27.01.2014
ForschungUmwelt

Nachhaltige, ressourcenschonende Produktion

Wie Polymere das Papierrecycling verbessern

  • Abb. 1: Herstellung und Charakterisierung eines Modellextraktes. © Jürgen Jeibmann / Photographik DresdenAbb. 1: Herstellung und Charakterisierung eines Modellextraktes. © Jürgen Jeibmann / Photographik Dresden
  • Abb. 1: Herstellung und Charakterisierung eines Modellextraktes. © Jürgen Jeibmann / Photographik Dresden
  • Abb. 2: Dynamische Oberflächenspannung für Wasser (1), ein Modellextrakt (2), das Modellextrakt behandelt mit kationisch hydrophobierter Stärke (3) und (4) nach Zusatz von Bentonit zu (3)
  • Abb. 3: Reinigung von Polymergranulaten; oben, flüssige Phase: Abgetrenntes Wasser bei Zusatz von Tensid und unterschiedlichen Behandlungszeiten mit Ultraschall; unten: Granulat: Nach 10 Minuten ist das Polymergranulat komplett von der Druckfarbe "befreit"

Nachhaltige, ressourcenschonende Produktion ist das Ziel aller Unternehmen. In vielen Prozessen soll der Energie- ebenso wie der Wasserverbrauch minimiert werden. Wie viele andere große Wasserverbraucher ist auch die Papierindustrie angehalten, den Wasserbedarf zu senken. Durch geschlossene Wasserkreisläufe in den Papierfabriken konnte der Wasserverbrauch pro Tonne Papier in den letzten 60 Jahren auf 6 % reduziert werden. Doch gerade dadurch werden konzentriert Belastungen wie Stickies (klebende Verunreinigungen) im Kreislauf geführt und es stellen sich neue Herausforderungen. Zur Abtrennung von Stickies oder zur Reinigung von Polymergranulaten, die man zur Entfernung von Druckfarben aus dem Kreislaufwasser verwendet, können oberflächenaktive Verbindungen wie kationisch hydrophob modifizierte Stärken oder Tenside eingesetzt werden.

Trotz des rasanten Vormarschs elektronischer Medien - Internet, E-Books, elektronische Newsletter, E-Mails, etc. - ist der Papierverbrauch in den letzten Jahren nicht gesunken. Dass eher das Gegenteil der Fall ist, weiß jeder aus seinem täglichen Leben. 21 Millionen Tonnen Papier, Karton und Pappe werden in Deutschland derzeit jährlich verbraucht. Umso wichtiger sind der effiziente Umgang mit Ressourcen in der Papierproduktion und die Wiederverwertung. Bei Papier ist das Recycling in Deutschland schon sehr gut entwickelt: Rund 75 % des gebrauchten Papiers werden über Entsorgungsunternehmen und den Altpapierhandel wieder erfasst und innerhalb von rund 3 Wochen haben Sie ihre Zeitung bzw. das Papier, auf dem sie gedruckt wurde, wieder in der Hand und das bis zu sechs oder sieben Mal.

In neu produziertem Papier stecken durchschnittlich beachtliche 68 % Altpapier, wobei eine gewisse Menge Zellulose-Frischfasern bei den heutigen Maschinen und für gute Papierqualitäten unverzichtbar ist. Nicht nur bezüglich des Rohstoffeinsatzes wurde der Prozess der Papierherstellung in den letzten Jahrzehnten nachhaltig in Richtung Ressourcenschonung weiterentwickelt. Neben der Verringerung des Energieverbrauchs, der sich pro Tonne Papier seit 1965 mehr als halbiert hat, wurde auch der Wasserverbrauch von 167 l im Jahr 1950 auf ­­10 l ­in 2010 reduziert.

Die Senkung des Frischwasserverbrauchs in der Papierindustrie und damit die Nutzung von Kreislaufwasser stellt jedoch neue Herausforderungen.

Neue Zusätze, neue Anforderungen
Bei der Herstellung und Weiterverarbeitung von Papier und Karton gelangen durch immer attraktiver gestaltete, buntere, oberflächenveredelte Papierprodukte zusätzlich zu den schon immer verwendeten Zusatzstoffen (Binder, Emulgatoren und Prozesshilfsmittel) neuartige, zum Teil nanoskalige Teilchen in den Wasserkreislauf, die das Recycling anspruchsvoller machen. Beispiele dafür sind die allseits beliebten Klebezettel, aber auch Kleber von Buch- oder Zeitschriftenrücken, Klebebänder von Paketen und Substanzen aus der Oberflächenbeschichtung von Papier, in der Regel Latex. Die Klebstoffpartikel gelangen in das Kreislaufwasser und reagieren dort wegen ihrer negativen Ladungen mit kationischen Prozesschemikalien der Papierindustrie. Das erhöht nicht nur den Bedarf an solchen Chemikalien stark und verursacht unnötige Kosten, sondern führt auch zur Bildung von klebrigen Partikeln, die der Fachmann als Stickies bezeichnet. Diese Stickies lagern sich aufgrund ihrer Oberflächeneigenschaften an Grenzflächen an und verursachen Probleme im Prozess: von Fehlern im Papier bis hin zum Abriss der Papierbahn und Komplettausfall der Anlagen. Mit den bisherigen Verfahren lassen sich diese Rückstände nicht entfernen, ja teilweise lassen sie sich mit den üblichen Methoden noch nicht einmal im Wasserkreislauf detektieren und werden erst sichtbar, wenn ihr unheilvolles Werk getan ist.

Polyelektrolyte als Flockungsmittel
Im Rahmen eines von der Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) geförderten Forschungsprojekts (AiF Nr. 15875 BR) haben sich Wissenschaftler aus dem Leibniz-Institut für Polymerforschung in Zusammenarbeit mit Kollegen aus Jena und Rudolstadt dieser Probleme angenommen. Zunächst wurden Modellextrakte aus Papier unter Zusatz klebender Bestandteile hergestellt, siehe Abb. 1. Diese Modellextrakte konnten reproduzierbar mit definierten Eigenschaften hinsichtlich Oberflächenspannung und Ladung hergestellt werden, um neuartige Polyelektrolyte hinsichtlich ihrer Flockungswirkung zu testen.

Der Einsatz kationisch modifizierter Flockungsmittel, die zusätzlich mit hydrophoben Zentren ausgestattet wurden, sollte Möglichkeiten zum effektiven Austrag kolloidal gelöster hydrophober Substanzen aus dem Kreislaufwasser eröffnen. Diese Flockungsmittel auf der Basis der natürlichen, nachwachsenden Biopolymere Stärke und Chitosan (gewonnen aus Chitin, d. h. Panzern von Insekten und Krebstieren) wurden zusammen mit Partnern an der Universität Jena und dem Thüringischen Institut für Textil- und Kunststoff-Forschung in Rudolstadt entwickelt. Um die Stickies aus dem Wasserkreislauf entfernen zu können, müssen die Polymere zum einen kationisch geladen, zum anderen hydrophob, also wasserabweisend ausgestattet werden. Beides erfolgt über die Anbindung chemischer Gruppen: für die kationische Aufladung der Stärke unter Verwendung von QUAB/Epichlorhydrin und für die Hydrophobierung durch Reaktion mit Benzylchlorid. Die Synthese der modifizierten Stärken war im Projekt die Aufgabe der Thüringer Partner. Dass die so maßgeschneiderten Flockungsmittel prinzipiell zum gewünschten Erfolg führen würden, war aus den jahrelangen Erfahrungen auf diesem Gebiet anzunehmen. Natürlich waren die optimalen Parameter herauszufinden, wie den Grad der Hydrophobierung, die Ladung und die Dosierung der Flockungsmittel, die im Zusammenspiel von Menge, Wirkdauer und Effekt nachzuweisen waren. Zudem wurde durch die Zugabe des Schichtminerals Bentonit die Flockungswirkung zusätzlich unterstützt, siehe Abb. 2. Viele Einflussfaktoren also, zu denen noch die Prozessführung hinzukommt. Wichtig ist in Flockungsprozessen immer ein breites „Flockungsfenster", d. h. ein möglichst großer Konzentrationsbereich, in dem ein Flockungsmittel gut wirkt, denn man weiß vorher nie genau, wie viel Störstoffe im Abwasser enthalten und abzutrennen sind.

Für alle erzielten Effekte ist ein möglichst genauer qualitativer und quantitativer Nachweis zu erbringen. Die Messung von Ladung, Trübung und Partikelgröße, wie sie Stand der Technik ist, genügt dafür nicht. Ein geeignetes Messverfahren zu finden bzw. zu entwickeln, war deshalb wesentlicher Bestandteil der Arbeiten. Gelungen ist dies einerseits über den Einsatz von TOC-Messungen, also Messungen des Kohlenstoffgehalts im Abwasser, sowie insbesondere über die Adaption von Verfahren zur Messung der Oberflächenspannung. Da reines Wasser eine Oberflächenspannung von 72 mN/m hat, ist ein Absinken des Wertes ein untrügliches Indiz dafür, dass noch eine Verunreinigung im Wasser ist, so sauber es auch scheint. Die Erfassung von Verunreini­g­ung aus dem Papierprozess wurde als Patent angemeldet und verspricht einen hohen Nutzen für viele Anwendungen [4].

Entfernung von Druckfarbe
In einem weiteren Projekt wird das Know-how der Arbeitsgruppe genutzt, um die Wechselwirkungen bei der Entfernung von Druckfarbe aus dem Altpapier - dem so genannten Deinking- zu untersuchen.

Dass sich Polymergranulate sehr gut eignen, um Druckerschwärze aus dem Abwasser zu entfernen, haben Kollegen am Institut für Holz-und Papiertechnik der Technischen Universität Dresden gefunden. Die Methode haben sie als Patent angemeldet und mit Partnern der regionalen Papierindustrie in Sachsen bereits im Produktionsprozess getestet. Wie nun aber die kohlrabenschwarz gefärbten Granulate wieder sauber bekommen, um sie möglichst oft wiederverwenden zu können? Auch hier zeichnen sich schon Lösungen ab: Mit Wasser, einem geeigneten Tensid oder aber oberflächenaktiven Polymeren und Ultraschallbad gelang es, die Granulate wieder „blütenweiß" zu bekommen, siehe Abb. 3. Nach diesem Anfangserfolg stehen jetzt Untersuchungen an, mit welchem Polymertyp das Verfahren am besten funktioniert. Das zunächst verwendete Polyamid 6.6 (Nylon) war von den Papiertechnikern eher zufällig ausgewählt worden, die Kooperation mit Polymerforschern macht jetzt systematische Untersuchungen und verlässliche Erkenntnisse möglich.

Zusammenfassung
Sowohl klebrige Bestandteile, die beim Recycling von Papier entstehen, als auch Druckerschwärze können mit Hilfe hydrophober Wechselwirkungen mit Polymeren abgetrennt werden. Im ersten Fall werden hydrophob modifizierte, aber wasserlösliche Stärkederivate eingesetzt, während zur Druckfarbenentfernung (Deinking) Polymergranulate genutzt werden.

Danksagung
Die Autoren danken der Arbeitsgemeinschaft Industrieller Forschungsvereinigungen „Otto von Guericke" (AiF) für die finanzielle Förderung der Projekte (AiF-Nr. 15875 BR sowie 17561), die aus Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (BMWi) erfolgte. Weiterhin danken wir Frau Oelmann und Herrn Schönberger für die zahlreichen experimentellen Untersuchungen.

Literatur
[1] Schönberger L. et al.: WfP 12, 958-962 (2011)
[2] Petzold G. et al.: Coll. Surf. A 413, 162-168 (2012)
[3] Petzold G. et al.: Carbohydrate Polymers 90, 1712-1718 (2012)
[4] DE 10 2011 088 203 A1

 

Autor(en)

Kontaktieren

Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden e. V.
Postfach 120411
01005 Dresden, Sachsen
Deutschland
Telefon: +49 351 4658 282
Telefax: +49 351 4658 214

Jetzt registrieren!

Die neusten Informationen direkt per Newsletter.

To prevent automated spam submissions leave this field empty.