Bränna papper

[<-- Tillbaka till experimentet] [Kemisk bakgrund] [Fördjupning]

Kemisk bakgrund

Resultatet av experimentet

Askan innehåller nästan alla mineraler och näringsämnen (inte kväve) som funnits i det bränsle som använts. Aska är ingen enhetlig produkt, utan har egenskaper som varierar med det bränsle som den kommer ifrån. De kemiska egenskaperna beror till stor del på vilken sammansättning av mineraler, näringsämnen och tungmetaller som bränslet har haft, men även på hur förbränningen gått till.

Askans näringsinnehåll domineras av kalcium. Andra viktiga näringsämnen är magnesium, kalium, fosfor och ett antal så kallade mikronäringsämnen. Askan innehåller också större delen av de tungmetaller som fanns i träden, så som kadmium, bly, zink och koppar (de två sista är även mikronäringsämnen). Aska är kraftigt alkalisk (alkalisk betyder basisk, dvs syraneutraliserande eller elektronavgivande). Torr och obehandlad aska är frätande.

Till tillverkning av wellpapp, tidningspapper, hushållspapper och toapapper används huvudsakligen returpapper. Returpapper är även vanlig i tillverkning av kartong och grövre papper. Cellulosafibrerna kan återanvändas 3-5 gånger eftersom de förlorar lite av sin styrka varje gång de återanvänds.

Exempel på resultat av experimentet:

Typ av papper	Brinntid i sekunder	Mängd aska			Färg på askan
Typ av papper	Brinntid i sekunder	Lite	Ganska mycket	Mycket	Färg på askan
Kaffefilter	ca 31	X			Gråsvart
Hushållspapper	ca 15	X			Grå
Dagstidning	ca 42		X		Gråsvart
Veckotidning	ca 25			X	Gråsvart
Kopieringspapper	ca 32		X		Vitgrå
Omslagspapper	ca 20		X		Vitgrå
Kartong	ca 126		X		Grå
Wellpapp	ca 78			X	Gråsvart

kaffefilter	hushållspapper
dagstidning	veckotidning
kopierinsgpapper	omslagspapper
kartong	wellpapp
Foto: © Johanna Öberg

Papper

Den blandning (uppslamning) av fiber och vatten som sprutas in i pappersmaskinen kallas mäld. I mälden tillsätts ofta kaolin och krita för att öka papperets vithet och minska dess genomskinlighet. Många typer av finpapper innehåller upp till 30 procent fyllnadsmedel. För att minska papperets vattenupptagning blandas limämnen i mälden. Stärkelse tillsätts för att öka papperets styrka och styvhet.

Papperet kan ytbehandlas på olika sätt. För att minska damning från pappersytan i tryckpressarna ytlimmas papperet. När bättre ljushet och tryckbarhet eftersträvas bestryks papperet med en smet av kaolin, krita eller titandioxid.

Innehållet i papperet

Kaolin

Kaolin har bildats genom vittring av den övre gnejsberggrunden med lermineralisering, särskilt lermineralet kaolinit som följd. På många ställen i mellersta Skåne finns också industrimineralet kaolin som är råvara för bl a sanitetsporslin och som "filler" i pappersindustrin. Lermineralerna tillhör kemiskt sett silikat-gruppen, närmare bestämt skikt-silikaterna. Karakteristiskt för lermineralerna är deras ringa kristallstorlek som normalt är < 0,002 mm. Således har kristaller av dessa mineral lerstorlek, därav namnet.

Kaolin, har många handelsnamn: vit bolus, piplera, sigilljord, kaolin, vitlera, porslinslera, vit porslinslera, satinvitt, satinkrita, lerjordssilikat, kiselsyrad lerjord, aluminiumsilikat, vattenhaltigt aluminiumsilikat, hydrerat aluminiumsilikat, Polynam® och Alumisil™.

Sterilt kaolin har använts som kraftigt uttorkande (uppsugande) och sammandragande medel i täckande sårsalvor, ströpulver för sår och fuktiga eksem, i pulverdeodoranter. Idag är det övergivet som sårmedel. Vid 50-talets mitt ansågs det inte längre lämpligt, ens steriliserat, i salva eller ströpulver.

Kaolin fungerar som fysikaliskt skydd I solskydd som hindrar solstrålarna från att nå huden. Kaolin suger även åt sig fett och smuts, särskilt alkaliska ämnen, t. ex. i ansiktsmasker. Förekommer också som milt slipmedel i skrubbande rengöringskrämer. I puder gör kaolin att den tillsatta parfymen lätt sugs upp.

Både kaolinlera och piplera har använts mycket som stoppande (absorberande) medel vid diarré och används så fortfarande. Det rekommenderas inte som diarrémedel till barn eftersom det kan förhindra upptaget av andra ämnen och misstänks vara cancerogent. Som alla fina pulver kan kaolin irritera luftvägarna när det inandas men risk för silikos finns bara vid lång tids inandning av kaolin innehållande kvarts (kiseldioxid).

Krita

Krita är bergarten kalksten som renats, i Sverige finns det framför allt i Skåne. Krita innehåller vanligen mindre rent kalciumkarbonat (97 %), resten är lera och kvarts. Kalciumkarbonat (CaCO₃) är ett vitt, finkornigt kristalliniskt pulver utan lukt och smak.

Grundämnet kalcium, det mineralämne som förekommer i störst mängd i den mänskliga kroppen, förekommer inte fritt i naturen utan alltid förenat med syror till salter (med ättiksyra acetat, med citronsyra citrat, med mjölksyra, laktat etc). Kalciumkarbonat är alltså kalcium tillsammans med kolsyra. Det finns rikligt i kalksten, marmor, krita och andra bergarter, korall, ostronskal (95 %) och ingår i skelett och tänder. Kalciumkarbonat som finns att köpa brukar vara finpulveriserad och renad kalksten, kan också framställas genom att blanda lösningar av soda (natriumkarbonat) och kalciumklorid.

Kalciumkarbonat löses om vattnet är kolsyrehaltigt, varvid det bildas kalciumbikarbonat (kalciumvätekarbonat, surt kalciumkarbonat) som är lättlösligt. I ättiksyra och utspädda, starka syror löser sig kalciumkarbonat under koldioxidutveckling (bubblor). Kalciumkarbonat kan irritera hud och vara frätande på ögonen.

Inom måleri har det använts framför allt för grundering, men i själva oljefärgen blir det inte särskilt täckande. Senare har slammad krita använts inom måleritekniken, mest till grundering. Oljefärg med krita täcker inget vidare och har aldrig fått staus som kvalitetssäkrad s.k. normalfärg. Det används även som färgämne i livsmedel, E-nummer E 170.

Kalciumkarbonat förekommer i vit skrivkrita för svarta tavlor. Skrivkritan innehåller också gips (kalciumsulfat) och något bindemedel.

Ämnet används som en stor del i salvor. De flesta lösliga kalciumsalterna (-acetat, -citrat, -glukonat, -klorid, -laktat etc) används som förtjockare i hudpreparat .

Kalciumkarbonat finns med som slipande ämne i rengöringspulver och rengöringskräm. Aska från i första hand björk användes förr för att tillverka tvål eller såpa. Askan innehåller en stor andel kaliumkarbonat. I tandkrita och tandkräm används det som slipmedel (hårdare än t. ex. kaolin och talk). Det neutraliserar också munsyrorna. Det används även mycket i puder eftersom det suger upp parfym bra. I hudvård har man övergått från krita till fälld krita, t ex i torkande kroppspuder och ansiktspuder, som är uppskattat för att de fina kornen ger en persikolen yta.

Titandioxid

Titandioxid, TiO₂, är ett naturligt oorganiskt ämne som framställs ur mineralerna rutil och ilmenit som förekommer i Nordamerika och Norge. Det förekommer under handelsnamn som Titanoz, Rutile, Unitane, Pigment White 6.

På 1920-talet började titandioxid användas i konstnärsfärger. I Sverige blev det snabbt en av Beckers kvalitetssäkrade s.k. normalfärger. Titanvita oljefärger måste tillsättas torkmedel (sickativ) eftersom titandioxid gör att färgen torkar mycket långsamt.

Som ingrediens i ansiktspuder var titandioxid fortfarande i slutet av 1940-talet ganska nytt, på 50- och 60-talen blev det vanligt i läppstift. Idag är titandioxid det mest använda färgämnet i kosmetika. Svenska undersökningar av solskydd har visat titandioxid är ett av de få solskyddsmedel som förblir effektivt på huden. Det ger skydd mot solens UVA-, UVB- och UVC-strålning. Titandioxid förekommer även som tvålfärg i vit tvål. Titandioxid bildar en täckande bakgrund för de andra pigmenten. Det är ett mycket vanligt vitt färgämne i tandkräm. Titandioxid fungerar också som ett effektivt och billigt volymökande substans.

Titandioxid fungerar som katalysator som med hjälp av UV-ljus kan bryta ned organiskt material. Det utnyttjas i självrenande fönster, som inte behöver putsas, och i sanitetsporslin som desinficeras automatiskt när det belyses med UV-ljus därför att bakteriernas cellväggar bryts ned.

Titandioxid är en livsmedelsfärg (E 171) som i Sverige får användas till alla livsmedel som får färgas. Det är inte giftigt, men "smälts" inte av den mänskliga organismen.

Cellulosans kemiska reaktioner

Fotosyntesen bygger upp cellulosan

Trä består till stor del av cellulosafibrer, som består av långa ogrenade kedjor som kopplats samman av tusentals druvsockermolekyler (glukos). Druvsockret har tillverkats genom trädets fotosyntes.

Fotosyntesen:
6 CO₂ +	6 H₂O +	energi	→	C₆H₁₂O₆	+ 6 O₂
koldioxid	vatten			druvsocker	syrgas

Cellulosans molekylkedjor binder till varandra med vätebindningar (streckade blå linjer i figuren).

En fiber, ca 1-4 mm lång och en diameter på 0,01 mm, är väldigt stark eftersom cellulosamolekyler binds samman av många vätebindningar.

Förbränning - motsatt reaktion till fotosyntesen

Genom förbränning frigörs energi genom en process som liknar fotosyntesen – fast baklänges. Det bildas vatten och koldioxid och energi frigörs i form av värme och ljus.

Förbränning:
C₆H₁₂O₆	+ 6 O₂	→	6 CO₂ +	6 H₂O +	energi
druvsocker	syrgas		koldioxid	vatten

Aktiveringsenergin att starta reaktionen kommer ifrån tändstickan som ger cellulosamolekylerna en energiknuff i form av värmeenergi. Den frigjorda energin från förbränningen ger energi att starta reaktionen hos nya cellulosamolekyler så att papperet fortsätter att brinna. En tändsticka som brinner har en temperatur av ca 950 °Celsius, ett stearinljus ca 850 °C .

Papperstillverkning

Pappersmassan

När man ska tillverka papper gör man först ett slags cellulosagröt som kallas för pappersmassa. Man kan använda två olika metoder och få då antingen mekanisk eller kemisk pappersmassa.

När man tillverkar mekanisk massa mal man sönder trä med hjälp av slipstenar, samtidigt som man spolar med vatten. Malningen sliter loss cellulosafibrerna, men massan innehåller fortfarande lignin. När veden cellulosafibrerna friläggs så slits många fibrer av, det i kombination med ligninet gör att det färdiga papperet lätt gulnar och blir sprött. Men till kartong, tidningspapper och toapapper duger den mekaniska massan bra. De färggivande grupperna hos lignin, kromoforerna, kan blekas med väteperoxid. Utsläpp från processen är relativt små och består av organisk substans, metaller och närsalter. Vid blekning används även aktiv slambehandling (kemisk utfällning eller biologisk rening). Framställningen av mekanisk massa är mycket energikrävande. För att framställa 1 ton mekanisk pappersmassa går det åt 6,3 GJ (= 1750 kWh elenergi).

Vid framställning av papper av hög kvalité måste man använda kemisk massa. När man gör kemisk massa kokas träflis med olika kemikalier. Då löses ligninet upp och kan tas bort. Även en stor del av hemicellulosan tas bort. Hemicellulosan har pentosrester (C₅H₁₀O₅) som byggstenar och saknar cellulosans hållfasthet. Sedan kan man göra finare och starkare papper av pappersmassan eftersom man inte förstört cellulosafibrerna. Papper till böcker och omslagspapper är två exempel på papper som görs av kemisk massa. För att papperet ska bli riktigt vitt och fint bleks massan. Det betyder att man förstör de sista resterna av lignin så att papperet får fin vit färg .

För att cellulosafibrerna inte ska förstöras så tas ligninet bort i flera steg. Timmerstockar huggs upp i större flisbitar som sedan kokas i hög temperatur (150-170 °C) i en kemikalielösning. Kemikalielösningen kan innehålla vätesulfitjoner, HSO₃^-, (sulfitprocessen) eller vätesulfid-, sulfid- och hydroxidjoner (sulfatprocessen). När trä värms upp blir det mjukare och lättare att bearbeta. Kemikalierna löser upp största delen av ligninet. Resten av ligninet tas bort i olika blekningssteg där hela molekylerna avlägsnas inte bara de färggivande grupperna som i blekning av mekanisk massa.

Ligninet ökar hållfastheten i fiberstrukturen genom att binda samman cellulosafibrerna. Ligninet har en oerhört viktig funktion eftersom den möjliggör stora organismer om träd att bildas. Det aromatiska inslaget i ligninets molekyler gör att lignin har svagt gul färg. När man framställer pappersmassa vill man naturligtvis att cellulosafibrerna ska vara så oskadade som möjligt så att man får en ”stark” massa. Man vill också att fibrerna ska vara så rena från andra vedbeståndsdelar som möjligt så att massan blir ljus. Rena cellulosafibrer absorberar inget ljus och skulle egentligen ge en ofärgad och genomskinlig massa. Men fibrerna är så stora att ljuset inte kan gå igenom dem utan sprids i alla riktningar. Cellulosan blir därför helt vit.

Papperet formas

Pappersmassan slammas upp i vatten för att frigöra fibrerna. Uppslamningen, mälden, sprutas ut jämt på en plastduk, kallad viran. Viran är vävd och därför porös, och rör sig med en hög hastighet, ca 2000 m/min. Vattenhalten reduceras genom att sugas upp av viran, pressas ut av pressar och torkas mellan ångvärmda cylindrar. Sedan kan man tillsätta olika tillsatser eller låta massan passera glättvalsar för att få önskad yta.

Det vatten som pressas ut genom reduktionsprocessen kallas för bakvatten och återanvänds, vilket gör att moderna pappersbruk har kunnat sänka sin vattenförbrukning till 10 m³ per ton papper. Det vatten som ändå släpps ut renas från fibrer och lösa organiska föreningar genom kemisk utfällning och biologiskt aktivt slam.

Återanvändning av pappersfibrer

När man återanvänder pappersfiber så börjar processen med att man slammar upp returpapperet med vatten, så att fiberhalten blir ca 3-15 %. I grovrensningssteget som kommer efter så rensas fasta föroreningar som plast- och metallbitar. Sedan tillsätts ytaktiva ämnen tillsammans med en mekanisk bearbetning för att trycksvärta och bläck ska lösas och släppa från papperet som sedan bildar ett skum på ytan som tas bort. Fibrerna bleks med väteperoxid och används sedan för att framställa nytt papper.

Historik

Enligt nutida benämning ska ett äkta papper vara gjort av fibrer som friläggs genom malning eller krossning. Fibrerna ska slammas upp i vatten och fångas upp i tunna skikt och befrias från vatten. Ordet papper kommer från Cyperus papyros, den höga gräsväxt som användes för framställning av papyrus i Egypten redan för 5000 år sedan, fast tillverkningen gjorde att det inte räknas som ”äkta” papper.

Först på 1840-talet kom den mekaniska vedmassan, den kemisk massatillverkning med sulfitmetoden kom senare, omkring 1874.

Modern utveckling har gjort pappersmassaindustrin mer miljövänlig. Ända fram till 1980-talet var de en stor miljöbov eftersom ligninet i kokvätskan som släpptes ut ställde till stora besvär. I vattendrag samlades ligninet som en tjock smet på botten och nedbrytningen tog allt syre från vattnet så att djur- och växtlivet skadades. Även blekningen av pappersmassan ställde till problem, då klorgas användes bildades giftliga klorföreningar som även de skadade livet i vattendragen.

Papper har en stor betydelse i dagens samhälle, produktionen ger jobb och produkterna används för att absorbera vatten, förpacka varor samt för att överför information. Men pappersmassan använd även till framställning av t ex textilfibrer (rayon och acetatsilke), sprängämnen (cellulosanitrat), färger och lacker, bindemedel och klister mm.

Fördjupning

Brand

Med brand menas ofta eld som man tappat kontrollen över, åtminstone delvis. Ett gammalt talesätt är att ”elden är en god tjänare, men en sträng herre”. Risken för eldsvåda var mer näraliggande förr i tiden när husen var timrade, taken var täckta med träspån och man eldade i spisen för att laga mat och få värme. Små misstag, som att en gnista hamnade på fel ställe där den kunde starta en eld, kunde lätt ske.

Numera är riskerna för bränder mindre, men bränder orsakar fortfarande stora skador och tar ibland liv. Enligt statistik är de vanligaste orsakerna till brand i bostaden elfel, levande ljus, rökning, och köksspisen. Slarv och misstag ligger bakom flertalet bränder, men också bristande underhåll av till exempel elektrisk utrustning eller utebliven sotning av skorstenar.

Förutsättningar för brand illustreras av brandtriangeln

Brandtriangeln anger vad som krävs för brand.

"Fire triangle" av Gustavb" CC BY-SA 3.0

Eld är en kemisk reaktion där brännbara gaser reagerar med luftens syre under stark värmeutveckling. Vi ska titta närmare på vad som krävs för att underhålla en brand. En symbolisk figur som beskriver detta är den så kallade brandtriangeln. Om alla tre sidorna i triangeln föreligger, så är brand möjlig.

Det som behövs är: bränsle, syre, värme.

Bränsle

Bränsle är sådant som kan reagera med oxidationsmedel, såsom luftens syre.

Bränslet är nästan alltid organiskt material som har bildats med hjälp av fotosyntesen. Energin i solstrålningen har på så sätt lagrats i biomassan.

Ved är ett exempel på bränsle som bildas kontinuerligt i våra skogar. Kol, olja och naturgas är fossila bränslen som en gång i tiden var ved, blad och döda djur som gömdes under sediment och så småningom under årmiljonerna omvandlades till sin nuvarande form. De fossila bränslena skapades också genom fotosyntesen, vare sig de kommer från växter eller djur. Djuren fick ju sin energi genom att äta av växterna.

I princip kan även metaller vara bränslen, men det är ovanligt. Aluminium eller magnesium i är dock mycket brandfarligt om man väl fått eld på det. I solida block antänds metallen inte så lätt, men i pulverform kan branden bli explosionsartad.

Om det saknas bränsle, så kan det inte brinna. Stoppar du inte in fler vedträn i brasan, så kommer veden att ta slut och elden slockna, även om eldstaden är tillräckligt het och det är god syretillförsel.

Syre

Syret har förmågan att oxidera bränslet. Elden är alltså en redoxreaktion där syret är oxidationsmedel och bränslet reduktionsmedel. Även andra oxidationsmedel än syre kan underhålla förbränning. Till exempel kan man lika gärna elda i klorgas som i syrgas. Men syret finns ju överallt i luften, så i praktiken är det syret vi talar om när vi pratar om brand.

När syret reagerar med bränslet så sker en förbränning, vilket innebär att kol och syre bildar koldioxid och väteatomer i bränslet reagerar med syre till vatten. Har vi ett "rent" bränsle, så blir reaktionsprodukterna bara koldioxid och vatten. Förbränningsreaktionen är exoterm, dvs. avger värmeenergi. Kvar blir reaktionsprodukterna koldioxid och vatten, som är energifattiga.

Det krävs en kontinuerlig syretillförsel för att branden ska fortsätta. Om man täcker över elden, så kommer syret inte åt. Då slocknar elden. Vill man i stället få igång elden, så kan man blåsa på den. Den ökade syretillförseln ökar på reaktionshastigheten. Den ökade reaktionen ger kraftigare värmeutveckling och elden flammar upp.

Det är också den ökade syretillförseln som gör att brandrisken är mycket större när det blåser. Det handlar inte bara om att gnistor kan flyga med vinden och antända nytt bränsle, utan också om att värmeutvecklingen blir mycket kraftigare.

Värme

En låga kräver att bränslet är i gasform.

Om bränslet är t.ex. acetylen, så är det i gasform redan från början. I en acetylensvets blandas gas från acetylentuben med syret från syrgastuben i svetsmunstycket. Bränslemolekylerna och syrgasmolekylerna måste komma i kontakt med varandra för att reagera. I gasblandningen är denna kontakt mycket effektiv. Därför kan acetylensvetsen brinna med mycket hög temperatur.

Om bränslet är t.ex. ved, så måste veden förångas till gaser innan den kan börja brinna. Man kunde tänka sig att ett vedträ skulle kunna brinna på ytan där träet har kontakt med luften, men det blir för lite fart på reaktionen för att den ska kunna hålla igång.

Kraftig hetta får veden att sönderdelas och brytas ned till brännbara gaser. Denna process kallas för pyrolys. Om man lyckats få igång en brasa, så utvecklas tillräckligt med värme vid förbränningen för att ytterligare ved ska pyrolyseras och avge brännbara gaser. På så sätt kan elden fortsätta brinna.

Kedjereaktion

Om det finns mycket bränsle, god syretillförsel och bränslet är både torrt och finfördelat, så som det kan vara efter torka i en skog med mycket kvistar och barr, så kan brandutvecklingen bli nästan explosionsartad. Värmeutvecklingen blir så hög att inte bara bränslet närmast veden antänds, utan även brännbart material på avstånd tar eld.

I en lägenhet kan också hettan blir så stor att lägenheten plötsligt övertänds och branden blir explosionsartad. Det har att göra med den starka värmeutvecklingen som ökar på bildningen av brännbara gaser, som i sin tur ökar på värmeutvecklingen i en kedjereaktion. Det var erfarenheter av sådana bränder som gjorde att man beskrev elden som "en sträng herre".