer ersten Aus­ führungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung und

Fig. 2: eine schematische Schnittdarstellung einer zweiten Aus­ führungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Die in Fig. 1 dargestellte Flotationszelle 10 weist eine rota­ tionssymmetrische Zelle 12 auf, die im wesentlichen aus einem feststehenden zylindrischen Gehäuse besteht. Geht man von einer senkrecht stehenden Anordnung der Zelle 12, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist, aus, so ist im unteren Bereich der Zelle 12 ein tangentialer Einlauf 14 für den sogenannten Graustoff, d. h. das zerfaserte und mit Deinking-Chemikalien versetzte Altpapier vor­ handen. Ebenfalls im unteren Bereich der Zelle 12 ist ein ring­ förmiger Gasverteiler 16 mit einem Zuleitungsrohr 18 für das Gas vorgesehen. Im oberen Bereich der Zelle 12 ist seitlich ein Gut­ stoffabzugsrohr 20 angesetzt. Koaxial zur rotationssymmetrischen Zelle 12 ist in diese von oben ein Schaumabzugsrohr 22 einge­ führt, das sich an seinem freien Ende trichterförmig erweitert. Ebenfalls von oben ragt in die Zelle ein Rotor 24 ein, der vier Rotorblätter aufweist, um den Inhalt der Zelle 12 in Rotationsbe­ wegung zu versetzen. Der Rotor 24 ist koaxial zum Schaumabzugs­ rohr 22 angeordnet und nimmt dieses, wie in Fig. 1 dargestellt, in einer zentralen Ausnehmung 26 auf.

Der Graustoff tritt bei der Vorrichtung gemäß Fig. 1 tangential in die Zelle 12 ein und wird durch die am Umfang der Zelle 12 verteilten Gasverteilungsvorrichtungen 16 begast. Unter Wirkung der Zentrifugalkraft werden die Luftblasen 28 beschleunigt zum Zentrum des Feldes geleitet, wobei sich ihr Durchmesser infolge des Druckabfalls als Funktion der Schleuderzahl vergrößert. Der sich dabei bildende Schaum, der je nach Turbulenzintensität auch aus koaleszierten Blasen mit daran anhaftenden Verunreinigungen bestehen kann, wird durch das zentral in die Zelle 12 eintauchen­ de Schaumabzugsrohr 22 abgezogen. Die flotierten Verunreinigun­ gen sind in Fig. 1 mit 30 bezeichnet. Die sich im äußeren und oberen Bereich der Zelle 12 ansammelnden gereinigten Fasern 32 werden über den Gutstoffabzug 20 abgezogen. Mit der erfindungsge­ mäßen Vorrichtung kann aufgrund des Zentrifugalfeldes eine hohe Separationsgeschwindigkeit und damit - verglichen mit konventio­ nellen Flotationszellen - eine deutlich reduzierte Baugröße realisiert werden.

Eine andere Bauform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in Fig. 2 dargestellt. Funktionsgleiche Teile werden hier mit den­ selben Bezugszeichen wie in Fig. 1 bezeichnet. Die Zelle 12 ist hier aus einem rotationssymmetrischen Bauteil gefertigt, das mit­ tig einen rohrförmigen Teil 34 umfaßt, an den sich zwei Kegelstümpfe 36 bzw. 38 und jeweils Rohre 40 und 42 derart an­ schließen, daß sich ein zu einer Symmetrielinie 44 rotations­ symmetrischer Körper ergibt. Diese Zelle 12 ist als rotierende Zelle ausgebildet. Durch die Rotationsbewegung der Zelle 12 wird das Zentrifugalfeld erzeugt. An einer Seite der Zelle 12 ist ko­ axial zu dem Rohr 42 ein Einlaufrohr 14 für den Graustoff ange­ ordnet. Gegenüberliegend ist koaxial zum Rohr 40 der Zelle 12 ein Schaumabzugsrohr 22 angeordnet. Das das Einlaufrohr 14 umge­ bende Rohr 42 der Zelle 12 dient gleichzeitig als Luftzufuhrrohr 18. Die zugeführte Luft wird durch parallel zum pyramidenstumpf 38 verlaufende Lochbleche 46 in das Innere der Zelle 12 in Form von Gasblasen 28 abgegeben.

Das das Schaumabzugsrohr 22 umgebende Rohr 40 der Zelle 12 dient gleichzeitig als Gutstoffabzugsrohr 20.

Bei dieser Ausführungsform wird der Graustoff durch das zentrale Einlaufrohr 14 in das Zentrum des Zentrifugalfeldes eingeleitet. Die Zentrifugalströmung wird durch die mit variabler Drehzahl antreibbare Zelle 12 aufgebaut. Aufgrund ihrer höheren Dichte werden die spezifisch schwereren Fasern unter der Feldwirkung des Zentrifugalfeldes nach außen, also zum Mantel der Zelle 12 hin bewegt. Durch das Zentrifugalfeld erfolgt also eine Positiv­ sortierung. Partikel mit höherem Strömungswiderstand sowie Parti­ kel geringen spezifischen Gewichts verbleiben im Zentrum des Zen­ trifugalfeldes, selbst wenn sie nicht an Gasblasen angelagert werden. Flotierbare Partikel lagern sich an die von außen nach innen strömenden Gasblasen an und werden selbst bei höherem spe­ zifischen Gewicht in das Wirbelzentrum geleitet. Der Gutstoffab­ zug erfolgt im oberen Bereich der Zelle über das Gutstoffabzugs­ rohr 20, während der Schaumabzug über das in das Wirbelzentrum eintauchende Schaumabzugsrohr 22 erfolgt.

Mit dieser erfindungsgemäßen Vorrichtung kann verhindert werden, daß an sich kaum hydrophobe und deshalb nur schwer flotierbare Partikel, wie beispielsweise Flexofarbpartikel, das Wirbel­ zentrum verlassen und in den Gutstoff gelangen, solange ihr Strömungswiderstand hinreichend groß ist. Da auch der Strömungs­ widerstand der Suspensionsbestandteile von Bedeutung ist, be­ wirkt diese Vorrichtung zusätzlich eine Fraktionierung, die eine selektivere Auftrennung des Graustoffs im Vergleich zu bekannten Flotationsverfahren ermöglicht.

Claims (10)

1. Verfahren zur Stoffgemischtrennung bei der Aufbereitung und Reinigung bedruckter Altpapiere, bei dem das zerfaserte und suspendierte sowie mit Deinking-Chemikalien versetzte Altpa­ pier zumindest einer Flotationsstufe unterworfen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Flotation im Zentrifugalfeld erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die weitgehend verunreinigungsfreien Faserstoffkomponenten des Altpapiers abgetrennt werden.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine rotations­ symmetrische Zelle einen tangentialen Einlauf für das Altpa­ pier aufweist, daß im Bereich dieses Einlaufs am Umfang der Zelle verteilt Gasverteilungsvorrichtungen angeordnet sind, daß in die Zelle ein Rotor zur Erzeugung eines Zentrifugal­ feldes hineinragt, daß zentral in die Zelle ein Schaumabzugs­ rohr hineinragt und daß an der Zelle ein Abzug für den ge­ reinigten Gutstoff ansetzt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor koaxial zum Schaumabzugsrohr ausgerichtet ist und die­ ses in einer zentrischen Ausnehmung aufnimmt.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine rotations­ symmetrische Zelle an einer Seite ein koaxiales Einlaufrohr für das Altpapier und an der gegenüberliegenden Seite ein koaxiales Schaumabzugsrohr aufweist, daß der Inhalt der Zel­ le in rotierende Bewegung versetzbar ist und daß eine Luftzu­ fuhr und ein Gutstoffabzug vorgesehen sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß in die Zelle ein Rotor zur Erzeugung der rotierenden Bewegung hineinragt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der rotierenden Bewegung die Zelle selbst in Rota­ tionsbewegung versetzbar ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Luftzufuhr über ein zum Einlaufrohr koaxi­ al verlaufendes Rohr erfolgt.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Gutstoffabzug über ein zum Schaumabzugs­ rohr koaxiales Rohr erfolgt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder Anspruch 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Rohr zur Luftzufuhr und das Rohr zum Gut­ stoffabzug einstückig mit der Zelle ausgebildet sind.