Behandlung von Abwasser aus der Herstellung von Cellophan

Abschnitte

• Einführung
• Herstellungsprozess
• Hauptanwendungen von Cellophan
• Globaler Markt der Cellophan-Industrie
• Behandlung der Abwässer aus dem Cellophan-Herstellungsprozess
• Zusammenfassung

EINFÜHRUNG

Unter den von der Papierindustrie hergestellten Produkten sticht Cellophan durch seine Eigenschaften hervor, die es zu einem klaren Kandidaten für den Ersatz von Kunststoffverpackungen und -tüten auf Erdölbasis machen. Cellophan ist einer der dünnsten Filme, die aus Zellulose gewonnen werden.

Dieses Polymer zeichnet sich durch Transparenz und Flexibilität aus. Zudem ist es ein hoch widerstandsfähiges Material für Zugbeanspruchungen und leicht zu schneiden. Es wird aus der Auflösung von Hanf-, Baumwoll- oder Holzfasern hergestellt. Aus dieser Auflösung entsteht eine viskose Lösung, die einem Extrusionsprozess unterzogen und anschließend in ein Säurebad getaucht wird, das sie wieder in Zellulose umwandelt.

Dieser Prozess ähnelt sehr der Herstellung von Rayonfasern, unterscheidet sich jedoch im Extrusionsverfahren, da Cellophan durch einen Schlitz gepresst wird, während Rayon durch ein Loch gepresst wird.

Cellophan wurde 1900 vom Schweizer Chemiker Jacques E. Brandenberger erfunden. Inspiriert durch einen Weinfleck auf einer Restauranttischdecke beschloss er, ein Gewebe zu schaffen, das Flüssigkeiten abweist, anstatt sie aufzunehmen.

Sein erster Schritt war, eine wasserdichte Schicht auf das Gewebe zu sprühen, wobei er sich für eine Behandlung mit Viskose entschied.

Das resultierende beschichtete Gewebe war zu starr, aber der klare Film ließ sich leicht vom Verstärkungsgewebe trennen, und er gab seine ursprüngliche Idee auf, als die Möglichkeiten des neuen Materials offensichtlich wurden.

Brandenberger benötigte zehn Jahre, um seinen Film zu perfektionieren, wobei die wichtigste Verbesserung gegenüber früheren Arbeiten mit diesem Filmmaterial die Zugabe von Glycerin zur Materialerweichung war. Bis 1912 hatte er eine Maschine zur Herstellung des Films gebaut, den er Cellophan nannte, abgeleitet von den Worten „Cellulose“ und „diaphan“ (transparent). Dieses Produkt wurde im selben Jahr patentiert.

Cellophan wurde zunächst von einem amerikanischen Süßwarenunternehmen verwendet, das es als Verpackung für seine Süßigkeiten einsetzte. Im Laufe der Zeit wurde Cellophan als nützliches Material in der Lebensmittelindustrie vermarktet.

Es wurde anschließend verfeinert und für verschiedene Anwendungen angepasst, wie Nitrocellulose, die Widerstand gegen äußere Feuchtigkeit bietet, und andere Verbindungen, die flexible und poröse Fasern ermöglichen, wie sie in Wursthüllen verwendet werden.

CHEMISCHE STRUKTUR

Zellulose wird mit Schwefelkohlenstoff und Lauge (Natriumhydroxid) behandelt, um Viskose zu erzeugen, die dann durch einen Schlitz extrudiert und in ein Säurebad getaucht wird, das sie wieder in Zellulose umwandelt.

Durch einen ähnlichen Prozess, bei dem statt eines Schlitzes ein Loch verwendet wird, wird eine Faser namens Rayon hergestellt.

HERSTELLUNGSPROZESS

Cellophan oder regenerierte Zellulose ist ein transparentes Kunststoffmaterial, das aus Zellulose hergestellt wird, indem Zellulosexanthat mit einer verdünnten Natronlauge gemischt wird, um eine viskose Lösung zu bilden.

Der Cellophanfilm ist transparent, farblos, ungiftig und geruchlos, besteht aus regenerierter Zellulose, Wasser und einem geeigneten Feuchthaltemittel (Weichmacher oder Weichmacher), das in der Regel Glycerin ist. Aufgrund seiner niedrigen Kosten und einer breiten Palette nützlicher Eigenschaften ist Cellophan heute einer der am weitesten verbreiteten Filme.

Obwohl es nicht streng als Kunststoffmaterial gilt, wird Cellophan durch einen Extrusionsprozess hergestellt, bei dem eine gelöste Zelluloselösung (Viskose) in ein Säurebad geleitet wird. Dies macht die Lösung unlöslich und regeneriert die Zellulose.

Physikalische Eigenschaften wie Zugfestigkeit, Dehnung, Weichheit und Steifigkeit hängen von der Zusammensetzung dieses Drei-Komponenten-Systems ab, das innerhalb der folgenden ungefähren Grenzen stark variiert: regenerierte Zellulose 60-85 %, Feuchthaltemittel 10-25 % und Wasser 5-15 %. Der Feuchtigkeitsgehalt variiert zusätzlich, da der Film empfindlich auf Änderungen der Luftfeuchtigkeit reagiert.

Cellophan ist widerstandsfähig und im Allgemeinen chemisch inert, außer gegenüber konzentrierten Säuren und Laugen. Es lässt auch einen hohen Prozentsatz an ultravioletten Strahlen durch. Es ist in verschiedenen Standardfarben erhältlich, kann flammhemmend modifiziert und mit verschiedenen Drucktechniken bedruckt und dekoriert werden.

Die umweltschädlichen Auswirkungen von Schwefelkohlenstoff und anderen Nebenprodukten aus dem Viskoseherstellungsprozess sind toxisch; Cellophan selbst ist jedoch zu 100 % biologisch abbaubar; und im Gegensatz zu Kunststoff, dessen Recyclingprozess begrenzt ist, da er in der Natur nicht vollständig verschwindet, durchläuft Cellophan diesen Prozess durch Kompostierung und kehrt in Form von Dünger zur Erde zurück, wodurch der Produktkreislauf geschlossen wird. Ein Prozess, der nicht länger als fünf Jahre dauert und es zu einer echten Alternative zu herkömmlichem Kunststoff macht.

HAUPTANWENDUNGEN VON CELLOPHAN

Cellophan wird als allgemeines Schutzverpackungsmaterial verwendet. Aufgrund seiner guten elektrischen Eigenschaften wird es beim Bau von Drähten, Kabeln und anderen elektrischen Produkten eingesetzt. Es dient auch als Trenn-, Barriere- oder Trennfilm beim Kunststoffformen und Laminieren. Um es feuchtigkeitsbeständig zu machen, wird der Großteil des Cellophanfilms mit einem Lack aus Nitrocellulose (Pyroxylin), Weichmachern, Harzen und Wachsen beschichtet. Diese Beschichtung kann dem Cellophanfilm auch eine wärmeversiegelnde Eigenschaft verleihen.

Dank seiner Semipermeabilität wird Zellulosefilm zudem häufig als Membran für Dialyse verwendet und ist das beliebteste Material für die Herstellung von Zigarettenpackungen; seine Feuchtigkeitsdurchlässigkeit macht Cellophan zum perfekten Produkt für diese Anwendung.

Zu den häufigsten Verwendungen und Anwendungen von Cellophan gehören:

• Es wird als Verpackung für Lebensmittel, Geschenke und Blumenarrangements verwendet.
• Es wird für die Herstellung von Klebebändern verwendet.
• In der Industrie wird es für die Herstellung semipermeabler Membranen verwendet, die in Batterien eingesetzt werden.
• Es kann als Beschichtung angewendet werden.
• Ein abgeleitetes Produkt wird als Verpackung für Würste verwendet.
• In Zukunft wird es eine wichtige Rolle als Ersatz für erdölbasierte Polymere wie Polyethylen oder Polypropylen spielen.

Es wird jedoch nicht nur im Lebensmittelbereich verwendet, sondern auch in wirtschaftlichen Tätigkeiten oder Geschäften, in denen empfindliche Gegenstände sanft verpackt werden müssen und der Inhalt sichtbar bleiben soll, wie bei Floristen, Juwelieren oder Feinkostbäckereien. Aus all diesen Gründen kann mit Zuversicht gesagt werden, dass die Verwendung von Cellophan in unseren beruflichen oder privaten Aktivitäten ein Ausdruck ökologischer und sozialer Verantwortung ist.

DER GLOBALE MARKT DER CELLOPHAN-INDUSTRIE

Die ersten kommerziellen Viskoseproduktionsanlagen entstanden Anfang des 20. Jahrhunderts in Großbritannien, den Vereinigten Staaten, Frankreich, Deutschland und Russland.

Ursprünglich wurde Viskose als Filament vermarktet, bis in den 1930er Jahren, als sie mit Baumwolle und Wolle gemischt wurde, um neue Stoffe und Optionen für die Modeindustrie zu schaffen.

Die schädlichen Auswirkungen der Viskoseproduktion wurden zunehmend offensichtlich, und gegen Ende des letzten Jahrhunderts wurden viele stark umweltschädliche und unrentable Anlagen geschlossen und nach Asien verlagert, wo es billigere Arbeitskräfte und weniger strenge Umweltvorschriften gab.

Im ersten Jahrzehnt des 21. Jahrhunderts vervierfachte China seine Viskoseproduktionskapazität und stellt heute 66 % der weltweiten Produktion dar. Indien und Indonesien sind die zweit- und drittgrößten Produzenten weltweit. Die Industrie überlebte auch in Europa, wo strenge Kontrollen zur Schaffung von geschlossenen Kreislauf- oder Zirkularsystemen führten, damit die verwendeten Chemikalien nicht in die Umwelt gelangen oder mit Arbeitern in Kontakt kommen.

Der Viskosemarkt heute

Laut Informationen von Lenzing AG wuchs der weltweite Verbrauch dieser Faser 2016 um 1,5 % und erreichte 99 Millionen Tonnen.

Laut der Changing Markets Foundation wird die Faser hauptsächlich für die Bekleidungsindustrie (53 %) verwendet, aber auch in der Heimtextilindustrie (21 %), der Industrie (20 %) und der Medizintechnik (6 %).

Und nach Fasertyp wird das Produkt laut Lenzing AG wie folgt auf dem Markt verteilt:

• Synthetische Fasern aus Erdöl: 62,7 % des Marktes
• Fasern aus Zellulose und Protein:
• Baumwolle: 24,3 %
• Zellulosefasern aus Holz: 6,6 %
• Natürliche Fasern: 5,3 %
• Wolle: 1,1 %

Betrachtet man den Marktanteil der Produktionskapazität weltweit nach Regionen (2016), so ist China der Hauptproduzent dieses Materials, gefolgt von Indien (11,10 %), Südostasien (10,36 %) und Europa (10,03 %).

Quelle: Global Viscose Fibre Market Research Report.2017, Mai 2017, QYR Chemical & Materials

Viele globale Hersteller haben sich entschieden, Viskose aus China und Ländern zu kaufen, die zu niedrigeren Preisen verkaufen können, auf Kosten erheblicher Umwelteinflüsse. Das folgende Diagramm zeigt einige dieser Unternehmen.

BEHANDLUNG DER ABWÄSSER AUS DEM CELLOPHAN-HERSTELLUNGSPROZESS

Wie in diesem Artikel erläutert, ist Cellophan ein pflanzenbasiertes Polymer, das zu 100 % biologisch abbaubar ist, weshalb seine zunehmende Verwendung als Ersatz für Kunststoffe zur Reduzierung der Umweltverschmutzung vollkommen gerechtfertigt ist; jedoch erzeugt der Herstellungsprozess von Viskose und den daraus gewonnenen Derivaten hochgradig umweltschädliche Abwässer, die durch aufwändige und kostspielige Anlagen behandelt werden müssen.

Biologische Behandlungen

Wenn die Art der Abwässer dies zulässt (relativ biologisch abbaubar), werden komplexe biologische Behandlungen durchgeführt, nach einer vorherigen physikalisch-chemischen Behandlung zur Abtrennung von Feststoffen und Neutralisierung der Einleitungen. Ein Beispiel hierfür ist die biologische Behandlung in bewegten Betten.

Moving Bed Technologie

Eine der Technologien zur Behandlung von Abwässern aus Cellophanfabriken ist ein komplexer biologischer Prozess, der MBBR (Moving Bed Biofilm Reactor) und BAS (Biofilm Activated Sludge) Prozesse mit Nährstoffbegrenzung kombiniert und erfolgreich eingesetzt wird.

Der BAS-Prozess besteht darin, ein gemischtes System zu implementieren, bei dem die einströmende Schadstoffbelastung durch eine Kombination aus Biomasse, die an einem mobilen Träger haftet, und suspendierter Biomasse behandelt wird. Er kombiniert einen bewegten Bettreaktor vorne, gefolgt von einem Belebtschlammreaktor.

Ein ordnungsgemäßes Design des Prozesses führt zu einer korrekten Dimensionierung der Belebtschlammstufe zusammen mit einem MBBR-Biofilmreaktor, der Spitzenbelastungen standhalten kann. Das Ergebnis ist eine effektive und robuste Behandlung, die für jede Art von industriellem Abwasser geeignet ist.

Der initiale MBBR-Moving-Bed-Reaktor ist darauf ausgelegt, die leichter biologisch abbaubaren Verbindungen zu entfernen, wodurch das Gesamtvolumen der Anlage reduziert und die Sedimentationseigenschaften des Schlamms im Vergleich zu herkömmlichen Belebtschlammverfahren verbessert werden.

Dieser erste Reaktor bietet auch eine große Stabilität gegenüber Schwankungen der Zulaufbelastung, dämpft Lastspitzen und die Auswirkungen von toxischen oder hemmenden Stoffen und entfernt zwischen 50-70 % der eingehenden BSB.

Zusätzlich erhöht diese Vorbehandlung die Behandlungskapazität um das 2- bis 3-fache im Vergleich zu einem konventionellen Belebtschlammverfahren, während ein geringeres Volumen benötigt wird.

Die Rezirkulation des Schlamms erzeugt eine Mischkultur im Belebtschlammreaktor, in dem suspendierte Biomasse mit dem im vorherigen Moving-Bed-Reaktor gebildeten Biofilm kombiniert wird.

Ebenso verbessert der BAS-Prozess die Eigenschaften des Belebtschlamms, macht ihn stabiler und mit einer leichter entwässerbaren Schlammqualität. Der BAS-Prozess mit Nährstoffbegrenzung hat eine Anpassungsfunktion, die die Schlammproduktion in Fällen reduziert, in denen eine Nährstoffzugabe erforderlich ist.

In der Biofilmschicht wird der CSB des Abwassers in Polysaccharide umgewandelt, die wiederum für die Erzeugung neuer Biomasse im Belebtschlamm verwendet werden. Die Produktion und der Verbrauch von Polysacchariden bedeuten Energieverbrauch für die Bakterien, was ihr Wachstum begrenzt, was zu einer reduzierten Schlammproduktion und somit zu Einsparungen bei den Betriebskosten führt.

Dieses System ermöglicht eine reduzierte Sekundärschlammproduktion und einen geringeren Nährstoffbedarf.

Überschüssiger Schlamm wird durch mechanische Trocknungsverfahren und Zugabe von Zusätzen, die die Trocknung erleichtern, konzentriert, ist jedoch in diesem Fall schwer als Dünger zu kompostieren, während Vakuumverdampfungstechnologie dies ermöglicht, insbesondere in Fällen, in denen in der Fabrik überschüssige Wärmequellen vorhanden sind (Heißwasser, Dampf usw.).

Chemische Oxidationsbehandlungen

Es kommt auch häufig vor, dass Einleitungen mit sehr schlecht biologisch abbaubaren Verunreinigungen vorliegen. Diese Abwässer umfassen stark saure und alkalische Einleitungen sowie organische Verbindungen, die biologisch schwer zu oxidieren sind, wodurch die organische Belastung als refraktärer CSB betrachtet wird. Die Behandlung ist in diesen Fällen kostenintensiv, da spezielle Oxidationstechnologien erforderlich sind.

Nach einer Vorbehandlung zur Feststoffabscheidung mit automatischen Sieben sowie Neutralisation und Homogenisierung der Abwässer wird eine chemische Oxidationsbehandlung durchgeführt, die total oder partiell sein kann.

Bei der partiellen Oxidation ist das Ziel, die Bindungen komplexer organischer Moleküle zu brechen, damit sie später in einer nachfolgenden biologischen Behandlung von Bakterien verdaut werden können, während bei der totalen Oxidation eine Einleitung erreicht wird, die diese organischen Verbindungen signifikant reduziert.

Im ersten Fall sind die Anlagen einfacher, aber die Kontaktzeiten sind lang, was ein hohes Volumen und große Flächen für die Installation der Behandlungsanlagen erfordert, was nicht immer machbar ist.

Im zweiten Fall benötigen die Anlagen weniger Platz, haben jedoch höhere Installationskosten und einen höheren Energieverbrauch.

In einigen Fällen wurden Oxidationsmittel auf Chlorbasis verwendet, aber die Bildung von Organochlorverbindungen und THMs hat sie obsolet gemacht.

Technologien, die Ozon mit UV-Strahlung niedriger und mittlerer Belastung kombinieren, wurden ebenfalls getestet, aber selbst mit Katalysatoren waren die erzielten Ergebnisse nicht vollständig zufriedenstellend.

Vakuumverdampfung ist eine Technologie, die anwendbar ist, wenn der flüchtige CSB gering ist und insbesondere, wenn in der Fabrik überschüssige Energie verfügbar ist, und in jedem Fall zur Konzentration der gewonnenen Schlämme geeignet ist.

ZUSAMMENFASSUNG

Cellophan ist ein Polymer, das aus Zellulose gewonnen wird. Es ist hochgradig biologisch abbaubar, was ihm im Vergleich zu Kunststoffen eine zunehmende ökologische Bedeutung verleiht. Trotz seiner perfekten Verträglichkeit mit Lebensmitteln und hervorragenden physikalisch-chemischen Eigenschaften erfordert sein aktueller Herstellungsprozess jedoch Reagenzien und Behandlungen, die hochgradig umweltschädliche und komplexe Abwässer erzeugen, sodass die größte globale Produktion in asiatische Länder verlagert wurde, in denen die Umweltvorschriften weniger streng sind.

Daher besteht eine wichtige Aufgabe darin, Produktionsprozesse und anwendbare Reinigungstechnologien zu optimieren sowie die Herkunft der hergestellten Produkte und Rohstoffe zu regulieren und zu kontrollieren.

Bibliographie und Internetquellen

• „Treatment of Industrial and Hazardous Discharges.“ Welson L. Nemerow und Avigit Dasgupta – Ed. Díaz de Santos 1998.
• Metcalf-Eddy. 1994. Sanitary Engineering. Treatment, Disposal, and Reuse of Wastewater. Ed. Labor. Barcelona.
• https://www.navarra.es/NR/rdonlyres/454BE94F-2114-4831-BE6C-A617E2CA1369/90744/ VISCOFAN.pdf
• https://fashionunited.es/noticias/moda/la-viscosa-una-fibra-sostenible/2017070724133