Materiaalrecyclage: Papier en karton

1. Procesbeschrijving

1.1. Inleiding

Papier en karton bestaan in wezen uit een vel van cellulosevezels met een aantal toegevoegde bestanddelen, waarvan de samenstelling afhankelijk is van de gewenste kwaliteit en het beoogde gebruik.

De cellulosevezels zijn gewoonlijk afkomstig van hout of een houtachtige plantaardige bron (bv. stro, stengels, enz.) maar ook oud papier kan een grondstof vormen. In 2012 werd zo 1,150 miljoen ton oud papier als inputmateriaal gebruikt in de Belgische papier- en kartonindustrie. Dit vertegenwoordigt twee derde van de gebruikte vezels. (Cobelpa, 2013)

Primair, onbehandeld houtafval kan ook dienst doen als grondstof in de papierproductie. De bijproducten van de zagerij worden verhakseld en ingezet als vezelbron. Dit hout vertegenwoordigt meer dan 25% van de houtbevoorrading in de Europese papierindustrie. (Cobelpa, 2013)

1.2. Werkingsprincipe

Papierproductie – Algemeen

Figuur 1 toont een overzicht van het productieproces van papier.

Figuur 1 schematisch overzicht van de papierproductie (Bron: www.cobelpa.be).

Pulp

Het maken van papier en karton begint met de productie van pulp. Dit kan op heel verschillende manieren gebeuren.

Het hout(achtige materiaal) wordt eerst ontschorst en tot chips verwerkt, of houtchips worden als dusdanig aangekocht. Die chips worden met water en warmte op chemische of op mechanische manier omgezet tot individuele vezels.

Met oud papier als startmateriaal begint het recyclageproces door de vezels opnieuw in suspensie te brengen in water. Zo bekomt men een grijze brij, die gereinigd en afhankelijk van het gewenste eindresultaat ook ontinkt en gebleekt moet worden (zie verder). Voor sommige papiersoorten is het verder nodig de lange vezels (naaldhout) te scheiden van korte (loofhout). Deze bijkomende sortering gebeurt via verschillende opeenvolgende wasbeurten of fractioneringen, te korte vezels worden verwijderd.

Een papierproducent kan de pulp ook elders aankopen, als dunne suspensie of als gedroogde vellen.

De pulp wordt verder gemengd met water, ontdaan van allerlei vreemde bestanddelen en klonters, en soms ook geraffineerd. Bij raffinage worden de vezels gemalen tussen schijven bezet met messen (refiner). Door dit ‘raspen’ komen er vezelhaartjes los, zodat de vezels zich beter aan elkaar kunnen hechten en er een homogenere vezelverdeling op het vel papier plaats vindt.

Papiermachine

De pulpsuspensie, die nog voor 95% uit water bestaat, wordt gelijkmatig aangebracht op een vlak zeefdoek, dat snel doorheen de papiermachine heen beweegt. Water wordt afgezogen en de vezels verbinden zich. Rollen persen het papierweb samen tot een glad oppervlak, en onttrekken nog meer water. Een vochtgehalte van 50% wordt zo bereikt. Dan wordt het papier gedroogd op door stoom verwarmde cylinders, via warme lucht of door infraroodstraling, tot een vochtgehalte van zo’n 6%.

Afwerking

Nadien kan het papier nog een aantal bewerkingen ondergaan, naargelang de beoogde kwaliteit.

Bij het kalanderen bijvoorbeeld maken met stoom verwarmde gietijzeren rollen het oppervlak van het vel gladder en glanzender. Dit verhoogt eveneens de bedrukbaarheid van het papier.

Coaten is het aanbrengen van een ‘strijklaag’ van mineralen zoals calciumcarbonaat, talk of kaolien aan op één of beide zijden van het papier. Zo krijgt het papier een witter, glanzend en mooi egaal oppervlak, wat opnieuw bedrukken vereenvoudigt en het drukcontrast vergroot. Een coating binder zorgt voor een goede aanhechting van de mineralen aan het papier. Als binder gebruikt men onder andere synthetische producten zoals latex en natuurlijke organische bindmiddelen als zetmeel. Dikwijls bevat de coating ook nog chemische additieven als  dispergeermiddelen en harsen.

Het uiteindelijke resultaat kan men afhankelijk van de toepassing onderverdelen in:

  • Verpakkingen van papier en karton
  • Grafisch papier: houthoudend of niet-houthoudend papier voor kranten, tijdschriften, kopieerapparaten, boeken, etc.
  • Huishoudelijk en hygiënisch papier: keukenrol, servetten, WC-papier, zakdoeken etc.
  • Speciaal papier: etiketten, thermisch papier, bankbiljetten etc.

De Belgische papierproductie is vooral toegespitst op grafisch papier (72%) (Cobelpa, 2013).

Pulpproductie op basis van oud papier

Het geleverde papier wordt geïnspecteerd en de samenstelling gecontroleerd. Op basis daarvan bepaalt het bedrijf in welke verhouding de verschillende leveringen gemengd dienen te worden. De samenstelling van het oud papier ligt best zo dicht mogelijk bij het gewenste eindresultaat: voor magazinepapier bv. wordt dus best zoveel mogelijk magazinepapier als grondstof gebruikt. Het uiteindelijke inputmateriaal is natuurlijk het resultaat van een kosten en kwaliteitsafweging.

Het materiaal ondergaat meestal eerst nog een geautomatiseerde fysische scheiding, op basis van eigenschappen zoals formaat, stijfheid, kleur, samenstelling en gewicht van papier en andere componenten. Nadien vindt dikwijls nog een handmatige sortering plaats om overblijvende ongewenste componenten te verwijderen.

Verpulpen en zuiveren

De pulper vermengt het oud papier met water en door mechanische en hydraulische agitatie komen de vezels in suspensie. Ontinkting begint gewoonlijk al in dit stadium. De vezels zwellen, de inkt komt los en breekt af in kleinere deeltjes. Voor productielijnen waarbij ontinkting aan de orde is, zoals grafisch papier, tissues en hygiënisch papier, voegt men gewoonlijk hier chemicaliën als NaOH en natriumsilicaat toe, zodat de inkt gemakkelijker loskomt van de vezels en in dispersie blijft. Ook bleekmiddelen zoals H2O2 worden veelvuldig gebruikt.

Er zijn verschillende types van pulper op de markt (medium consistentie, hoge consistentie, trommelpulper, continu of in batch etc.) aangepast aan uiteenlopende types inputmateriaal en eindproducten. Steeds is een of andere vorm van vuilvanger of zeef voorzien om het grove en fijner niet-papierafval (plastics, hout, nietjes e.d. ) te verwijderen

Nadien volgt een verdere mechanische afscheiding van onzuiverheden op basis van verschillen in deeltjesgrootte (zeven) of dichtheid (hydrocyclonen of cleaners) tussen vezel en contaminant.

Ontinkten en verwijderen kleefstoffen

Een specifieke ontinktingsinstallatie is nodig in bedrijven die papiertypes produceren waarvoor helderheid belangrijk is bv. krantenpapier, magazinepapier, print- en schrijfpapier, tissue of karton met een lichte bovenlaag.  Stora Enso in Gent is het enige Belgische bedrijf dat over een ontinktingsinstallatie beschikt.

De bedoeling van een ontinktingsinstallatie is het verbeteren van de helderheid, en het verminderen van de hoeveelheid vuildeeltjes afkomstig van inktpartikels (specks) en zogenaamde stickies in het eindresultaat. Stickies zijn plakkerige opeenhopingen van gedispergeerde of opgeloste hulpstoffen, zoals lijmen, papier-coating binders, coatings, vernissen en bepaalde bestanddelen van drukinkt. Ze kunnen op eender welke plaats in de papiermachine gevormd worden en gaatjes of zelfs papierbreuk veroorzaken als ze op het papierdoek blijven liggen, of vuile vlekjes als ze aan het papier zelf kleven. De beste manier om ze te verwijderen is door middel van mechanische zeven. Goede resultaten zijn enkel mogelijk bij relatief grote stickies, dikwijls gevormd uit dikke lijmlagen. Kleine exemplaren passeren door de zeven en kunnen afhankelijk van de procescondities nadien terug agglomereren en problemen veroorzaken.

 Na de mechanische zuiveringsstadia, vindt een verdere ontinkting plaats in flotatiecellen. Flotatie is het meest gebruikte ontinktingssysteem in heel Europa. Kleine luchtbellen worden doorheen de pulpsuspensie geblazen. De meeste inktsubstanties hebben een grotere affiniteit met de lucht dan met de waterfase. Geholpen door oppervlakte-actieve substanties (zepen of vetzuren, andere surfactanten) verzamelen de gekleurde substanties op de rand van de luchtbellen en verdwijnen zo uit de pulpsuspensie. Het grijsachtige schuim dat bovenaan de flotatiecel ontstaat, wordt ‘afgeroomd’. Het bevat een mengeling van drukinkt, vulstoffen, papier-coatingpigmenten en vezelfragmenten. Om vezelverliezen te beperken, wordt het schuim van primaire flotatiecellen dikwijls verder behandeld in secundaire nageschakelde cellen. Om een voldoende verblijftijd en ontinkting te verzekeren, kunnen, afhankelijk van het formaat van de flotatiecellen, verschillende cellen in serie geschakeld worden. Flotatie werkt optimaal voor inktpartikels tussen de 20 en de 100 µm. Voor grotere of kleinere partikels zijn andere technieken of additieven aan de orde.

Het ontinktingsslib wordt ontwaterd en in de meeste bedrijven verbrand of voorbereid voor andere nuttige toepassingen.

Moeilijkheden

De eenvoud van het hele ontinktingsproces is sterk afhankelijk van het inkttype, het papieroppervlak, de afdruktechniek en –condities en de leeftijd en bewaring van het drukwerk. Het flotatieproces werd ontwikkeld en geoptimaliseerd voor diepdruk en offset krantenpapier en magazines. Zulk drukwerk ondervindt daarom over het algemeen de minste moeilijkheden.

Problemen bij de flotatie kunnen ontstaan door:

  1. Het onvoldoende loskomen van de inkt van de vezels, zodat de inkt niet in suspensie komt en dus ook niet meegenomen wordt met de luchtbellen, met de vorming van specks (vuildeeltjes) als resultaat
  2. Resistente inktdeeltjes die te groot zijn voor flotatie, in de pulpmassa blijven zitten en specks vormen
  3. Verregaande fragmentatie van de inkt, waardoor de deeltjes te klein zijn voor flotatie
  4. Wateroplosbare kleurstoffen of weinig hydrofobe inkten, die geen affiniteit hebben met de luchtbellen en dus in de waterige pulpmassa achterblijven

Elk van deze problemen kan gelinkt worden aan specifieke inkten of papier-inktcombinaties, bewaringscondities en printtechnieken. Vele van de moeilijkheden zijn in min of meerdere mate op te lossen met extra productiestappen.

Dispersie

Met een disperser kunnen onzuiverheden zo verkleind worden dat ze onzichtbaar zijn voor het blote oog. Dispersie kan ook het losmaken van de inkt bevorderen. Het is een energievereisend process, omdat het sterke wrijvingskrachten en hoge temperaturen vereist. De consistentie van de pulp moet hiervoor toenemen van 5-12 % droge stof in de flotatiecel tot 25-30 %. Na de dispersie wordt de pulpsuspensie terug verdund, gewoonlijk voor een tweede flotatiecyclus. Veel moderne Europese ontinktingsbedrijven, zoals dat van Stora Enso in Gent, hebben daarom twee flotatiecycli (voor- en naflotatie), met tussenin een disperser en eventueel extra zuiveringsinstallaties (een zeef of een hydrocycloon).  Water van de ontwateringsstadia kan gezuiverd worden met een micro-flotatie-eenheid en in het proces hergebruikt.

Wassen

Inktpartikels die kleiner zijn dan de optimumrange voor flotatie kan men uitspoelen in verschillende wasstadia. Naast inkten verwijdert een wasser ook vulstoffen en vezels. Een wasstadium verbruikt veel water (in de mate van het mogelijke intern gerecycleerd met een aparte flotatiecel) en leidt tot hoge vezelverliezen. Om economische redenen is het dus een te vermijden productiestap waar mogelijk.

Bleken

Sommige pigmenten en kleurstoffen kan men elimineren door bleking. Oxidatieve bleking met H2O2 kan al starten tijdens het verpulpen. Reductieve bleking met hydrosulfiet of formamidinesulfinezuur gebeurt na de flotatie in een bleektoren. Bleking kan ook plaatsvinden in twee stadia: eerst een oxidatieve bleking, gevolgd door een reductieve na-bleking.

2. Milieuaspecten en energie

Grondstoffen

Vezels vormen 80 % van de gebruikte grondstoffen in de papierindustrie. In België is twee derde hiervan afkomstig uit oud papier (Cobelpa, 2013). De overige verse vezels vinden hun oorsprong in de bijproducten van bosbouw, zagerijen en in duurzaam beheerde plantages. In België, is de totale capaciteit aan pulpproductie op basis van verse vezels gedekt door een gecertificeerd ketenbeheer onder FSC of PEFC.

De niet-vezelmaterialen die in grote hoeveelheden worden gebruikt bij de papierproductie zijn hoofdzakelijk vulmiddelen als calciumcarbonaat, zetmeel, klei en enkele chemische additieven. De laatste jaren kennen een enorme toename in het gebruik van calciumcarbonaat als vulmiddel en coating, wat een effect heeft op het waterhergebruik en de samenstelling van het afvalwater.

Met gerecycleerd papier als grondstof vermindert het verbruik van verse vezels. Recyclage heeft weliswaar beperkingen: niet elke papiersoort is recycleerbaar (bv. hygiënisch papier, tissues) of beschikbaar voor recyclage (bv. boeken, foto’s). Zo zou 19 % van de papierproductie zich niet lenen tot recyclage (ERPC, 2011). Vezels kunnen ook niet oneindig lang gerecycleerd worden. De houtvezels verkorten bij elke recyclagecyclus en zouden, naargelang de soort vezels en het papiertype, 2-5 keer (Cobelpa, 2012) hergebruikt kunnen worden.  Een inbreng van verse vezels in de globale papiercyclus is dus noodzakelijk. Door de toegenomen papierrecyclage zitten er steeds minder verse vezels in het papier, wat de hoeveelheden vezels die met het ontinktingsslib afgevoerd worden, doet toenemen (ERPC, 2008, Stora Enso, 2013).

Afval

In 2010 vond in de Belgische papiersector 95 % van de afvalstoffen een nuttige bestemming en belandde slechts 12 kg afval per ton geproduceerde pulp en papier op de stortplaats.

Voor de vier belangrijkste afvalstromen (Cobelpa, 2012):

  • cellulose - en papierschuim (24%), afkomstig van de zuiveringsinstallaties: hoofdzakelijk gevaloriseerd als bodemverbeteraar in de landbouw
  • as (20 %) afkomstig van thermische processen: hoofdzakelijk gevaloriseerd als bouwmateriaal
  • recyclageresidu ’s (43 %) afkomstig van het gebruik van oud papier: meer en meer energetisch gevaloriseerd op de site
  • schors (7 %) afkomstig van het ontschorsen van hout: hetzij intern gevaloriseerd voor energiedoeleinden, hetzij in de landbouw /compostering.

De hoeveelheid bijproducten en afvalstoffen geproduceerd per ton papierpulp en papier, nam weliswaar met 78 % toe tussen 1990 en 2010, hoofdzakelijk te wijten aan een stijgend gebruik van onzuiver, oud papier in de productie.

Energie

De pulp- en papierindustrie is over het algemeen een erg energie-intensieve sector. De energievraag vertegenwoordigt ongeveer 20 % van de productiekosten (Cobelpa, 2012). De productie van 1 ton papier vereist gemiddeld ongeveer 11.5 GJ primaire energie, afhankelijk van de gebruikte inputmaterialen en vezels, de papierkwaliteit en de toegepaste technieken (BREF P&P, 2013). Het droge gedeelte is verantwoordelijk voor meer dan 50% van het totale energiegebruik in de papier- en kartonindustrie (KCPK, 2013).

Het merendeel van de papierbedrijven beschikt evenwel over warmtekrachtkoppelinginstallaties, die op een efficiënte manier elektriciteit en warmte produceren.

Omdat de secundaire vezels al eens een pulpbereidingsproces hebben doorlopen, is de energievraag van het productieproces van gerecycleerd papier beduidend lager dan dat van papier op basis van verse vezels. Stora Enso Langerbrugge geeft bv. aan dat het totale energieverbruik twee- tot driemaal afgenomen is sinds ze overgeschakeld zijn naar een productie op basis van louter gerecycleerd papier (Stora Enso, 2013). Machines met een hoog energieverbruik zijn onder andere low density pulpers, dispersers, raffinageinstallaties en installaties voor de productie van coating. ‘Standaard’ ontinkte pulp zou zo een 300-350 kWh/ton verbruiken, hoge kwaliteit ontinkte pulp (inclusief peroxide bleking en secundaire flotatie) een 400-500 kWh/ton. Een extra flotatiestap verbruikt gemiddeld 30 kWh/ton energie. Een dispersiestap een 60-100 kWh/ton. (BREF P&P, 2013)

Water

De papiersector is een belangrijke watergebruiker. Dit water wordt vooral ingezet als hulpmiddel om de vezels in suspensie te brengen en te verpompen. Het wordt in de mate van het mogelijke intern gezuiverd via (micro-)flotatie, filtratie, e.d., en hergebruikt. Het gaat voor meer dan 95% om oppervlaktewater (Cobelpa, 2012).

Tijdens het productieproces komen vooral zwevende stoffen en organische bestanddelen - de vezels afkomstig uit het hout en oud papier – en sommige chemische additieven als chelaatvormers (EDTA, DTPA) in het water terecht (BREF P&P, 2013). Het afvalwater dat om kwaliteitsredenen of technische problemen (bv. neerslag, corrosie van de leidingen) niet meer in het proces gebruikt kan worden, wordt gewoonlijk op de site behandeld met aangepaste zuiveringstechnieken (bezinken, anaerobe en aerobe behandelingen, enz.).

Een hoger aandeel oud papier geeft normaal gezien een hogere COD belasting van het afvalwater. Ontinkting kan ook aanleiding geven tot het voorkomen van zware metalen (hoofdzakelijk Cu en Zn) en cyaniden in het afvalwater (BREF P&P, 2013; Stora Enso, 2013).

Lucht

Het belangrijkste aandeel van de luchtemissies door de productie van pulp en papier, zijn afkomstig van de energieproductie op de site.

Vanzelfsprekend is de milieu-impact van het hele papierrecyclageproces lager wanneer er minder processtappen nodig zijn. Bedrijven zonder ontinktingsinstallatie, zoals kartonrecyclagebedrijven, zullen minder energie en hulpstoffen gebruiken, en minder vezels verliezen dan bedrijven met zulke installatie. Een goede afweging van te verwachten kwaliteit van het inputmateriaal en de benodigde eindkwaliteit is dus essentieel voor optimalisatie van milieu-impact en economie.

Een betere inzameling en sortering van oud papier geeft, naast een betere kwaliteit van het eindproduct, ook een lager verbruik van energie, water en hulpstoffen en een beperktere totale afvalproductie.

Voor een volledig overzicht van de mogelijke milieumaatregelen bij de productie van papier en karton, verwijzen we naar het Best Available Techniques Reference Document voor de pulp- en papierproductie. Een beschrijving van technieken voor afvalwaterzuivering is te vinden via de WASS-tool (afvalwaterzuiveringstechnieken selectiesysteem) op de EMIS-website.

3. Kosten

Het gebruik van gerecycleerde vezels is economisch interessant vanwege het lagere energieverbruik ten opzichte van installaties voor de verwerking van verse vezels.

4. Referenties

  • Cobelpa (2012). Papier en milieu. Procedés, realisaties, uitdagingen. Cobelpa, Brussel, 67 p.
  • Cobelpa (2013). Annual statistics 2012. Cobelpa, Brussel, 7 p.
  • ERPC, European Recovered Paper Council (2008). Guide to an optimum recyclability of printed graphic paper. ERPC, Brussels, 5 p.
  • ERPC, European Recovered Paper Council (2011). European Declaration on Paper Recycling 2011-2015. ERPC, Brussels,  5 p.
  • European IPPC Bureau (2013). Best Available Techniques in the pulp and paper industry – final draft. EIPPCB, Sevilla, Spain.
  • Smets, T., Alaerts, K., Verachtert, E., Dils, E. & Huybrechts, D. (2014). Drukwerk in ketenperspectief. Innovatie en milieuaspecten in de keten. Finaal Rapport. VITO nv, Mol, 57 p.
  • Stora Enso (2013). Bedrijfsbezoek op 07/10/2013. Luc De Smet, milieucoordinator: 09 257 74 41