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Trockenverfestiger sind schon jahrzehntelang in der Papierindustrie und der Literatur bekannt. Dazu zählen natürliche wie auch synthetische Produkte. Als Beispiele dienen vor allem Stärke oder Produkte auf Polymerbasis. ACAT BondStar® Produkte sind hauptsächlich auf Polymerbasis und entfalten ihre Wirkung durch ein Zusammenspiel von Aldehyd- und Hydroxylgruppen. Die Festigkeiten entstehen schon in der Pressenpartie und entfalten sich beim Trocknen voll. Die massiven Bindungen stärken das Blattgefüge und geben dem Papiermacher ganz neue Möglichkeiten und Werkzeuge zur Papierherstellung.

Den Durchbruch haben BondStar® Produkte vor allem in den letzten Jahren erlebt. Die Papierwelt hat sich rapide verändert und die Digitalisierung ist nicht aufzuhalten. Die immer häufiger recyclierten Altpapierfasern und der schrumpfende Frischfaseranteil sind eine echte Herausforderung für die Papierindustrie. Bei der Beschaffung von Altpapier spielen in der heutigen Zeit immer mehr globale und politische Einflüsse eine Rolle. Das hat Auswirkungen auf die Qualität und Preise. Im Verpackungspapierbereich wird versucht, mit der niedrigsten Faserqualität das bestmögliche Endprodukt herzustellen. Das gelingt nicht immer. Hier kann das Endprodukt mit ACAT Trockenverfestigern in seinen Festigkeitswerten stabilisiert, oder darüber hinaus auf ein nächst höheres Qualitätsniveau angehoben werden.

Der grafische Papiersektor hat in den letzten Jahren besonders stark an den Erlösen gelitten und leidet teilweise immer noch. Hier wird ständig der Versuch unternommen, ein sehr kostenbewusstes Produkt marktgerecht herzustellen. Dies zeigt sich oft bei der Suche nach günstigeren Alternativfaserstoffen oder den immer weiter steigenden Füllstoffmengen. Damit das Endprodukt immer noch die Festigkeits- und Bedruckbarkeitseigenschaften erfüllen kann, kommen immer mehr Trockenverfestiger zum Einsatz. Dabei sind es BondStar® Trockenverfestiger Produkte, die immer häufiger angefragt werden. BondStar® ist in unterschiedlicher Konzentration als Handelsware erhältlich und darüber hinaus gibt es noch die on-site Technologie, bei der kosteneffizient die Herstellung in der Papierfabrik vor Ort erfolgt.

ACAT ist auf die on-site Technologie spezialisiert und hat daraus die BondStar® Produktreihe kreiert. Oft beginnen neue Projekte mit Laborarbeit, die den Grundstein für einen erfolgreichen Maschinenversuch legt. Gelingt es uns, den Kunden von der Technologie auf der Maschine zu überzeugen, erfolgt der Bau einer an den Kunden zugeschnittenen Anlagentechnik. Nach

Installation der Anlagentechnik erfolgt eine Optimierung der Applikation und der Wirtschaftlichkeit. Für die Betreuung der Anlagen arbeiten wir mit modernsten Überwachungs- und Wartungssystemen, wodurch wir dem Kunden immer eine zuverlässige Applikation garantieren. Im Hinblick auf die Logistik arbeiten wir im höchsten Maßstab vorausschauend und mit telemetrischer Überwachung.

DIE LABORARBEIT – DER GRUNDSTEIN ZUM ERFOLG

Bevor wir einen Papiermaschinenversuch empfehlen, beginnt unsere Arbeit oft im Labor beim Kunden. Dabei spezialisieren wir uns immer mehr auf die Nachbildung der Papiersorte und des Prozesses des Kunden. Somit können wir im Vorfeld genau analysieren, ob unsere BondStar® Trockenverfestiger den Erwartungen gerecht werden und welche Effekte wir auf der Papiermaschine erwarten können. Es gilt auch, den Kunden im Vorfeld mit den Laborergebnissen von unserem Produkt zu überzeugen. Im Labor können wir so auf dem Blattbildner viele Papiersorten reproduzieren und den Prozess der Einmischung und Zugabe der Additive simulieren. Somit können wir die im Labor hergestellten Prüfblätter auf Festigkeitsparameter und auch auf einige Bedruckbarkeitseigenschaften testen.

Die gängigsten Prüfmethoden für Festigkeiten sind hierbei Bruchkraft, Bruchdehnung, Reißlänge, SCT/RCT, Berstdruck, Spaltfestigkeit und CMT. Als Beispiel für BondStar® zur Steigerung der Spaltfestigkeit vergautschen wir zwei Laborblätter im nassen Zustand und simulieren dabei eine zwei- oder mehrlagige Papiermaschine. Im Hinblick auf die Bedruckbarkeitstests arbeiten wir mit dem Kunden eng zusammen und prüfen unter anderem den Dennison Wachstest, IGT,

die Glätte und Rauigkeit. Als Beispiel hierfür könnte der Einsatz von BondStar® zur Steigerung der Füllstoffmengen sein. Dabei gilt es, die Bedruckbarkeitsanforderungen einzuhalten. Ein zu hoher Füllstoffeinsatz würde zum Beispiel im Offsetbereich Probleme auf den Drucktüchern verursachen. Mit Hilfe von BondStar® lässt sich die Asche besser im Papier fixieren.

DER MASCHINENVERSUCH MIT BONDSTAR® – EIN WEITERER MEILENSTEIN

Wenn wir unseren Kunden mit der Laborarbeit für einen Betriebsversuch begeistern konnten, organisieren wir die entsprechende Anlagentechnik und das Rohmaterial.

Hierbei haben wir zwei Methoden entwickelt, um die Versuche zu realisieren. Die erste Methode ist sehr simpel und für Kurzversuche bis zwei Tage angedacht. Dabei entnehmen wir das vor Ort hergestellte BondStar® bei einem unserer Bestandskunden und liefern das fertige Produkt per IBC Container oder Tankzug direkt zum Versuchskunden. Mit entsprechender Dosiertechnik wird das Produkt in der Papierfabrik appliziert.

Die zweite Methode ist etwas aufwändiger, jedoch auch ohne weitere Probleme zu realisieren. Hierbei stellen wir beim Versuchskunden eine manuelle BondStar® Anlage auf. Diese Anlage wird während des ganzen Versuches kontinuierlich von ACAT Mitarbeitern betreut und BondStar® vor Ort frisch zubereitet. Mit dieser Anlage ist ein Versuch über mehrere Tage möglich.

Bei weiten Fahrstrecken ist diese Methode die einzige Möglichkeit, einen Versuch durchzuführen. Somit bietet diese Vorgehensweise mehr Flexibilität. Sie bedarf jedoch eines großen Personalaufwandes. Der Maschinenversuch wird über die ganze Zeit von ACAT Spezialisten betreut und zusammen mit der Produktionsleitung und den Maschinenführern begleitet. Dank zahlreicher Erfahrungen wissen wir genau, welche Schrauben wir an der Papiermaschine bewegen müssen, damit der Versuch zum Erfolg führt. Dadurch kann immer ausgeschlossen werden, dass Verluste oder Schäden verursacht werden.

Für viele Kunden sind nicht nur Festigkeits- oder Bedruckbarkeitseigenschaften wichtig. Immer öfter geht es auch darum, die Papiermaschine und ihren Lauf zu optimieren. BondStar® ist hierfür ein wunderbares Werkzeug für den Papiermacher. Es bietet einige spannende Möglichkeiten, welche wir in der Grafik (Abbildung 3) zeigen.

Die braunen Verpackungshersteller erwarten von BondStar® oftmals eine Steigerung der Festigkeiten. Als Nebeneffekte können Produktionssteigerungen und eine Verbesserung der Runability verbucht werden.

Unter Runability versteht der Papiermacher den Maschinenlauf ohne Abrisse und Störungen. Gerade bei niedrigen Flächengewichten ist die Runability sehr gefragt. Durch immer schlechter werdendes Altpapier mit stagnierenden Festigkeiten und steigenden Aschegehalten können Trockenverfestiger, wie unser BondStar®, den Produktionsprozess deutlich verbessern. Darüber hinaus wird BondStar® auch oft eingesetzt, um die gewünschte Spezifikation einzuhalten beziehungsweise erst zu erreichen. Somit können sehr effektiv die Reklamationskosten gesenkt und oftmals auch neue Kunden gewonnen werden.

Nach Einschalten von BondStar® können die ersten positiven Effekte sehr schnell wahrgenommen werden. In sauberen Kreisläufen steigt als Nebeneffekt zudem die Retention an und die Entwässerung verbessert sich. Entsprechend sinkt der spezifische Dampfeinsatz zur Trocknung des Papiers. In Folge dessen können die Züge in der Trockenpartie gelockert und der Maschinenlauf dadurch verbessert werden. Unmittelbar nach dem Einschalten kann der Einsatz von BondStar® hinsichtlich Festigkeiten und Oberflächeneigenschaften im Labor gemessen werden. Somit hat der Papiermacher einen sehr schnellen Einfluss auf seine Qualitätsparameter. BondStar® bietet die Möglichkeit, schnellere Sortenwechsel auf höhere Qualitäten ohne Zwischensorten durchzuführen. Die grafischen Papiererzeuger erwarten wieder andere Ergebnisse vom Einsatz von BondStar®. Hier geht es hauptsächlich um Kostenoptimierung und Substitution teurer Rohstoffe durch günstigere Ersatzstoffe.

Ein Anwendungsfall hierfür ist zum Beispiel der Offset Bereich. Dort gilt es speziell, die Füllstoffmenge bei gleichzeitiger Einhaltung der Bedruckbarkeits- und Festigkeitseigenschaften zu erhöhen. Dabei ist es mit BondStar® gelungen, die Füllstoffmenge bis auf 34 % zu steigern und alle Parameter einzuhalten.

Der Einsatz von BondStar® bewirkt als Nebeneffekt oft eine Steigerung der Retention und Entwässerung. Gleichzeitig kann die Formation leicht verbessert werden. Mit einem höheren Füllstoffeinsatz kann zudem eine bessere Trocknung erreicht werden. BondStar® verhält sich im System relativ neutral und verträgt sich hierbei mit diversen handelsüblichen chemischen Additiven.

Dies weckt beim Kunden großes Vertrauen, weil er sein System nicht an BondStar® anpassen muss beziehungsweise kann oder will. Somit gibt es zum Beispiel keinen negativen Einfluss auf optische Aufheller, auf diverse Leimungsmittel, Retentionsmittel oder Farben.

INSTALLATION DER ANLAGENTECHNIK – MASSGESCHNEIDERTE LÖSUNGEN FÜR JEDEN KUNDEN

Nach dem erfolgreichen Papiermaschinenversuch erfolgt die Projektierung der Anlagentechnik und deren Installation. ACAT hat einen eigenen Anlagenbau in Österreich und verfügt über alle Möglichkeiten, die Anlagen maßgeschneidert für den jeweiligen Kunden auszulegen. Bevor eine Anlage projektiert wird, wird gemeinsam mit dem Kunden ein idealer Platz für die Anlagentechnik ausfindig gemacht. Anhand von CAD Plänen kann ACAT die Anlagen in 3D einzeichnen und dem Kunden vorab vorstellen. Bei der Installation einer Anlage müssen sämtliche Faktoren, wie zum Beispiel Entladung des Rohmaterials und Nähe zum Dosierort, berücksichtigt werden. Für die Aufstellung und Inbetriebnahme der Anlagentechnik werden meist nicht mehr als fünf Werktage benötigt.

START-UP UND OPTIMIERUNG

Der Start-Up der Anlagentechnik erfolgt mit dem ACAT-Anfahrteam. Über einen längeren Zeitraum wird das Produkt seitens ACAT sowohl technisch als auch technologisch betreut. Dabei erfolgt eine kontinuierliche Schulung der Papiermacher und eine gemeinsame Optimierung der Einsatzmengen und des Sortenprogramms.

Über die Start-Up Phase bekommt man ein Gefühl für die Verbrauchsmengen. So kann die Logistik der Rohmaterialien optimal eingetaktet werden.

Oft übernimmt der Kunde nach einer gewissen Zeit die Fahrweise mit BondStar® selbstständig. Wann immer er nun BondStar® benötigt, startet er die Pumpen eigenständig und fährt seine Produktion. Die Anlagentechnik steht die ganze Zeit Standby und produziert nach Bedarf automatisch.

AFTER SALES SERVICE – STEUERUNG DER LOGISTIK

Der regelmäßige Besuch beim Kunden und die Pflege der Anlagentechnik ist bei ACAT Bestandteil des Services. Über diverse telemetrische Dienste sind wir in der Lage, die Anlagen weltweit zu überwachen, zu steuern und zu warten. Hierüber wird auch in Absprache mit dem Kunden die gesamte Rohstofflogistik abgewickelt.

BONDSTAR® – WELTWEIT

Durch langjährige Erfahrungen ist ACAT weltweit führend mit BondStar® on-site Produktion von synthetischen Trockenverfestigern. Von den USA bis nach China ist ACAT mit seiner Technologie vertreten.

Wir freuen uns auf neue Projekte und sind gespannt, wohin uns unsere Reise das nächste Mal bringt.

Durch die immer weiter fortschreitende Schließung der Wasserkreisläufe bei der Papierproduktion und den erhöhten Eintrag von Altpapier kommt es zu einer Anreicherung von sogenannten Störstoffen. Diese Störstoffe lassen sich sowohl nach ihrer Herkunft als auch nach ihrer chemischen Zusammensetzung unterscheiden (Abb.1). Für Betrachtungen prinzipieller Art reicht es jedoch aus, zwischen löslichen und partikulären beziehungsweise unlöslichen Störstoffen zu unterscheiden.

Ein möglicher Weg zur Beschreibung von Störstoffen ist deren Charakterisierung durch fundamentale physikalisch / chemische Parameter.

Die wichtigsten Parameter sind in diesem Zusammenhang die gewichtsspezifische Ladungsdichte und die Partikelgröße. Lösliche Störstoffe sind Moleküle oder Makromoleküle und liegen daher im Bereich unter einem Mikrometer. Mehrere Untersuchungen in Wasserkreisläufen zahlreicher Papierfabriken haben ergeben, dass mehr als 90 Prozent des partikulären Störstoffvolumens in einem Teilchengrößenbereich zwischen 1 μm und 50 μm anzutreffen sind (Abb.2).

Bei der Behandlung von Störstoffen in der Papierherstellung ist eine klare Unterscheidung zwischen Ladungsneutralisation und der Bekämpfung von Ablagerungen wichtig.

Im Falle der unlöslichen Störstoffe liegt der Behandlungsschwerpunkt meist auf der Ladungsneutralisation, wobei bei partikulären Störstoffen der Ablagerungsaspekt im Vordergrund steht.

Für viele partikuläre Störstoffe steht die Ablagerungsneigung im wässrigen Medium – das heißt, während der Stoffaufbereitung und in der Sieb-und Pressenpartie – in einem engen Zusammenhang mit deren „Klebrigkeit“. Die Ablagerungsneigung der Störstoffpartikel steigt mit zunehmender Partikelgröße.

Selbst Störstoffpartikel, die zunächst noch aufgrund geringer Größe ein niedriges Ablagerungspotential besitzen, können durch lange Verweilzeiten im System mit anderen Partikeln koagulieren und so ihr Ablagerungspotential vergrößern.

Eine inzwischen gut etablierte Methode zur Entfernung von Störstoffpartikeln in diesem Größenbereich ist deren Fixierung mit Hilfe kationischer Polymere. Dabei ist es wichtig, dass die Partikel im fein dispergierten Zustand und ohne Koagulatbildung fixiert werden.

Kationische Polymere der BondStar®-Serie bieten unter anderem eine breite chemische Möglichkeit in konkreten Anwendungssituationen.

Chemie der Fixiermittel

Das Fixiermittel wirkt als Verbindungsglied zwischen Faser und Störstoffteilchen. Dabei wirken anziehende Kräfte sowohl zwischen Polymer und Faser, als auch zwischen dem Polymer und dem Störstoffteilchen (Abb.3).

Im Falle der Abscherung des Störstoffteilchens bliebe das Polymer auf der Faser zurück. Zur Einstellung der Wechselwirkungskräfte kann man verschiedene molekulare Parameter des Polymers optimieren. Die wesentlichen Parameter sind das Molekulargewicht, die Ladungsdichte, die Molekularstruktur und die Modifizierung des Moleküls mit zusätzlichen funktionellen Gruppen.

Verschiedenste Stoffsysteme und deren Anwendungsumfeld verlangen ideale Kombinationen in den verschiedensten molekularen Parametern. Diese Flexibilität bieten beispielsweise die Produkte der BondStar®-Serie seitens der ACAT.

BondStar® Produkte weisen über einen breiten pH- Bereich (3 – 10) sehr hohe kationische Ladungen auf (bis zu 15 meq/g), (Abb.4).

In der punktuellen Fixierung kann man BondStar® Produkte optimiert über ein breites Papierproduktionsspektrum einsetzen, von holzfreien Papieren, über Feinpapiere bis zu Papieren aus 100 Prozent Altpapier und in der Kartonerzeugung.

Praxisfall

Probleme in der Runability mit hellen Flecken, Löchern, Abrissen und dergleichen gaben an einer Papiermaschine zur Produktion von Standardzeitungsdruck (500 t/Tag) den Anlass, verschiedenste Versuche zur Reduzierung hydrophober Partikel, resultierend aus Harzsäuren vom TMP, über einen längeren Zeitraum durchzuführen. In mehreren Voruntersuchungen zeigte sich der Einsatz von BondStar als mögliche Variante zur Reduzierung dieser Partikel auf.
Harzsäuren:

Chemisch handelt es sich bei Harzsäuren häufig um Carbonsäuren, die auf Terpenen basieren. Typische Vertreter der Harzsäuren sind: Abietinsäure (Abb.5), Neoabietinsäure, Lävopimarsäure, Pimarsäure und Palustrinsäure.

Neben den herkömmlichen Messmethoden zur analytischen Erfassung von Störstoffen, wie

• CSB Messungen
• BSB Messungen
• Trübungsmessungen
• pHWert und Leitfähigkeitsmessungen
• PCD Messungen (dabei wird mit Hilfe der

Polyelektrolyttitration der Verbrauch an kationischen Hilfsmitteln bestimmt) legen wir seitens der ACAT besonderes Augenmerk auf die Auswertungen in der

• FCM Methodik (FlowCytometer Messung) –  Bestimmung der Partikelanzahl und Partikelgröße,  u.a. hydrophober Teilchen

• Mikroskopische Auswertung auf Klebrigkeit

Verbesserungen durch den Einsatz von BondStar®:

Durch den Einsatz von BondStar® ist eine deutliche Reduktion in der Anzahl der hydrophoben Teilchen nachvollziehbar (Abb. 6).

Dosierstelle BondStar®: im TMP ungebleicht zur Mischbütte.

Dosiermenge BondStar®: 0,5%

• Verbesserung in der Runability (Reduzierung

der Reinigungsstillstände pro Monat)

• Deutliche Reduzierungen in der Abrissstatistik

• Reduktion an hellen Flecken und Löchern

(Abb.7)

• Störstoffbedingte Entlastung im Papiermaschinenkreislauf

• BondStar® brachte retentionsunterstützen

De Eigenschaften mit sich (Einsparungspotential in den Retentionsadditiven)

Nach erfolgreicher Einführung unserer Trockenverfestiger auf Basis von GPAM (Glyoxilierte Polyacrylamide) ergänzen wir nun unser Portfolio im Bereich Trockenverfestigung und Additive zur Steigerung der Effizienz um zwei neue Produkte auf Basis Polyvinylamin (PVAm). Dabei handelt es sich um die Produkte:

BondStar® 206L und BondStar® 284L

Diese Produkte können vor allem bei älteren Papiermaschinentypen, wie Langsiebmaschinen, Obersiebformern oder Papiermaschinen mit Egoutteur, den Trockengehalt steigern und einen Geschwindigkeitsgewinn bis zu zehn Prozent bewirken.

Dieser Effekt beruht vor allem auf der Ausbildung einer feinen Flockenstruktur. Diese Flockenstruktur wirkt sich positiv auf die Vakuumentwässerung und auf das Entwässerungsverhalten in der Pressenpartie aus. Durch den Nebeneffekt der Steigerung von Festigkeiten kann zudem die Effizienz der Papiermaschine durch Reduktion von Abrissen verbessert werden.

Bei Feinpapieren besteht die Möglichkeit Papiere mit höheren Füllstoffgehalten zu produzieren, ohne die Festigkeiten negativ zu beeinflussen. Die oben angeführten Vorteile möchten wir am folgenden Fallbeispiel näher erörtern:

Fallbeispiel Verpackungspapiermaschine:

 Papiersorte:

• Testliner 13

Papiermaschine:

• Decke: Obersiebformer, Rücken: Langsieb
• 170.000 t/a Produktion
• Geschwindigkeit 600 820 m/min
• 150 – 240 g/m²
• Retentionsmittel RetStar® 205P, 320 g/t

Dosierort und Mengen:

• Versuch 1: Dosierung zwischen Misch- und

Maschinenbütten (Dickstoff)

• Versuch 2: Dosierung vor Stoffauflaufpumpe

(Dünnstoff)

• Dosiermengen 9,5 kg/t BondStar® 206L

Handelsware

Ergebnisse Versuch 1:

• Steigerung Papiermaschinengeschwindigkeit 3%

• Steigerung SCT+15%, Berstdruck+17%
• Retentionsmittel um 30% reduziert
• Dampfreduktion 2,5%
• Reduktion Abrisse 37 %

Ergebnisse Versuch 2:

• Steigerung Papiermaschinengeschwindigkeit 7%

• Steigerung SCT + 8%, Berstdruck + 12%
• Retentionsmittel um 50% reduziert
• Dampfreduktion 4%
• Reduktion Abrisse 26%

Fazit:

Eine Dosierung im Dickstoffbereich ist zu favorisieren, wenn Festigkeitssteigerungen im Vordergrund stehen. Falls eine Steigerung der Papiermaschinengeschwindigkeit im Vordergrund steht, sollte die Dosierung näher zum Stoffauflauf erfolgen.

Unsere Anwendungstechnik ist gern bereit, auch Ihnen die Vorteile dieser spezifischen Weiterentwicklung der altbekannten Polyvinylamin-Technologie im Rahmen von Labor- und Maschinenversuchen vorzustellen und diese in der Praxis nachzuweisen.

Etwa 40 % der in Deutschland in Betrieb befindlichen Anaerobanlagen zur Industrieabwasserbehandlung sind in der Papier- und Zellstoffindustrie im Einsatz. Am häufigsten wird das Verfahren bei den Herstellern von Verpackungspapieren aus Altpapier verwendet, insbesondere bei Wellpappenrohpapieren, die auf Grund der engen Kreislaufschließung mit geringen spezifischen Abwassermengen produziert werden. Durch das ständige Recycling werden die Papierfasern beim Einsatz von Altpapier nämlich zwangsläufig immer kürzer, was zu einer verminderten Papierfestigkeit führt. Um den daraus resultierenden negativen Folgen, wie Nichteinhaltung der geforderten Papierspezifikationen oder im Rahmen des Produktionsprozesses Abrissen auf der Papiermaschine entgegenzuwirken, werden verschiedenste chemische Additive verwendet, darunter auch Trockenverfestiger.

ACAT hat mit der Produktfamilie BondStar® einen synthetischen Trockenverfestiger entwickelt, der weltweit erfolgreich Anwendung findet. BondStar® wird früh im Wet-End der Stoffsuspension zugegeben. Durch das sehr gute Aufziehverhalten von BondStar® verbleibt es zu sehr hohem Anteil in der Papierbahn, so dass nur ein sehr geringer Anteil  in den zu behandelnden Abwasserstrom und damit weiter zur Anaerobanlage gelangt. Das Produkt wird  in unterschiedlicher Konzentration als Handelsware angeboten. Da aber glyoxilierte Polyacrylamide nur eine sehr beschränkte Haltbarkeitsdauer aufweisen, wurde von ACAT auch eine  kosteneffiziente  on-site Technologie entwickelt, bei der die Herstellung von BondStar® in der Papierfabrik vor Ort erfolgt und so eine bedarfsgerechte Produktion zur Vermeidung von Problemen mit der Haltbarkeitsdauer ermöglicht.

Durch den Einsatz von BondStar® kommt es zu einer gesteigerten Trockenfestigkeit, weniger Abrissen, höheren Geschwindigkeiten der Papiermaschine und erhöhten Füllstoffanteilen im Endprodukt.  BondStar® wirkt – ähnlich wie polymere Flockungshilfsmittel, die in der Schlammeindickung und Schlammentwässerung auf Kläranlagen eingesetzt werden – über ihre Ladung vernetzend/verbindend zwischen solchen Partikeln, die eine andere Ladung aufweisen als das Polymer.

Im Rahmen seiner von Dipl.Ing.Dr.nat.techn. Kiril Atanasoff betreuten Masterarbeit an der FH Oberösterreich in Zusammenarbeit mit der Hochschule Ostwestfahlen-Lippe – Fachbereich Bauingenieurwesen, Labor für Siedlungswasserwirtschaft ist Lucas Wagner der Frage nachgegangen, ob der Einsatz von BondStar® zu negativen Effekten auf den anaeroben Abbau der bei der Produktion anfallenden Abwässer führen kann. Dazu führte er einerseits umfangreiche Batchversuche und andererseits kontinuierliche Laborversuche mit zwei parallel betriebene UASB-Reaktoren im Labormaßstab durch.

Batchversuche

Die Batchversuche wurden in 2-Liter-Glasflaschen angesetzt und bei einer Temperatur von 37 °C ± 1 °C durchgeführt. Als Substrat diente in der ersten Versuchsreihe Abwasser aus der Vorversäuerung der Betriebskläranlage eines Wellpappenrohpapierwerks in Bayern, in einer weiteren Versuchsreihe eine 0,5% ige Essigsäurelösung mit einem pH-Wert von 6,5. Als Impfschlamm kam Pelletschlamm aus der werkseigenen Anaerobanlage des Wellpappenrohpapierwerks in Bayern zum Einsatz. In dem bayerischen Werk wird BondStar® als 2% ige Lösung eingesetzt, und zwar in einer Menge von 66 l/m³ Abwasser.

In den unterschiedlichen Batchansätzen wurde nun davon ausgegangen, dass unterschiedliche Mengen des Trockenverfestigers auf und im Endprodukt Papier verbleiben. Im Umkehrschluss ergeben sich daraus entsprechende Restkonzentrationen für das Abwasser. Diese Restkonzentrationen wurden durch den Einsatz unterschiedlicher Mengen von BondStar® 2 % in den Batchansätzen simuliert.

Kontinuierliche Laborversuche

Mit den im Wellpappenrohpapierwerk durchgeführten Laborversuchen sollte die Auswirkungen eines Störfalls in der Produktionsanlage – beispielsweise einem Rohrbruch oder eine Leckage beim Vorratstank – simuliert werden, wodurch verschieden hohe Mengen an 2% iger BondStar®-Lösung direkt in den Abwasserstrom und damit in die ananaerobe Vorbehandlungsanlage gelangen. Die Auswirkungen der erhöhten BondStar®Konzentrationen im Abwasser verursacht durch einen Störfall auf den ananaeroben Abbauprozess in den UASB Reaktoren sollten erfasst und dokumentiert werden.
Ein kontinuierlicher Versuchsbetrieb mit erhöhten BondStar®-Zusätzen erfolgte nicht, da ein solcher Betriebszustand auf eine nicht bedarfsorientierte Betriebsweise hindeutet und schon aus Produktionskostengründen vermieden werden sollte.

Als Abwasser diente das vorversäuerte Abwasser der großtechnischen Betriebskläranlage. Wobei auch dieses Abwasser infolge des Einsatzes von BondStar® in der Produktion bereits geringe Mengen an BondStar® aufwies.

Die Laborreaktoren für die kontinuierlichen Versuche wurden vom Labor für Siedlungswasserwirtschaft der Hochschule Ostwestfalen-Lippe entliehen. Zur Simulation der fiktiven Störfälle wurden verschiedene BondStar®-Konzentrationen eingestellt, wobei im Rahmen der Versuchsansätze davon ausgegangen wurde, dass ein BondStar®-Zulaufrohr bricht und BondStar® direkt der Kläranlage zuläuft. Im Betrieb selbst werden rund 208,5 ml BondStar® pro 5 l Stoffsuspension zugesetzt.

In den Versuchsannahmen wurde nun davon ausgegangen, dass einmalig rund 10 % – 100 % der eingesetzten BondStar®-Lösung nicht ins Produkt, sondern ins Abwasser gehen. Bei der Simulation der Störfälle wurde davon ausgegangen, dass zum Beispiel ein  BondStar®Zulaufrohr bricht und ein Teil beziehungsweise die gesamte Menge BondStar® (100 %) direkt der anaeroben Vorreinigungsstufe zuläuft.

Die den Versuchen zugrunde gelegten Zusätze von BondStar® zum Abwasser in Prozent der eingesetzten BondStar®-Menge (10 %, 50 %, 100 %) sollten simulieren, dass diese Prozentanteile des Trockenverfestigers nicht vom Wellpappenrohpapier aufgenommen wurden, sondern ins Abwasser gelangten.

Der Trockenverfestiger wurde immer einmalig dem Vorlagebehälter für das täglich frisch beigestellte Rohabwasser in den jeweiligen für die Störfallsimulation ausgewählten unterschiedlichen Mengen zugegeben; danach wurde der Reaktor circa 14 Tage mit Abwasser ohne BondStar®-Zusatz weiterbetrieben.

Um die Auswirkungen des Zusatzes von BondStar® im Rahmen des Störfalles ermitteln zu können, wurde einer der beiden UASB Reaktoren nur mit vorversäuertem Rohabwasser betrieben, zu dem zweiten Reaktor wurde einmalig ein Abwasser-BondStar®-Gemisch mit den jeweiligen BondStar®-Zusätzen dosiert. Im Vergleich zwischen den beiden Reaktoren, die im Wesentlichen mit den CSB Raumbelastungen und hydraulischen Aufenthaltszeiten wie in der werkseigenen Anaerobanlage betrieben wurden, sollte sich zeigen, ob und welche Auswirkungen bei einem Störfall mit BondStar® auftreten.

Folgende Schlüsse können aus den Tests gezogen werden:

In ihrer Begutachtung der Masterarbeit von Lucas Wagner kam Prof.Dr.Ing. Ute Austermann-Haun von der Hochschule Ostwestfalen-Lippe zu folgenden Schlüssen:

• BondStar® erhöht den chemischen Sauerstoff Bedarf im Abwasser. Dieser CSB wird abgebaut, erkennbar an der höheren Biogasproduktion. Die Daten zeigen, dass BondStar® nicht die Biogasproduktion hemmt, sondern dass bei dem Versuchsansätzen mit BondStar® und vorversäuertem Abwasser sowie bei den Ansätzen von BondStar® mit Essigsäure mehr Biogas produziert wird und die Methankonzentration sogar etwas steigt.
• Aus den Batchtests wurde deutlich, dass sich der CSB Abbau mit steigender Gabe an BondStar® verzögert, möglicherweise durch die zunächst erforderliche Hydrolyse. Ein derartiger Effekt konnte bei den kontinuierlichen Versuchen nicht festgestellt werden.
• Die Reaktoren liefen 87 Tage parallel wobei Reaktor 1 viermal mit Abwasser beschickt wurde, das hohe Konzentrationen an BondStar® aufwies. Weder die CSB Eliminationsleistung noch die Biogasproduktion, die Biogaszusammensetzung, der Gehalt an organischen Säuren oder das FOS/TAC-Verhältnis wurden durch den erhöhtem Gehalt an BondStar® im Zulauf zur Anaerobstufe negativ beeinträchtigt.
• Die Versuche zeigten, dass BondStar® offensichtlich abgebaut wird, was sich in einer erhöhten Biogasproduktion manifestiert.

Das Ergebnis

Bei Vorliegen von BondStar® im Papierfabrikabwasser war unter den beschriebenen Bedingungen weder eine akute noch eine schleichende Toxizität noch eine Hemmung der Biogasproduktion und des CSB Abbaus feststellbar. Es trat weder eine akute, noch eine langfristige Hemmung oder Toxizität auf. Aufgrund der Versuche ist de facto auszuschließen, dass BondStar® bei richtiger Anwendung im Betrieb und selbst bei einzelnen Störfällen, wie sie im Rahmen der Papierproduktion natürlich immer wieder auftreten können, zu einer nachhaltigen Hemmung der Methanisierung führt.

Der letzte Versuchsansatz mit einer direkten Dosierung von 208 ml in den Reaktor simulierte zwar ein unrealistisches Szenario, wurde aber dennoch durchgeführt, um die Auswirkungen zu beobachten und zu beschreiben. 208 ml auf 3,75 l Reaktorvolumen entspricht einer Menge von 55 ml/l entsprechend 55 l/m³ Reaktorvolumen.

In der Realität würde dies beispielsweise für einen Betrieb wie der Papierproduktion für Wellpappe bedeuten, dass circa 70 m³, also mehr als drei Tankfahrzeuge à 20 m³ BondStar® 2% direkt mit dem in Abwasser vermischt schlagartig in die Abwasserbehandlungsanlage und von dort in die Methanreaktoren gelangen würde.

Lucas Wagner konnte in diesem Fall beobachten, dass sich der Schlamm zu einer massiven Schwimmschicht formte. Bei anderen großtechnischen Anlagen konnte Prof. Dr.Ing. Ute Austermann-Haun feststellen, dass eine zu hohe Gabe an polymeren Flockungshilfsmitteln durch die Viskositätsveränderung dazu führt, dass die
Pellets das gebildete Biogas nicht abführen können. Dies wiederum führt zu dem auch hier beobachteten Flotieren der Biomasse. Die mikroskopischen Aufnahmen der Pellets zeigten massive Verklebungen der Pellets und das Binden der Feinststoffe an die Pellets. Die Pellets waren aber weiterhin funktionstüchtig, das heißt im Abbauverhalten nicht beeinträchtigt.

Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass BondStar® ein nachhaltiges Produkt darstellt, mit dem im Bereich des Einsatzes bei der Papierproduktion aus Altpapier die Produktionsbedingungen schonend verbessert werden.

Störfallsimulationen von ins Abwasser gelangenden erhöhten Anteilen von BondStar® zeigten im Rahmen von Laborversuchen keine akut toxischen noch mittelfristig negativen Auswirkungen auf den anaeroben Abbau.

Unser besonderer Dank gilt Prof.Dr. Ute Austermann-Haun und Frau Dipl.Ing. Heike Witte von der Technischen Hochschule Ostwestfalen-Lippe sowie Dr. Alexander Jäger von der Fachhochschule Wels für die fachliche und praktische Unterstützung bei der Durchführung der Batch- und Laborversuche.

Der enorme Kostendruck auf grafische Papierhersteller hat in den vergangenen Jahren dazu geführt, dass teurere Fasern zum Teil durch Füllstoffe, sei es in der Masse und/oder im Strich, ersetzt wurden. Dieser Trend setzt sich momentan weiterhin fort, da sich einige Neuentwicklungen noch im Versuchsstadium befinden. Unterschiedliche Konzepte – sei es durch Trockenverfestiger, verbesserte Füllstoffe oder optimierte Strichfarbenadditive – haben zuletzt zwar bereits Erfolge gebracht.

Doch führen steigende Füllstoffgehalte mittlerweile innerhalb kurzer Zeit zu steigenden Füllstoffgehalten im Altpapier.

Einige Papierhersteller, die vor allem untere Altpapiersorten wie beispielsweise 1.01 verarbeiten, bekommen mittlerweile unter anderem genau dadurch Probleme mit ihren Wasserkreisläufen und mit den Festigkeitswerten. Hierzu zählen vor allem die Zeitungsdruckpapier- und Verpackungspapierhersteller. Einige dieser Papierproduzenten versuchen, die Asche selektiv durch mechanische Aggregate wie zum Beispiel Flotationsanlagen auszutragen, was bis zu einem gewissen Grad auch gelingt und für begrenzte Zeit für Entspannung sorgt.

Zitat von Herrn Michael Habeck, Werksleiter der Papierfabrik Adolf Jass GmbH.: „Wir sind mittlerweile zum Entsorger für die Rügener Kreide geworden“.

Die Verpackungspapierhersteller haben momentan aber mehrere Trends zu bewältigen: Höhere Füllstoffgehalte im System, fallende Altpapierqualität durch hohe Nachfrage und mehrfaches Recyclieren sowie einen Trend zu niedrigeren Flächengewichten. Mittlerweile haben sich 80 g/m² als Standardsorte bei Wellenstoff etabliert. In der Graphik oben sind beispielhaft die durchschnittlichen Aschegehalte eines Verpackungspapierherstellers dargestellt. Die ACAT bietet seit Kurzem unterschiedliche synthetische Trockenverfestiger der Serie BondStar® an. Mit diesen Trockenverfestigern ist es möglich, Frischfasern oder höherwertige Altpapierfasern durch niedrige und damit günstigere Altpapiersorten zu ersetzten, ohne dabei die geforderten Eigenschaften negativ zu beeinflussen.

Weiterhin ist es möglich, trotz höherer Aschegehalte im Papier die Festigkeiten stabil zu halten. Als Nebeneffekt führen diese Chemikalien in einigen Systemen dazu, dass die Effizienz der Papiermaschinen deutlich gesteigert werden kann. Dieser Effekt ist insbesondere einer stabileren und festeren Papierbahn geschuldet, wodurch die Geschwindigkeit gesteigert werden kann und die Abrisse vor allem durch Randfehler reduziert werden.

Unsere synthetischen Trockenverfestiger behalten auch in geschlossenen Systemen mit hohen Leitfähigkeiten ihre Eigenschaften, wo Wet-End Stärke oft nicht mehr funktioniert. Für die Zukunft entsteht ein Markt für synthetische Trockenverfestiger, welche teilweise in Konkurrenz aber mehrheitlich als Ergänzung zu gängigen Trockenverfestigern, wie etwa Stärke, stehen werden.

Diesen Bereich hat sich ACAT als Nummer Eins Forschungs- und Entwicklungsprojekt auf die Fahne geschrieben.