DECHEMAX Initiative für Chemische Technik und Biotechnologie

Holz – nachhaltiger Tausendsassa

Holz – nachhaltiger Tausendsassa

Holz
Quelle: Pixabay

Der Wald tut der Seele gut, ernährt zahlreiche Tiere, produziert Sauerstoff, ist wichtig für unser Klima und den Schutz der Böden. Aber das Holz der Bäume ist auch als nachwachsender Rohstoff sehr gefragt, da die Klimabilanz der Erzeugung, Verarbeitung, Nutzung, Wiederverwertung und Entsorgung im Vergleich zu anderen Rohstoffen sehr gut ausfällt Holz ist Grundstoff für Papier, man baut daraus Möbel oder sogar ganze Häuser. Weniger bekannt ist, dass man auch Textilien daraus herstellen kann. Es ist Chemierohstoff und dient als Brennholz – was weltweit rund die Hälfte des Holzverbrauchs ausmacht. Der Holzverbrauch in Deutschland beträgt etwa 88 Millionen m³ pro Jahr.

Frage (Klassenstufen 7-10, E und Q)

Holz als Rohstoff gilt als besonders nachhaltig und CO2-neutral. Was bedeutet das eigentlich „CO2-neutral“?

Wählt die richtige Antwort aus:

A) Bäume neutralisieren negatives CO2.
B) Bäume speichern beim Wachstum CO2 aus der Luft. Wird Holz als Rohstoff verbraucht, wurde das CO2 zuvor beim Wachstum gebunden – für den CO2-Gehalt in der Atmosphäre ist das also ein Nullsummenspiel.
C) Bäume produzieren Sauerstoff, der, wie der Name schon sagt, sauer ist. Andererseits nehmen sie beim Wachsen CO2 aus der Atmosphäre auf, das mit Wasser ebenfalls sauer reagiert. Die Bilanz ist somit neutral.

Lösung:

Richtig ist Antwort B.

Ergänzung zur Antwort:
Dass Bäume als Rohstoff CO2-neutral sind, ist leider nur die halbe Wahrheit. Denn für Abholzung, Transport und Verarbeitung wird ebenfalls Energie benötigt. Hinzu kommt, dass viel Holz aus bewirtschafteten Wäldern kommt, die alles andere als nachhaltig sind. Hier geht es oft nur darum, mit schnellwachsenden Hölzern wie Eukalyptus, das häufig in der Papierproduktion Verwendung findet, schnell Holz zu produzieren, um schnell Gewinn zu machen. Diese Monokulturen sind aber anfällig für Schädlinge und wertvolle Waldböden gehen dadurch kaputt. Nachhaltige Forstwirtschaft ist etwas teurer und kann mit billigen Hölzern oft nicht konkurrieren.

Um zu verstehen, was man mit Holz alles machen kann, ist es von Vorteil zu wissen, wie so ein Baumstamm aufgebaut ist. Ein Ausflug in die Welt der Botanik:

Vervollständigt den Text durch Auswahl der richtigen Begriffe:

Ein Baumstamm muss einige Funktionen erfüllen: Durch ihn werden Wasser und Nährstoffe von den Wurzeln bis in die Baumkrone transportiert. Zugleich muss er große Lasten von Ästen und Laub tragen und dabei einigermaßen flexibel bleiben, damit er im Sturm nicht abbricht. Ein Baumstamm nimmt daher im Umfang zu, je länger der Baum wächst. Man spricht dabei vom

primären
sekundären

Lösung:

sekundären

Dickenwachstum. Im Querschnitt des Holzstammes gibt es ein ringförmiges Wachstumsgewebe, das

Kambium
Kambrium
Parenchym

Lösung:

Kambium

Es bildet nach innen Holz:

Xylem
Phloem

Lösung:

Xylem

und nach außen Bast:

Xylem
Phloem

Lösung:

Phloem

. Im Baumstamm gibt es also ganz im Inneren

älteres
jüngeres

Lösung:

älteres

Splintholz. Im Frühjahr, wenn es wärmer wird, legt dieses Wachstumsgewebe so richtig los und bildet weitporiges Holz, das von großen

Gefäßen
Holzfasern

Lösung:

Gefäßen

durchzogen ist für den Transport der Nährstoffe nach oben. Zum Jahresende hin, wenn es kälter wird, stellt der Baum nach und nach das Wachstum ein, das neue Holzgewebe wird dichter. Es werden hauptsächlich

Gefäße
Holzfasern

Lösung:

Holzfasern

zur Festigung des Gewebes angelegt. Am Übergang vom Spätholz zum Frühholz des nächsten Jahres ist das Gewebe sehr dicht und dunkel. Wir erkennen das als Jahresring. Aufgrund dieser Ausführungen ist es logisch, dass Bäume, die

in den Tropen
in der Tundra

Lösung:

in den Tropen
Ergänzung zur Antwort:
In den Tropen sind die Wachstumsbedingungen ganz anders. Da gibt es keinen Winter in dem Sinn, keine echte Wachstumspause. Deshalb galt es früher als gängige Lehrmeinung, dass tropische Bäume keine Jahresringe haben. Inzwischen weiß man, dass das nicht stimmt. Manchmal sind die Jahresringe zwar mit dem Auge kaum erkennbar, sie sind aber trotzdem da.

wachsen, nur sehr schwach ausgeprägte Jahresringe aufweisen. Der berühmte Geigenbauer Stradivari profitierte übrigens von dem besonderen Wachstumsverhalten der Bäume: Seine Geigen sind für ihren einzigartigen Klang bekannt. Wir möchten ihm sicher seine Genialität nicht absprechen, aber er lebte auch in der passenden Zeit: das Holz, das er für den Bau seiner Geigen verwendete, war sehr regelmäßig und dicht gewachsen. Es stammte nämlich aus der Zeit, die man auch

kleine Eiszeit
mittelalterliche Warmzeit
nannte.

Lösung:

kleine Eiszeit

Frage (Klassenstufen 8-10, E und Q)

Holz für Papier

Ein großer Teil des weltweiten Holzverbrauchs geht auf das Konto der Papierherstellung. Darum wollen wir uns dieses Thema genauer ansehen.
Die Papierindustrie ist eine der energieintensivsten Branchen. Zusätzlich verbraucht sie große Mengen Wasser. Und zahlreiche Bäume werden gefällt. Es geht auch nicht ohne Chemikalien, wodurch die Umweltbelastung von Abwässern aus der Papierindustrie hoch ist.
In Deutschland wurden 2019 etwa 18,8 Mio. Tonnen Papier verbraucht. Erfreulicherweise werden hierzulande zwischen 75 und 80 % des Papiers aus Altpapier hergestellt. Dabei können allerdings max. 80 % der Fasern aus Altpapier genutzt werden, der Rest muss zum Qualitätserhalt neu sein.

Holz setzt sich, chemisch gesehen, aus drei Hauptbestandteilen zusammen. Das sind: Cellulose, Hemicellulose und?

 

Lösung:

Lignin

Frage (Klassenstufen 9-10, E und Q)

Der gesuchte Bestandteil – nennen wir ihn der Einfachheit halber Stoff X – ist im Holz mit der Cellulose-Faser verklebt. Diese Tatsache macht den Baumstamm stabil und Holz als Baumaterial interessant. Im Papier möchte man Stoff X allerdings nicht haben, unter anderem, weil er bei Sonneneinstrahlung mit dem Luftsauerstoff chemisch reagiert und dabei vergilbt.
Um weitgehend holzfreies Papier herzustellen, wird aus dem Holz zunächst Zellstoff hergestellt. Dafür wird die Rinde entfernt und das Holz zu Hackschnitzeln zerkleinert. Durch Kochen in schwefliger Lauge oder Säure werden dann die Fasern aus dem Holz herausgelöst. Beim Kochvorgang wird Stoff X fast vollständig entfernt. Der Zellstoff wird anschließend zu Papier gepresst und getrocknet. Das fertige Papier wird auf Rollen gewickelt oder zu Bögen geschnitten und gebündelt.
Je nachdem, wieviel Stoff X noch im fertigen Papier ist, spricht man von holzhaltigen oder praktisch holzfreien Papieren.

Zeitung und Druckerpapier? Was enthält mehr Stoff X?

 

Lösung:

Die Zeitung

Warum (ist bei diesem Papier der Stoff-X-Anteil tolerierbar oder sogar erwünscht)?

 

Lösung:

Lignin lässt Papier zwar vergilben, bei der Zeitung ist das aber nicht weiter tragisch, denn als tagesaktuelles Medium muss sie nicht lange strahlend weiß sein. Außerdem verleiht Lignin dem Zeitungspapier, das recht dünn ist, die notwendige Steifigkeit. Ohne diese wäre es nicht möglich, die Zeitung vernünftig auszufalten. Die Zeitungsblätter würden am Rand umknicken.
Beim weißen Druckerpapier hingegen wird der Holzstoff schon während der Herstellung zu einem großen Teil herausgelöst. Daher bezeichnet man dieses Papier auch als holzfrei. Zudem wird der verbleibende Zellstoff, der neben dem Holzstoff den Großteil des Holzes ausmacht, während der Papierherstellung gebleicht. Durch das Bleichen mit zum Beispiel Wasserstoffperoxid oder Natriumdithionit werden die farbgebenden Gruppen des Lignins oxidiert bzw. reduziert, wodurch sie ihre Farbe verlieren. Dem Papier werden oft zusätzlich noch weiße Pigmente als Füllstoff zugesetzt.

Weiter geht es in der Papierherstellung: Der Holzstoff wurde nun durch mechanische oder chemische Verfahren abgetrennt. In einer Wanne schwimmen die Fasern, die zu Papier werden sollen, fein verteilt.

Solch ein Gemisch nennt man übrigens:

A) Emulsion
B) Lösung
C) Suspension

Lösung:

Richtig ist die Suspension.

Nun werden die Fasern aus der Pulpe geschöpft (so zumindest im traditionellen Verfahren). Beim Herausheben tropft das Wasser zurück in die Wanne, während die Fasern auf dem Schöpfrahmen (ein Sieb in einem Rahmen) verbleiben.

Warum zerfällt das Papier nicht sofort wieder, sondern hält zusammen?

 

Lösung:

Die Fasern sind dabei zufällig verteilt und verdreht. Anschließend verfangen und verhaken diese sich ineinander, während das Papier trocknet. Die Fasern des Papiers verhaken sich beim Trocken. Sie halten sich sozusagen gegenseitig fest, wodurch das Papier zusammenhält.
Eine kleine Anmerkung am Rande: Wer vor zwei Jahren schon beim Wettbewerb mitgemacht oder vielleicht einfach nur nachgeschaut hat, konnte die Lösungen der Papierfragen auch schon in der Musterlösung der Experimentalrunde finden.

(Klassenstufen 10, E und Q)

Aus alt mach neu

Verwendet man als Ausgangsstoff Altpapier statt Holz, entfällt der problematische Schritt der „Stoff X-Abtrennung“. Das gebrauchte Papier muss allerdings von Fremdkörpern befreit werden. Man stellt dazu zunächst einen Altpapierbrei aus zerkleinertem Papier und Wasser her. Auch hier benötigt man einige Chemikalien: Natronlauge, Wasserglas, Peroxid und ein Tensid (Seife).
Durch das Aufquellen im Wasser und die zugesetzten Chemikalien löst sich die Farbe vom Papier. Farbe wird meist durch Tenside an Luftbläschen gebunden, die an die Oberfläche steigen und dort abgeschöpft werden.

Wie nennt man dieses Verfahren?

 

Lösung:

Flotationsverfahren

Warum können die Papierfasern nicht beliebig oft für das Altpapierrecycling verwendet werden?

 

Lösung:

Die Cellulosefasern brechen mit der Zeit und werden zu kurz, um für das Papier verwendet werden zu können. Das oben angesprochene „Verhaken“ der Fasern für den Zusammenhalt des Papiers funktioniert dann nicht mehr.

Frage (Klassenstufen E und Q)

Holz für Kleidung

Eine weniger bekannte Anwendung ist die Nutzung von Holz zur Herstellung von Textilfasern. Dafür braucht man reine Cellulose. Will man klassischerweise keine Kunstfaser in der Kleidung tragen, nutzt man meist Baumwolle, die ebenfalls fast ausschließlich aus Cellulose besteht.

Was ist der Vorteil und der Nachteil von Baumwolle gegenüber Holzfasern?

Vorteil:

 

Lösung:

Keine aufwändige, energie- und wasserintensive Aufbereitung der Faser.

Nachteil:

 

Lösung:

Flächenverbrauch, hoher Wasserverbrauch und Pestizideinsatz beim Anbau.

Aus Holz-Cellulose Textilien gewinnen – die Idee ist nicht neu. Schon vor über 100 Jahren hat man eine Methode entwickelt, aus der Holz-Cellulose Stoff herzustellen. Zu Beginn war er vor allem unter dem Namen Kunstseide bekannt.

Wie heißt er?

 

Lösung:

Viskose

Frage (Klassenstufe Q)

Recht neu auf dem Markt ist dagegen die Lyocell-Faser. Hier wird der Nachteil der Kunstseide, nämlich das energieaufwändige, umweltbelastende Herstellungsverfahren, durch ein neues, wesentlich schonenderes ersetzt: Durch das Auskochen von Holzschnitzeln mit einer Chemikalie, die zu 99 % wiedergewonnen wird (Herstellerangaben), wird Zellstoff gewonnen.
Dieser wird dann durch Hitze und Druck zu einer neuen Faser umgewandelt.

Führt den Satz zu Ende:

Am Ende steht in beiden Fällen ein Produkt, das im Gegensatz zu Kunstfasern wie Polyamid oder Polyesther am Ende seines Lebenszyklus nicht einfach in der Tonne landet, sondern ...

 

Lösung:

… biologisch abbaubar ist. ODER
… kein Mikroplastik freisetzt.
Oder vielleicht habt ihr noch ein anderes sinnvolles (!) Ende gefunden.

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