Wir verwenden Cookies, um Inhalte zu personalisieren, Funktionen für soziale Medien bereitzustellen und Zugriffe auf unsere Website zu analysieren. Sie stimmen der Verwendung von Cookies zu, wenn Sie unsere Website weiterhin nutzen. Für weitere Informationen lesen Sie bitte unsere Datenschutzerklärung.
Asset Publisher
Back

Damit die Chemie stimmt

 

Man mische Zellstoff mit Wasser und verteile die Masse dünn auf ein engmaschiges Sieb. Ein bisschen Pressen und Trocknen, und fertig ist der Bogen – so einfach ist Papierherstellung im Prinzip. In der industriellen Produktion wird der Prozess allerdings in riesigen Maschinen in die Länge gezogen. Damit sie ohne Unterbrechung laufen können, muss im wahrsten Sinne des Wortes die Chemie stimmen, und zwar in jeder Phase, während aus dem anfänglich dünnen Zellstoffbrei schrittweise Papier entsteht. Gase spielen dabei eine immer größere Rolle: Sie ersetzen Chemikalien, optimieren Teilprozesse, steigern die Qualität und schonen die Umwelt.

Am Anfang des Papiers steht der faserige Zellstoff. Dieses Material wird heute zu erheblichen Teilen aus Altpapier wiedergewonnen. Für die Gewinnung frischer Fasern verwendet man gelegentlich Stroh oder andere Pflanzenreste als Rohstoff, hauptsächlich stammen sie aber aus Holz: In den meisten Zellstofffabriken wird zerkleinertes Holz verarbeitet. Bei der Kochung werden dessen störende Bestandteile chemisch zerlegt und aufgelöst. Der Zellstoff, der mit dieser ersten Auftrennung gewonnen wird, ist noch stark mit den gelösten Holzbestandteilen vermengt. Deshalb wird er anschließend unter Einsatz von Wasser gewaschen.

Wäsche und Bleiche

In der Zellstoffwäsche spielt der pH-Wert eine sehr wichtige Rolle. Bei zu stark alkalischer Lauge quellen die Fasern auf und halten die verunreinigte Flüssigkeit gleichsam fest. In saurer Umgebung schrumpfen sie dagegen ein, die Lauge kann viel besser ablaufen und die Reinigung ist bei gleichem Aufwand wesentlich effizienter. Mit CO2 lässt sich der Säuregrad sehr präzise auf den optimalen Wert einstellen. „Der pH-Wert während und nach der Wäsche kann beträchtlich schwanken. Das liegt unter anderem an den verschiedenen Holzsorten oder der unterschiedlichen Qualität des Holzes, je nachdem zu welcher Jahreszeit es geerntet wurde“, erläutert Bernhard Thaller, Experte für Zellstoff- und Papier-Anwendungstechnik bei Messer in Österreich. „Durch Zugabe von Kohlendioxid kann man mit minimalem Aufwand, ohne Umbau der Anlage, für optimale Verhältnisse sorgen und viel Geld sparen.“

Der gereinigte Zellstoff enthält noch eine beträchtliche Menge Lignin. Dieser Bestandteil verleiht dem Holz – sowie braunen Papiersorten wie Wellpappe – die braune Farbe. Um später hochwertiges weißes Papier zu erhalten, folgt daher nun die Bleiche: Das Lignin wird in einem mehrstufigen Prozess chemisch aufgebrochen. Dafür wurden früher große Mengen Chlor eingesetzt, welche die Umwelt schwer belasteten. Heute dominieren umweltfreundlichere Bleichprozesse. Unter anderem werden Sauerstoff (O2) und das daraus gewonnene Ozon (O3) als Bleichmittel verwendet. Die reaktionsfreudigen Gase spalten das Lignin in kleinere Bruchstücke, die sich leicht von den Fasern trennen lassen.

Industriejumbos

Der Zellstoffbrei, mit dem die Papiermaschine gefüttert wird, besteht zu rund 99 Prozent aus Wasser. Diesen Anteil in Richtung Null zu senken, kann man als einen wesentlichen Teil des Produktionsablaufs bezeichnen. Damit das Trocknen in einem kontinuierlichen Prozess stattfinden kann, wird er auf rekordverdächtig lange Bahnen ausgedehnt. Papiermaschinen können bis zu 600 Meter messen, der Weg von der Ausgangsmasse bis zum fertigen Papier kann kilometerlang sein.

Schon wegen der großen Investition sollten die Maschinen möglichst ununterbrochen laufen, und auch der Herstellungsprozess selbst erfordert, wie bereits erwähnt, einen kontinuierlichen Betrieb. Dabei kommt es entscheidend darauf an, dass der anfangs dünnflüssige, dann immer dickere Zellstoffbrei in jeder Phase chemisch und physikalisch möglichst genau den definierten Vorgaben entspricht. Denn nur so kommt am Ende des Prozesses Papier von gewünschter Qualität heraus.

CO2 ersetzt Schwefelsäure

Bei manchen Prozessschritten werden zur pH-Einstellung Mineralsäuren wie Schwefelsäure eingesetzt. Solche Chemikalien sind nicht nur ätzend und in der Handhabung mit Risiken behaftet, sie lassen sich auch schwer dosieren. Ihre Wirkung steigt nicht analog zur eingesetzten Menge. Sie ist zunächst sehr gering, steigt aber ab einem bestimmten Punkt sprunghaft an. Die Gefahr der Überdosierung lässt sich also grundsätzlich nicht ausschließen. „Mit CO2 hingegen ist eine Überdosierung nicht möglich“, stellt Bernhard Thaller fest. „Kohlensäure kann als schwache Säure ein kritisches Niveau gar nicht erreichen. Außerdem lässt sich mit ihr der Säuregrad graduell auf ein hundertstel pH genau einstellen.“ Ein weiterer Vorteil von CO2 gegenüber Schwefelsäure ist, dass die Salzfracht im Kreislauf der Papiermaschine kleiner bleiben kann – mit der Schwefelsäure werden zusätzliche Sulfationen in das Kreislaufwasser eingebracht. Bei niedrigerem Salzgehalt können viele Hilfschemikalien ihre Wirkung besser entfalten. Auch im Abwasser der Papierfabrik wird dank CO2 der Sulfatgehalt gesenkt, der zulässige Grenzwert kann leichter eingehalten werden.

Ein weiterer Vorteil der pH-Wert-Einstellung mit Kohlendioxid ist sein Einfluss bei der stufenweisen Entwässerung des zu Papier werdenden Zellstoffbreis. Wie bei der Zellstoffwäsche bestimmt der Säuregrad auch hier das Quellverhalten der Fasern. Außerdem verändert sich mit dem pHWert die Wirkung bestimmter Hilfsstoffe, die für die Gleichmäßigkeit und die Festigkeit des Papiers zuständig sind. Mit dem dosierten Einsatz des CO2 lässt sich also die Qualität des Endprodukts verbessern.

Dieses wird am trockenen Ende der Maschine auf riesige Rollen gewickelt – die größte Papiermaschine der Welt auf der chinesischen Insel Hainan erzeugt in dreißig Minuten eine Papierrolle von fast elf Meter Breite, einem Durchmesser von 3,6 Meter und einem Gewicht von 90 Tonnen. Einmal entflammt, ließe sich ein solches Ungetüm nur sehr schwer löschen und würde über viele Tage weiterschwelen. Der Einsatz von Stickstoff zur Inertisierung von Papierlagern kann helfen, solche Brände von vornherein auszuschließen.

Autor: Dejan Šibila, Messer Slovenija