Papier, Pappe, Kartonagen (PPK)

Primärrohstoffe und Grundstoffe

Papier besteht überwiegend aus pflanzlichen Fasern. Um den Werkstoff herzustellen, werden Naturfasern verfilzen. Dies geschieht, indem Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Fasern ausgebildet werden und sich dadurch flexible, feste Bindungen bilden, die auch Eigenverklebung genannt werden. Bei der Papierproduktion besteht die Faustregel: „Je länger die Fasern, desto besser die Qualität des Papiers.“ Papier wird entweder aus Holzstoff oder aus Zellstoff hergestellt, bei deren Produktion das Holz unterschiedlich aufbereitet wurde. Die eingesetzten Fasern unterscheiden, ob das produzierte Papier als holzfreies Papier (Zellstoff) oder als holzhaltiges Papier (aus Holzstoff) klassiert wird. Bei Holzstoff wird das Holz mechanisch aufbereitet und unter Wasserzugabe zerfasert . Holzstoff enthält einen hohen Anteil an Lignin. Refiner-Holzstoff wird bei dem mechanischen Holzaufschlussverfahren hergestellt, indem Holz gegen zwei rotierende Schleifsteine gepresst wird und somit zu Fasern verschliffen wird. Eine andere Möglichkeit der Zerfaserung ist die Herstellung von thermomechanischem Holzstoff (TMP), bei dem die Holzhackschnitzeln unter Wärme und Druck von zwei rotierenden Refinerscheiben bearbeitet werden. Bei der Herstellung von chemisch-thermomechanischem Refiner-Holzstoff werden die Hackschnitzel zusätzlich noch chemisch vorbehandelt . Bei der Herstellung von Zellstoff wird das Ausgangsmaterial mehrstündig in schwefelhaltiger Lösung gekocht, sodass verholzende und verfestigte Anteile (Lignin) aus den Fasern entfernt werden. Holzfreies Papier hat daher einen höheren Anteil längerer, stabilerer Fasern, die häufiger recycelt werden können. Aufgrund des Produktionsprozesses müssen Chemikalien (z.B. Chlor) eingesetzt werden, die aber Umwelt-Problematiken mit sich bringen. Zur Herstellung von holzhaltigem Papier muss hingegen nur wenig Holz aufgewendet werden, da die Produktion eine hohe Ausbeute hat, das Papier ist aber brüchig und vergilbt schnell . In Tabelle 1 Werden die unterschiede zwischen mechanischer und chemischer Fasergewinnung dargestellt. Tabelle 1: mechanische und chemische Fasergewinnung Fasergewinnung Mechanisch / Holzstoff Fasergewinnung Chemisch / Zellstoff Ausgangsmaterial Holz Holz Verarbeitung unter Wasserzugabe zerrieben in schwefelsalzhaltiger Lösung mehrstündig gekocht Ergebnis Holzstoff Zellstoff Vorteile hohe Ausbeute, inländische Herstellung, gute Abdeckwirkung im Papier lange & stabile Fasern, für alle Papiersorten geeignet, bis zu sechs Mal wiederverwendbar Nachteile hohe Energieverbrauch, brüchiges Papier, rasches Vergilben fast ausschließlich Importe, niedrige Ausbeute, großer Bleichaufwand Die aufbereiteten Fasermaterialien weisen eine graue bis braune Färbung auf, die auf den Restgehalt von Lignin zurückzuführen ist. Bevor die Faserstoffe dem Papierherstellungsprozess zugeführt werden, werden sie zuerst gebleicht. Aufgrund der hohen Toxizität des traditionellen Bleichmittels Chlor werden häufig Chlordioxid, Wasserstoffperoxid, Sauerstoff oder Ozon verwenden . Abbildung 1: Anteil am Rohstoffeinsatz 2021 Neben den primären Rohstoffen ist in der Papierindustrie der sekundäre Rohstoff Altpapier prägend. So wurden 2021 68% des Rohstoffeinsatzes durch Altpapier gedeckt; 19% des Rohstoffeinsatzes beliefen sich auf primäre Faserstoffe. Die restlichen 13 % sind Mineralien und Additive (s. Abbildung 1). Die Altpapiereinsatzquote wird in Deutschland in der Regel mit 79% angegeben, da die Additive in der Rechnung nicht berücksichtigt werden. Im Vergleich ist die Altpapiereinsatzquote in Deutschland höher als in der EU, dort liegt sie bei 73,9% . Die Nutzung von Altpapier bei der Papierproduktion hat einen deutlich geringeren Energie- und Wasserbedarf. Zur Herstellung von Recyclingpapier wird ca. 70% weniger Wasser und 60% weniger Energie benötigt. Dies ist entscheidend, da die deutsche Papierindustrie nach der Metallerzeugung und chemischen Industrie den dritten Platz des meisten Endenergieeinsatzes belegt. Der Wasserbedarf ist in den letzten Jahren aufgrund von verstärkter Kreislaufführung gesunken und liegt nun zwischen 9 und 10 Litern pro Kilogramm Papier. . In Tabelle 2 sind diese Einsparpotentiale zusammengefasst dargestellt. Tabelle 2: Einsparpotential bei Nutzung von Altpapier pro Kilo Recyclingpapier pro Kilo Primärfaserpapier Wasser 15 Liter 50 Liter Energie 2 kWh 5 kWh Fasergrundlage 1,2 Kilo Altpapier 2,2 Kilo Holz Altpapier hat im Vergleich zu den Frischfasern qualitative Nachteile, da die Fasern sich pro Recyclingzyklus verkürzen. Deshalb werden bei der Papierproduktion Altpapier und primäre Faserstoffe miteinander gemischt, abhängig von den Qualitätsanforderungen. Das Einsatzpotential von Altpapier in neuen Papierprodukten ist abhängig von der produzierten Papiersorte. Ein hohes Einsatzpotential haben beispielsweise die Bereiche Zeitungsdruckpapier und Verpackungen, wohingegen bei der Produktion von graphischem Papier nur wenig Altpapierfasern eingesetzt werden. Bei Zeitungsdruckpapieren liegt die Altpapiereinsatzquote bei über 100 %, was an dem Verlust von Kurzfasern im Produktionsverfahren liegt (s. Abbildung 2) . Abbildung 2: Einsatz von Altpapier bei der Produktion

Produktion

In der Stoffzentrale startet der Herstellungsprozess von Papier. Dort werden die Ausgangsfasern, also der Holzstoff, der Zellstoff und das Altpapier miteinander gemischt. Das Mischverhältnis hängt von der erwünschten Papierqualität und der Herstellungsrezeptur ab. Dazu werden Zusätze hinzugefügt, die ca. 10% der Rohstoffmasse ausmachen. Die Zusätze sind Leim-, Füll- und Farbstoffe, die die Eigenschaften des Papiers abhängig vom zukünftigen Verwendungszweck beeinflussen. Leimstoffe wie Kunstharz und Leim machen das Papier widerstandsfähiger gegen Flüssigkeiten. Füllstoffe wie Talkum, Kaolin und Kalziumkarbonat erzeugen eine glatte und weiße Oberfläche. Die Farbstoffe regulieren die Verfärbung der natürlichen Fasermaterialien . In der Papiermaschine werden die vermischten Bestandteile des Papiers zu einem einheitlichen Faserverbund verarbeitet. Im Stoffauflauf wird der mit Wasser verdünnte Papierbrei (Pulpe) auf einem feinmaschigen Endlossieb verteilt. Durch die Bewegung des Siebs wird eine erste Entwässerung vorgenommen, wobei gleichzeitig die Fasern zu einer homogenen, blattförmigen Struktur verfilzen. Nach der Presspartie, in der das Papiergefüge durch Druck verdichtet und weiter entwässert wird, besitztdieses einen Trockengehalt von 45%. Die Restfeuchte wird im folgenden Schritt mithilfe von dampfbeheizten Trockenzylindern entzogen, sodass das Rohpapier am Ende einen Trockengehalt von rund 97% besitzt. Am Ende der Papiermaschine / Zum Schluss/im letzten Schritt wird im Glättewerk die Blattdicke des Papiers optimiert. Wenn das Rohpapier als Schreib- und Druckmaterial verwendet werden soll, folgt anschließend der Veredelungsprozess des Streichens. Dabei werden Pigmente (z.B. Kaolin oder Titandioxid), Bindemittel (Latex, Kasein und Sojaprotein) und Hilfsstoffe (Dispergier- und Netzmittel, Konservierungsstoffe, Schaumverhinderer sowie pH-Einstellmittel) aufgebracht, damit eine gute Übertragung von Druckfarben gewährleistet werden kann. Im letzten Arbeitsschritt wird die endgültige Oberflächenstruktur durch die Satinage erzielt. Dafür wird die Papierbahn im Kalander unter Druck und Temperatur leicht verdichtet. Das führt dazu, dass die Bedruckbarkeit verbessert und dem Papier Glanz und Glätte verliehen wird . Bei der Papierherstellung sind große Mengen Wasser technologisch notwendig. Unternehmen benötigen daher eine umfangreiche Abwasserbehandlung, bei der große Mengen an Schlämmen anfallen, welche energetisch verwertet werden. Diese Schlämme müssen vor der Verwertung zuerst noch aufbereitet werden, da ihre Konsistenz und ihr zu hoher Feuchtegehalt schwierig sind. Teilweise werden die Papierschlämme in Kompostieranlagen zugesetzt oder zur Strukturverbesserung von Böden verwendet . Aufgrund der Umweltgefahren des Herstellungsprozesses von Papier gibt es viele Label, die umweltfreundlichere Alternativen kennzeichnen sollen. Papiere die chlorfrei gebleicht wurden, werden mit „TCF“ (totally chlorine free), chlorarm behandeltes Papier mit „ECF“ (elementary chlorine free) gekennzeichnet. Die Papiere, die in einem geschlossenen Wasserkreislauf ohne Abwassererzeugung produziert wurden, werden mit „TEF“ (totally efluent free) gekennzeichnet . Es gibt eine Vielzahl von verschiedenen Labels, die nachhaltige Papierprodukte kennzeichnen sollen. Bei diesen Umweltzeichen muss bedacht sein, dass keines der Umweltzeichen und Produktlabel vollständig und umfassend die Kriterien einer nachhaltigen Papierproduktion erfüllen. Labels, die zu empfehlen sind, sind „Blauer Engel“, „FSC“, „ÖKOPAplus“, „Rainforest Alliance Certified“. Labels, die nicht genügend sind, sind „EU Ecolabel“, „Nordic Ecolabel“, „Paper by Nature“ und „PEFC“. Labels, die nicht zur Kennzeichnung von nachhaltigen Papierprodukten geeignet sind, sind „Aqua Pro Natura / Weltpark Tropenwald“ und „Oxford Acts For The Planet“ . Papiere können eine Vielzahl von unterschiedlichen qualitativen Eigenschaften aufweisen. Um diese Klasse zusammenzufassen, gibt es die Bezeichnung „PPK“: die Unterscheidung in Papier, Pappe und Kartonage nach ihrem Flächengewicht. Papier hat dabei ein Flächengewicht von ca. 170 g/m2, Karton zwischen 170 g/m2 und 600 g/m2 und Pappe über 600 g/m2. Wellpappe ist eine Besonderheit, da mindestens eine Schicht aus gewelltem Papier besteht und auf einer oder beiden Seiten mit einer glatten Papierbahn verklebt ist. Insgesamt gibt es bis zu 3.000 verschiedene Papiersorten; die wichtigsten Papierarten sind Verpackungen, graphische Papiere, Hygienepapiere und Spezialpapiere. Diese unterscheiden sich in ihren unterschiedlichen Faserzusammensetzungen . Die Papierindustrie ist ein wichtiger Wirtschaftszweig in Deutschland. Der Branchenumsatz lag 2021 bei 15,5 Mrd. Euro (+22,8%). Im Jahr 2021 wurde 23,1 Mio. Tonnen Papier produziert. Mit 58,7% wurde davon am meisten Papier und Karton für Verpackungen produziert, resultierend aus dem wachsenden Online-Handel und Umstieg von Kunststoff- auf Papierverpackungen. Darauffolgend wird am meisten graphisches Papier (28,4%) produziert. Papier und Pappe für technische und spezielle Verwendungszwecke (6,5%) und Hygienepapiere (6,4%) werden am wenigsten produziert . Um die Bedeutung der deutschen Papierindustrie einordnen zu können, fällt im weltweiten Vergleich auf, dass Deutschland unten den Top 5 Ländern der größten Erzeugerländer von PPK im Jahr 2020 lag. Am meisten Papier wird in China produziert, gefolgt von den USA und Japan . Diese großen Massen am Papier kann Deutschland nicht mit inländischen Rohstoffquellen decken, sodass der Großteil der Papierzellstoffe nach Deutschland importiert werden. Die Hauptlieferländer sind dabei Brasilien, Finnland und Schweden. Es werden insgesamt 3,15 Mio. Tonnen Papierzellstoffe nach Deutschland für die Papierproduktion importiert Abbildung 3: Anteile der Hauptsorten an der Gesamtproduktion . Abbildung 4: Die 10 größten Erzeugerländer von Papier, Pappe und Karton 2020 in 1.000 t

Nutzung

Abbildung 5: Die 10 größten Verbraucherländer von Papier, Pappe und Karton 2020 in 1.000 t In Deutschland ist nicht nur die Produktion von PPK hoch, sondern Deutschland hat auch einen hohen Verbrauch. Insgesamt werden 19 Mio. Tonnen PPK verbraucht, am meisten davon PPK für Verpackungszwecke und graphische Papiere. Mehr Papier als Deutschland verbrauchen im weltweiten Vergleich nur China, USA und Japan . Nach Ende der Nutzung wird das Altpapier gesammelt. Die Sammlung von Altpapier ist die erste Recyclingstufe. Altpapier fällt bei der Papierverarbeitung, im gewerblichen und im Haushaltsbereich an. Dabei gibt es unterschiedliche Sammelsysteme. In Deutschland wird Altpapier mit einem Hol- (Blaue Tonne) oder Bringsystem (Altpapiercontainer) erfasst. Das Altpapieraufkommen in Deutschland lag 2021 bei 14,5 Mio. Tonnen . Für ein erfolgreiches Recycling ist eine möglichst sortenreine Erfassung von Altpapier entscheidend. In die blaue Tonne darf Büropapier, Zeitungen, Bücher ohne Umschlag, saubere Papierverpackungen, Kartons, Wellpappe, Bastelpapier und in geringen Mengen Selbstdurchschreibepapier entsorgt werden. Fehlwürde sind wiederrum Verbundmaterialien, beschichtete Papiere, Abzusteifen von Selbstklebe-Etiketten, verschmutztes oder fettiges Papier, Butterbrotpapier, Hygienepapier (Servierten, Küchenrollen, Papiertaschentücher), nassfeste Papiere (Plakate für den Außenbereich), Kohlepapier, Thermopapier (Kassenzettel, Fahrkarten) Papiere mit Gold- oder Silberfarbe (Verpackungen für Zigarettenstangen), Papiere mit Kleber und der sich nicht durch Wasser lösen lässt (Post-it, Adressetiketten, Selbstklebeverschluss bei Kuverts). Ob ein Papier beschichtet ist, kann durch den Reißtest getestet werden. Kartons sollen nicht zerkleinert, sondern zusammengefaltet entsorgt werden, da es im Stück aussortiert wird und für die Verpackungspapierproduktion verwendet wird, da die ungebleichten braunen Fasern zur Herstellung von hellem Büro- und Druckpapier ungeeignet sind .

Rohstoff!

Altpapier ist einer der wichtigsten Rohstoffe der Papierindustrie geworden und gilt als internationale Handelsware. Um unterschiedliche Altpapierqualitäten und Verunreinigungen besser zu unterscheiden, gibt es verschiedene Altpapiersorten. Die Sorten sind in 5 verschiedene Gruppen unterteilt: in Untere, Mittlere, Bessere, Krafthaltige Sorten und Sondersorten. In Tabelle 3 werden jeweils Beispiele dazu aufgelistet . Tabelle 3: Beispiele aus der europäischen Altpapiersortenliste Papiersorten Nr. Definition 1. Untere Sorten 1.01 unsortiertes gemischtes Altpapier, unerwünschte Stoffe entfernt 1.11 Deinking-Ware 2. Mittlere Sorten 2.01 Zeitungen Zellstoff 3. Bessere Sorten 3.14 Weißes Zeitungspapier, unbedruckt 4. Krafthaltige Sorten 4.01 Neue Späne aus Wellpappe 5. Sondersorten 5.01 Altpapier gemischt, unsortiert 5.03 Getränkekartons mit Kunststoff und Al-Beschichtung Abbildung 6: Preisentwicklung Altpapier: Index der Großhandelsverkaufspreise für Altpapier 2000 - 2021 ) Abbildung 7: Preisentwicklung Altpapier: Index der Großhandelsverkaufspreise für Altpapier 2020 - 2023 ) PPK ist nicht nur für den inländischen Bedarf entscheidend, es ist auch ein wichtiges Handelsgut. Deutschland exportierte 2020 weltweit am meisten Altpapier. Altpapier unterliegt Preisschwankungen aufgrund von Markmechanismen wie wechselnde Energiepreise und starke Nachfrageschwankungen. So zeigt sich, dass während der COVID-19 Krise der Preis für Altpapier stark gesunken ist, da die Produktion in dieser Zeit deutlich zurückgegangen ist. In den folgenden Jahren vervierfachte sich der Altpapierpreis dann jedoch wieder im Vergleich zu 2020 bis dieser dann im Sommer 2022 stark einbrach. Grund dafür waren umfangreiche Abstellmaßnahmen in der Papierindustrie, da die Nachfrage nach Altpapier stark gesunken ist. Dies liegt an den hohen Kosten für Energie und Rohstoffe, die zusätzlich durch Inflation und den russischen Angriffskrieg auf die Ukraine verstärkt wurden (s. Abbildung 6 & 7) Abbildung 8: PPK Aufbereitungs- und Produktionsschema unter Nutzung von Altpapier für grafische Papiere Die Verwendung der Altpapierfasern bei der Papierherstellung benötigt eine vorausgehende, mehrstufige Aufbereitung des Altpapiers, welche aus der Aussortierung von Fremdstoffen, Zerfaserung, Bleichen und Reinigen besteht (s. Abbildung 8). Bei Altpapier müssen zusätzlich unterschiedliche Zusatzstoffe mitberücksichtigt werden. Ein besonders problematischer Bestandteil von Altpapieren sind Druckfarben. Zur Entfernung dieser durchläuft das Papier einen Deinking-Prozess. Zur Aufbereitung von Altpapier wird zuerst eine Trockensortierung des gesammelten Altpapiers vorgenommen. Das getrennt gesammelte Altpapier wird automatisiert mit manueller Nachkontrolle zu den verschiedenen Altpapiersorten sortiert. Die Sortierung ist sensorbasiert, mit bildverarbeitenden Verfahren und Nahinfrarotspektroskopie (NIR). Dabei wird zuerst das Material vereinzelt, in einer Grobsiebung dann die großen Pappen abgesiebt und in der Feinsiebung das Mischpapier abgetrennt. Darauf folgt eine Sortierung mit NIR-Sensor, bei welcher die Störstoffe sowie unerwünschten Papiersorten ausgeblasen werden. Zum Schluss wird nochmal manuell am Leseband nachsortiert, bevor das Altpapier in der Papierpresse zu handelsüblichen Papierballen gepresst wird. Störstoffe sind dabei alle Kunststoffe, Textilien, Holz, Metalle und beschichtete Papiere . In der Papierfabrik folgt dann die Nassaufbereitung der Altpapiersorten. Das Altpapier wird durch Wasser und mechanische Beanspruchung in Einzelfasern aufgelöst und die Hilfsmittel und Fremdstoffe werden durch nasse Sortierungsverfahren abgetrennt . Im ersten Schritt wird das Einsatzmaterial durch das Zufügen von Wasser aufgelöst und eine pumpfähigen Faserpulpe erzeugt. Dies geschieht beispielsweise in einer Drehtrommel. Gröbere Fremdkörper werden durch die Zentrifugalkräfte an die Trommelwand geschleudert und dort aus der Pulpe abgetrennt. Bei diesem Löseprozess werden die Chemikalien NaOH und Fettsäure zugesetzt, wodurch die Druckfarbe sich von den Fasern löst. Darauf folgt die Grobsortierung, die in Dickstoffreinigern und Drucksortierung unterteilt ist. Im ersten Prozess werden in Hydrozyklonen kleinere schwerere Fremdstoffe (Glas, Steinchen und Metallklammern) abgeschieden. Im Drucksortierer werden flächige Fremdstoffe (Kunststofffolien, Al-Folien, Klebestreifen) aussortiert. Im Weiteren wird die verdünnte Pulpe mit Hydrozyklonen und Schlitztrommelsieben gereinigt, bei denen kleinere Schwerteilchen (Sand, Kleber) und flächige Teilchen entfernt werden. Für die Erzeugung von graphischen Papieren (sog. „weiße Ware“) ist zusätzlich ein Deinking notwendig, bei dem die bereits gelösten Farbpartikel entfernt werden. Dieser Schritt wird auch Deinking genannt. Bei der Flotation werden Flotationschemikalien hinzugegeben, die die Hydrophobierung der Druckerfarbpartikel forciert. Daraufhin werden Luftblasen in die Farbsuspension eingeführt, wobei sich die freien Farbpartikel an die Luftblasen anheftet und einen Schaum an der Oberfläche bilden, welcher dann abtrennbar ist. Die Flotation wird zweimal durchgeführt, dazwischen wird die Fasersuspension noch einmal mit einem Scheibenfilter entwässert und der Faserstoff wird im Disperger einer Reibungsbeanspruchung unterzogen, wodurch restliche Druckfarben gelöst werden und Störstoffe zerkleinert werden. Das Besondere am Deinking ist, dass es nur für nicht wasserlösliche Farbe möglich ist. Die Flotation und Dispersion sind optionale Vorgänge und werden nicht in allen Anlagen durchgeführt . Bei der Nassaufbereitung fallen demnach mehrere Fraktionen an. Es wird unterschieden in Spuckstoffe, Papierschlämme und Deinking-Schlämme. Diese Abfälle werden oft für die energetische Verwertung in der Papierfabrik verwendet .

Literaturverzeichnis

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