Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Trennen von Substanzen aus einer Fasersuspension und insbesondere ein solches Verfahren, wo Verunreinigungen wie beispielsweise Druckfarben, Druckerschwärze und andere verunreinigende Substanzen von den Fasern in einem Flotationstank getrennt werden, in welchen die Fasersuspension vermischt mit Gas vermittels Strahlen eingeführt wird, die über eine hohe Eintrittsgeschwindigkeit verfügen.

Flotation ist ein Trennverfahren, das im industriellen Maßstab hauptsächlich in der Behandlung von Mineralien und zur Reinigung rezyklierter Fasern benutzt wird, um unterwünschte Komponenten durch Behandlung eines flüssigkeitsbasierten Systems von Feststoffmaterialien zu trennen. Flotationsprozesse können unter Verwendung von Verfahren durchgeführt werden, bei denen die wesentliche Trennkraft entweder die Schwerkraft oder die Zentripetalbeschleunigung ist. Der Flotationsprozess basiert auf dem Einführen eines Gases, gewöhnlich Luft, von dem hydrophobe Partikel angezogen werden; die Trennung kann im Wesentlichen in einer Schaumphase durchgeführt werden. Verschiedene Hilfschemikalien werden oft verwendet, insbesondere oberflächenaktive Mittel, beispielsweise um die Hydrophobie der zu trennenden Partikel zu verbessern und so die Schaumbildung etc. zu verstärken.

Auf dem Gebiet von Pulpe und Papier ist die Behandlung rezyklierter Fasern durch Prozesse, bei denen Farbe entfernt wird, oft kombiniert mit Bleichen, um rezyklierte Faserpulpe mit einer gewünschten Helligkeit zu erzeugen, ein immer weiter wachsendes Gebiet. Das Rohmaterial, das rezyklierte Papier, wird geschlagen, und zwar mit einer hohen Intensität, während es bis auf eine Konsistenz aufgelöst wird, die gewöhnlich bei etwa 15 Gew.-% liegt. Eine innere Reibung in der Suspension aufgrund der hohen Konsistenz sorgt für starke Scherkräfte in der Suspension, die, wenn die Fasern gegeneinander gerieben werden, zu einem Freisetzen von Farbe und anderen Verunreinigungen führt. Bei diesem vorgeschalteten Schritt können Zugaben gewisser Chemikalien gemacht werden, beispielsweise Zugabe von oberflächenaktiven Mitteln für das anschließende Flotationsverfahren und/oder von Bleichchemikalien wie Wasserstoffperoxid für spätere Bleichschritte. Nach dem anfänglichen Zerfaserungs- oder Stoffaufbereitungsschritt folgen gewöhnlich ein oder mehrere Absiebungsschritte, um größere Partikel zu entfernen, bevor die Suspension für die aktuelle Entfernung der Druckerschwärze vorbereitet wird. Die Suspension wird hierbei normalerweise bis auf eine Konsistenz von etwa 1 Gew.-% verdünnt. Obwohl die Zugabe von Chemikalien gewöhnlich bei der Stoffaufbereitung erfolgt, ist es auch möglich, Hilfschemikalien für die Flotation im Verdünnungsschritt zuzusetzen. Bei der heutigen Flotation werden die Fasersuspension und Luft getrennt oder im Gemisch in einen Flotationstank oder eine Zelle eingeführt und die Trennung der Farbpartikel erfolgt während die Partikel an den Luftblasen haften und sich in Form eines Schaums abtrennen lassen. Eine nachfolgende Behandlung umfasst üblicherweise gewisse zusätzliche Trenn- und Entwässerungsschritte, Dispergierschritte, Bleich- und Verdünnungsschritte. Die Flotationsbehandlung und wünschenswerter Weise nachfolgende Stufen werden oft ein oder mehrfach wiederholt. Um Faserverluste in der Flotation zu vermindern, wird der abgetrennte Schaum gewöhnlicher Weise in einem sekundären Flotationsschritt behandelt.

Solch eine Behandlung ist offenbart in der US-A-5 437 784 und WO 80/00423.

Im Gegensatz zu Flotationsprozessen in der Mineralindustrie gibt es spezielle Probleme, die mit dem Erreichen einer guten Trennung bei der Flotationsbehandlung von Fasersuspensionen zusammenhängen, da die Fasern Netzwerke bilden, die den Transport der Gasblasen durch die Suspension verlegen. Aufgrund dessen hat sich als notwendig erwiesen, mit sehr niedrigen Faserkonsistenzen in den Suspensionen zu arbeiten, was bedeutet, dass extrem große Mengen an Wasser gehandhabt werden müssen und dies ist natürlich ein großer Nachteil sowohl hinsichtlich der Wirtschaftlichkeit wie der Umwelt. Innerhalb des Gebiets der Flotation von Fasersuspensionen ist also eine Steigerung der Faserkonzentration in der Suspension, die gering ist, was den Prozentsatz angeht, mit einer extrem wesentlichen Reduktion der Gesamtmenge an Wasser verbunden , und eine Verminderung der Flotationszeit ist in ähnlicher Weise ein extrem wichtiger Vorteil.

Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Behandlung bei gesteigerten Faserkonzentrationen bei der Reinigung von Fasersuspensionen möglich zu machen, insbesondere beim Entfärben rezyklierter Fasern. Das Verfahren nach der Erfindung macht dies bei kurzen Flotationszeiten und guten Reinigungsergebnissen möglich und bietet somit ein verbessertes Verfahren sowohl vom wirtschaftlichen wie vom umwelttechnischen Standpunkt aus gesehen.

Der Prozess gemäß der Erfindung basiert auf der Einsicht in die Wichtigkeit der theologischen Eigenschaften der Fasersuspension und insbesondere des Aufbrechens des Fasernetzwerks und wo das Strömungsfeld im Tank die Spannung des Nachgebens überschreitet, um es möglich zu machen, früh Luftblasen freizusetzen und einen erleichterten Transport der Aggregate von Blasen und Partikeln durch das Medium zu erleichtern.

Die Erfindung bezieht sich somit auf ein Verfahren zum Trennen unerwünschter Substanzen, insbesondere von Farbpartikeln aus einer Fasersuspension einschließlich der Verwendung der Flotation, wie dies weiter in den beiliegenden Ansprüchen spezifiziert wird.

Die Fasersuspension, die erfindungsgemäß abgetrennt wird, ist insbesondere eine Suspension aus rezyklierten zu reinigenden Fasern aus Druckerfarbe und anderen Verunreinigungen, sog. „stickies". Der Flotationsprozess ist hierbei in der Regel ein Teil eines Gesamtbehandlungsverfahrens für rezyklierte Fasern vom Haupttyp, wie er in der Beschreibungseinleitung beschrieben wurde. Das Flotationsverfahren kann natürlich auf andere Suspensionen von Zellulose enthaltenden Fasern angewendet werden, beispielsweise auf die Reinigung von „white water" enthaltenden Fasern aus Papiermaschinen. Der Haupttyp der Flotation, der in dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Anwendung gelangt, basiert auf Gravitationskräften mit der Trennung der zu entfernenden Substanzen in einer Schaumphase und ist nicht gegründet auf der Trennung mit einem wesentlichen Element der Zentrifugalkräfte, was der Fall bei Trennungen in Hydrozyklonen ist. Die gereinigte Fasersuspension, die beim Verfahren erhalten wird, wird als „Gutstoff" in an sich bekannter Weise abgezogen.

Bevor die Fasersuspension, die zu reinigen ist, in den Flotationstank oder in die Flotationszelle eingeführt wird, muss sie mit Gasblasen vermischt werden. Das bei diesem Typ von Prozessen verwendete Gas ist in der Regel immer Luft, aus wirtschaftlichen und praktischen Gründen, es ist jedoch prinzipiell möglich, jedes andere Gas zu verwenden. Als einige Beispiele von Gasen, die geeignet sein können, seien genannt: Kohlendioxid und Sauerstoffrestgas, wobei das letztere beispielsweise aus gewissen Bleichprozessen in der Pulpenindustrie erhalten werden kann. Wenn die Fasersuspenion in den Flotationstank eingeführt wird, soll sie gut mit den Gasblasen vermischt werden. Ausgeführt werden kann dies in Vorrichtungen, die für den Zweck bekannt sind und mehrere solcher Intensivmischer sind kommerziell erhältlich. Der überwiegende Teil des Haltens der Farbpartikel und anderer Verunreinigungen an den Gasblasen erfolgt bereits beim Mischen und die Gasblasen sollten relativ klein sein, um einen guten Wirkungsgrad in dieser Hinsicht zu erreichen. Die zugemischte Gasmenge liegt gewöhnlich im Bereich zwischen 20 und 50 Vol.-%, basierend auf der Suspension und öfters zwischen 30 und 40%. Die tatsächliche Attraktion zwischen den Partikeln und den Blasen lässt sich durch das Vorhandensein von oberflächenaktiven Mitteln steigern, beispielsweise mit ethoxylierten Nonylphenolen, fettigen Aminen etc., welche die Hydrophobie der Partikel steigern. Solche Hilfschemikalien sowie andere, beispielsweise Schaummittel und pH-Modifikationsmittel bzw. -Flotationszusätze lassen sich im Mischschritt zusetzen, bei der Behandlung rezyklierter Fasern jedoch, werden sie geeignet beim Stoffaufbereitungsschritt zugesetzt.

Das Flotationsverfahren der vorliegenden Erfindung ist charakteristisch insofern, dass das Gemisch der Fasersuspension und der Gasblasen in den Flotationstank in Form von gerichteten Strahlen mit hoher Eintrittsgeschwindigkeit, sog. „jets" eingeführt wird. Die Geschwindigkeit liegt oberhalb 5 m/s und geeignet oberhalb 8 m/s. Die obere Grenze für die Geschwindigkeit ist nicht kritisch, normalerweise würde es aber nicht als wirtschaftlich anzusehen sein, Einlassgeschwindigkeiten oberhalb 15– 20 m/s zu haben. Die Tatsache, dass die Strahlen oder „jets" eine hohe Geschwindigkeit haben und gerichtet sind, bedeutet, dass sie sich ein wesentliches Stück in das Schüttvolumen der Fasersuspension hinein erstrecken, die im Flotationstank vorhanden ist. Ein Strahl oder „jet" mit einer Eintrittsgeschwindigkeit von 10 m/s wird sich beispielsweise etwa 1 Meter in den Flotationstank hinein erstrecken. Wie genauer im Folgenden erläutert werden wird, erstrecken sich die Strahlen nur bis nahe der freien Oberfläche des Suspensionsschütt- oder Massenvolumens, wenn die Einführung vom unteren Teil des Flotationstanks aus vor sich geht. Die Eintrittsöffnungen in den Flotationstank, d. h. die Öffnungen, die für das Einführen der Strahlen Verwendung finden, können einfache Löcher oder Einlassrohre sein, am zweckmäßigsten verwendet man jedoch Düsen, um die gewünschten definierten Strahlen zu erreichen.

Die Injektion kann über eine Vielzahl von Einlassöffnungen in einem Tank geschehen, die jede geometrische Konfiguration haben können und können beispielsweise rechteckig oder zylindrisch sein, der ein definiertes Schütt- oder Massenvolumen an Fasersuspension enthält, und die erhaltene Schaumphase wird an der freien Oberfläche dieses Massenvolumens abgezogen. Die Öffnungen sind positioniert an oder nahe dem Boden des Tanks und sind nach oben gerichtet, gerade oder unter einem Winkel, und zwar gegen die freie Oberfläche der Suspension. Die Geschwindigkeit der Strahlen sollte derart eingestellt werden, dass sie ohne zu brechen gegen irgend eine der Flächen der Suspension des Tanks enden. Nach der bevorzugten Ausführungsform wird die Geschwindigkeit jedes Strahls somit derart eingestellt, dass die Strahlen an der freien Oberfläche der Suspension enden, ohne diese zu brechen oder sie enden kurz unterhalb dieser Oberfläche. Hierdurch wird die Gefahr einer Rückmischung des Schaums mit den abgetrennten Verunreinigungen in die gereinigte Suspension im Tank reduziert. Die Anzahl von Strahlen ist natürlich abhängig von dem Tankvolumen und dem Massenvolumen der Suspension. Wenigstens drei Strahlen werden in geeigneter Weise verwendet und gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die Anzahl der Strahlen und ihre Geschwindigkeit eingestellt, um Scherflächen zu bilden, die so groß wie möglich sind, und zwar zwischen den Körpern der Strahlen und dem Massenvolumen der Suspension, und zwar ohne Zwischenwirkung zwischen den Strahlen und den Grenzen des Massenvolumens. Als ein Beispiel sei erwähnt, dass für einen rechteckigen Flotationstank mit einer Länge von 14 m, einer Breite von 2 m und einer Höhe von 1 m, bei dem es sich um die gewöhnliche Größe bei Flotation zum Entfärben rezyklierter Fasern handelt, 47 Strahlen mit Eintrittsgeschwindigkeiten von 9 m/s bei einer annähernden Konsistenz von 1,5% geeignet sein können.

Ein Abziehen der Schaumphase wird an der freien Oberfläche der Suspension in an sich bekannter Weise, beispielsweise unter Verwendung eines Überlaufs, durchgeführt. Die gereinigte Fasersuspension (der Gutstoff) wird in ähnlicher Weise in an sich bekannter Weise bei diesem Typ von Prozess, beispielsweise über Auslässe, abgezogen, die am Boden des Tanks angeordnet sind. Die Flotation wird oft wie üblich mit 4 bis 6 Wiederholungen durchgeführt, um den gewünschten Reinheitsgrad zu erreichen.

Die Efindung basiert, wie oben erwähnt, auf dem Verständnis der Wichtigkeit der rheologischen Eigenschaften einer Fasersuspension. Das Aufbrechen des Fasernetzwerks ist hier von besonderer Wichtigkeit, um es möglich zu machen, eine frühe Freigabe der Luftblasen und einen erleichterten Transport der Blasenaggregate und Partikel durch die Suspension zu erreichen. Betrachtet man die Rheologie beim vorliegenden Prozess der oben beschriebenen Art, so wird eine wirksame Trennung, selbst bei relativ konzentrierten Fasersuspensionen, erhalten, wo die Konzentration, bei der es sich um ein konventionelles Verfahren handelt, nahe bei 1 Gew.-% liegt und 1 Gew.-% überschreiten kann. Sehr gute Ergebnisse werden bei Faserkonzentrationen von 1,5 Gew.-% erhalten, die Konzentrationen können bis zu 2% oder sogar mehr erreichen. Ein geeigneter Konzentrationsbereich liegt zwischen 0,8 und 2,5 %, bevorzugt zwischen 1,5 und 2%. Der Prozess bietet somit wesentliche Vorteile, da es hierdurch möglich wird, eine höchst beachtliche Reduktion der Volumina an gehandhabter Flüssigkeit zu erreichen, und dies bei kurzen Behandlungszeiten und sehr guter Reinigung.

Die erfindungsgemäß angewandte Theorie ist „klassische" Fluidmechanik. Damit eine Blase nach oben durch die Suspension steigt, muss ihre Hubleistung (Auftrieb) die viskose Kraft, ausgehend von der Suspension, überschreiten. Die Scherspannung, die überwunden werden muss, steht in Beziehung zur scheinbaren Viskosität, die auftritt, wenn die Suspension strömt. Die scheinbare Viskosität der Suspension steht in direkter Beziehung zur Rheologie der Suspension und dem Strömungsfeld, das im Strömungsbereich existiert. Der Auftrieb, der für die Blase erforderlich ist, in einer strömenden Suspension aufzusteigen, steht in Beziehung zum Spannungszustand in der umgebenden Suspension. Um das Scherfeld in der Suspension optimieren zu können, d. h. den Transport der Blasen zu optimieren, ist es notwendig, dass man das Strömungsfeld und die Rheologie der Suspension kennt. Indem man die Länge des Blasentransports reduziert und das Scherfeld kontrolliert, und zwar vermittels eines korrekten Strömungsfeldes, lässt sich ein im Wesentlichen verbesserter Blasentransport erreichen.

Die oben für die Geschwindigkeit der Strahlen, die Anzahl der Strahlen, ihre Richtungen etc. gegebenen Parameter basieren auf der Erkenntnis der Wichtigkeit einer Anzahl von Faktoren. So führen beispielsweise kleine Blasen zu einer größeren Wirksamkeit in der Anziehung oder Attraktion zwischen den Blasen und den verunreinigenden hydrophoben Partikeln, die entfernt werden sollen. Kleine Blasen jedoch haben gewöhnlich keinen ausreichenden Auftrieb, um durch das Fasernetzwerk zu passieren, das in Fasersuspensionen existiert. Da die kleinen Blasen im vorliegenden Prozess über eine große Fläche in der Grenzfläche zwischen der Oberfläche jedes Strahls und dem freien Suspensionsmassenvolumen freigesetzt werden, tritt eine gewisse Koaleszenz der Blasen auf und dies führt zu einer vergrößerten Hubkraft. Das Fasernetzwerk selbst ist auch einem mechanischen Einfluss in dem aktuellen Flotationsprozess in Form eines Geschwindigkeitsfelds ausgesetzt. Das Strömungsfeld, das sich dann in der Suspension ergibt, erleichtert den Transport der Blasen zur Trennzone.

Die Erfindung soll nun anhand des folgenden Beispiels näher erläutert werden, das jedoch nicht als Einschränkung der Erfindung anzusehen ist.

Eine Suspension rezyklierter Fasern aus Zeitungen und Magazinen mit einer Konzentration von 1,5% und die Flotationschemikalien enthielt, wurde mit 20% Luft in einem statischen Mischer gemischt und das Gemisch wurde in einen rechteckigen Flotationstank mit einer Länge von 3 m, einer Breite von 2 m und einer Flüssigkeitshöhe von 1,1 m eingegeben. 10 Einspritzdüsen wurden bei einer Gesamtströmung von 5000 l/min und einer Einlassgeschwindigkeit von 9 m/s verwendet. Die Strahlen wurden vom unteren Teil des Tanks injiziert, nach oben unter einem Winkel gegen die freie Flüssigkeitsfläche, ohne sie zu brechen. Die Strahlen wurden gegen die Überschneidungslinie zwischen der Flüssigkeitsoberfläche und der hinteren begrenzenden Oberfläche des Tanks gerichtet. Die Helligkeit der ankommenden Suspension lag bei 41,5% ISO. Die Helligkeit nahm bis 50,5 ISO nach einem Schritt zu.

Es sollte hier erwähnt werden, dass, um das gleiche Ergebnis mit einem konventionellen Flotationsprozess mit einer identischen Suspension zu erreichen, die Konzentration auf 1,0% abgesenkt werden müsste und weiterhin müsste die Flotation in zwei Schritten durchgeführt werden.

Wie ersichtlich, ergab das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung ein sehr gutes Entfärben, und dies bei einer hohen Faserkonzentration im Vergleich mit konventionellen Anlagen. Auch soll erwähnt werden, dass eine normale Produktion rezyklierter Faserpulpe von 500 Tonnen/Tag zu einem Anstieg der Konzentration in dem Flotationsschritt von 1 Gew.-% auf 1,5 Gew.-% führte und eine Reduktion der Wassermenge von 50000 m³ auf 33300 m³ pro Tag mit sich brachte.