الموجات فوق الصوتية في تصنيع الورق
برزت الموجات فوق الصوتية عالية القدرة بوصفها تقنية معالجة متعددة الاستخدامات وموفرة للطاقة في مصانع الورق الحديثة. فمن خلال إدخال موجات فوق صوتية عالية الشدة إلى أنظمة السوائل أو المعلقات، يمكن للمصانع الاستفادة من تأثيرات التجويف – تكوّن الفقاعات المجهرية وانهيارها – لتحسين الخلط وانتقال الكتلة وتعديل الألياف وإزالة الملوثات. ومع تزايد الضغوط على كل من إنتاج الألياف البكر ومعالجة الورق المعاد تدويره لتقليل استخدام الطاقة واستهلاك المياه والحاجة إلى المواد الكيميائية، توفر تقنية الموجات فوق الصوتية مجموعة جذابة من الحلول التي تعمل ضمن خطوط المعالجة ويمكن إضافتها إلى المنشآت القائمة.
الموجات فوق الصوتية في تصنيع الورق
في تصنيع الورق، تُستخدم أنظمة الموجات فوق الصوتية أساسًا لتحسين جودة عجينة صناعة الورق وأداء الألياف واستقرار العملية. ومن التطبيقات المهمة إزالة الغازات من معلقات اللب. فقد يتسبب الهواء المحتجز في عجينة صناعة الورق في ظهور بقع مائية وخطوط وعيوب في تكوين الورقة، مما يقلل جودة الورق مباشرة. وتزيل عملية إزالة الغازات بالموجات فوق الصوتية بكفاءة الغازات المذابة والمحتجزة من معلقات اللب، مما يحقق استقرار القسم الرطب ويساعد على منع العيوب المرئية دون إضافة مواد كيميائية.
ومن التطبيقات الرئيسية الأخرى تعزيز تفتييل الألياف. إذ تعزز الموجات فوق الصوتية عالية القدرة التفتييل الخارجي والداخلي لألياف اللب من خلال توليد قوى قص موضعية شديدة بفعل التجويف. ويمكن أن يحل ذلك جزئيًا محل مراحل الدق والتكرير التقليدية أو يعززها. وبالمقارنة مع التكرير الميكانيكي وحده، يمكن للمعالجة بالموجات فوق الصوتية تحقيق تطور مماثل أو أفضل لخصائص الألياف مع استهلاك طاقة أقل. ومن المهم أن متانة الألياف تُحافَظ عليها، وتتحسن في بعض الحالات، لأن الموجات فوق الصوتية تعزز التفتييل المنضبط بدلًا من القطع المفرط للألياف. كما يمكن للطاقة فوق الصوتية أن تساعد التفاعلات الكيميائية المرتبطة بتعديل الألياف، مثل عمليات الأكسدة أو التبييض، مما يحسن كفاءة التفاعل وتجانسه.
جهاز معالجة بالموجات فوق الصوتية UIP6000hdT لتشتيت المواد الكيميائية المستخدمة في القسم الرطب ضمن خط المعالجة
يمكن للموجات فوق الصوتية أيضًا أن تدعم تفكيك اللب، سواء أثناء تفكيك رقائق الخشب وتحويلها إلى لب أو أثناء إعادة تحويل الورق المسترجع إلى لب. ويسرّع التجويف فصل الألياف ويضعف الروابط بين الألياف ومواد الحشو والأحبار والطلاءات، مما يحسن كفاءة إنتاج اللب ويقلل زمن المعالجة.
المعالجة بالموجات فوق الصوتية في القسم الرطب
تدرك عمليات صناعة الورق بصورة متزايدة أن تحسين أداء القسم الرطب يعتمد على كفاءة استخدام المواد الكيميائية أكثر مما يعتمد على زيادة جرعات المواد المضافة. ونتيجة لذلك، يحظى التشتيت بالموجات فوق الصوتية باهتمام متزايد بوصفه تقنية معالجة متقدمة لتنشيط إضافات القسم الرطب وتجنيسها بصورة منضبطة قبل إضافتها إلى عجينة صناعة الورق. وتولد الموجات فوق الصوتية عالية القدرة قوى قص ناتجة عن التجويف تعمل على تفكيك تكتلات الجسيمات وتعزز التشتيت المتجانس للبوليمرات ومواد الحشو والمستحلبات في تيارات المعالجة داخل الخط. ويؤدي هذا التشتيت المحسن إلى تفاعلات بين المواد الكيميائية والألياف يمكن التنبؤ بها بدرجة أكبر، وتحسين الاحتفاظ بالمواد وتكوين الورقة، وزيادة استقرار العملية، مع تقليل الاحتياج الإجمالي إلى المواد الكيميائية واستهلاك الطاقة في الوقت نفسه. وبفضل إمكانية زيادة سعته على نحو خطي وتوافر أنظمة أجهزة معالجة بالموجات فوق الصوتية مخصصة للاستخدام الصناعي من Hielscher Ultrasonics، انتقل التشتيت بالموجات فوق الصوتية من الدراسات على النطاق المختبري إلى التطبيق على النطاق الكامل بوصفه استراتيجية متينة تقنيًا ومجدية اقتصاديًا لتحسين القسم الرطب.
اقرأ المزيد عن مزايا التشتيت بالموجات فوق الصوتية في القسم الرطب بمصانع الورق!
الموجات فوق الصوتية في إعادة تدوير الورق
في تطبيقات إعادة التدوير، تعالج الموجات فوق الصوتية عالية القدرة بعض أكثر التحديات استمرارًا في معالجة الألياف المسترجعة. ومن الاستخدامات الرئيسية تنظيف الألياف وإزالة الملوثات. ويساعد التجويف بالموجات فوق الصوتية على فصل الأوساخ والزيوت وأحبار الطباعة والملونات وبقايا اللك عن أسطح الألياف. وفي عمليات إزالة الحبر، تعزز الموجات فوق الصوتية انفصال جسيمات الحبر وتشتيتها، مما يحسن كفاءة التعويم أو الغسل ويتيح تحقيق مستويات أعلى من السطوع مع تقليل استخدام المواد الكيميائية.
كما تسهم الموجات فوق الصوتية في تقليل الميكروبات في أنظمة المياه البيضاء. ومن خلال التفكيك الميكانيكي للخلايا الميكروبية والأغشية الحيوية، يمكن للمعالجة بالموجات فوق الصوتية خفض الأحمال الميكروبية دون الاعتماد وحده على المبيدات الحيوية. ويدعم ذلك نظافة أكبر لدورات مياه المعالجة، ويمكن أن يقلل الروائح وتكوّن المواد اللزجة ومخاطر التلوث الحيوي.
ومن التطبيقات المهمة الأخرى المرتبطة بإعادة التدوير نزع الماء. إذ يمكن للطاقة فوق الصوتية تحسين خصائص تصريف الماء من معلقات الألياف من خلال تعديل شبكات الألياف وتقليل الماء المرتبط. ويمكن لتحسين نزع الماء أن يزيد كفاءة المكابس وشبكة تشكيل الورق، مما يخفض الاحتياج إلى الطاقة الحرارية في مراحل التجفيف اللاحقة.
طاقة المعالجة بالموجات فوق الصوتية مقابل زمن تصريف الماء (بالدقائق) لتحضير الورق النانوي (الموافق للعينة CNF(1)LA).
تعادل طاقة معالجة بالموجات فوق الصوتية مقدارها 100 J/ml المعالجة بالموجات فوق الصوتية لمدة 100 ثانية، وهكذا.
(الدراسة والصورة: ©Sethi et al., 2018)
تطبيقات إضافية في المعالجة
إلى جانب معالجة الألياف والمياه، تُستخدم الموجات فوق الصوتية عالية القدرة لتجنيس معلقات صناعة الورق والمواد المضافة وتشتيتها. ويضمن التجنيس بالموجات فوق الصوتية التوزيع المتجانس لمواد الحشو والأصباغ والبوليمرات والإضافات الوظيفية، مما يحسن كفاءة استخدام المواد الكيميائية واتساق المنتج. وتُستخدم الموجات فوق الصوتية أيضًا في عمليات الرش والطلاء، حيث تولد الفوهات فوق الصوتية قطرات دقيقة ومتجانسة لوضع الطلاءات أو مواد التصميغ أو الطبقات الوظيفية بدقة على أسطح الورق.
الدمج ضمن خطوط المعالجة والتطبيق الصناعي
من المزايا الرئيسية لتقنية الموجات فوق الصوتية أن معظم تطبيقاتها يمكن تنفيذها ضمن خطوط المعالجة، مما يتيح للمصانع إضافة مفاعلات الموجات فوق الصوتية إلى دورات المعالجة القائمة دون إعادة تصميم كبيرة. ويمكن زيادة سعة أنظمة الموجات فوق الصوتية ذات التدفق المستمر على نحو خطي وتكييفها مع تراكيز عجينة محددة ومعدلات تدفق وأهداف معالجة محددة.
ومع الاختيار والدمج المناسبين للنظام، تصبح الموجات فوق الصوتية عالية القدرة أداة مرنة لتكثيف العمليات بدلًا من أن تكون معالجة مستقلة. ويدعم موردو المعدات، مثل Hielscher Ultrasonics، المصانع في اختيار أنظمة الموجات فوق الصوتية المخصصة للاستخدام الصناعي وتهيئتها بما يلائم تحديات محددة في تصنيع الورق أو إعادة تدويره.
جهاز معالجة بالموجات فوق الصوتية بقدرة 16,000 واط لمعالجة اللب والمواد الكيميائية في مصانع الورق
تحسين جودة الورق وتقليل التكاليف
من تحسين تطور خصائص الألياف وتشتيتها إلى إتاحة إعادة تدوير أنظف وتشغيل أكثر استقرارًا للقسم الرطب، توفر الموجات فوق الصوتية عالية القدرة نطاقًا واسعًا من التطبيقات في مصانع الورق. وقدرتها على تعزيز العمليات الفيزيائية والكيميائية مع تقليل استهلاك الطاقة والمياه والمواد الكيميائية تجعلها تقنية تزداد جاذبيتها لكل من المنشآت الجديدة وتحديث المنشآت القائمة. ومع استمرار الاستدامة والكفاءة في تشكيل صناعة الورق، تبرز المعالجة بالموجات فوق الصوتية بوصفها حلًا عمليًا قابلًا للتوسع لصناعة الورق الحديثة.
يقدم الجدول أدناه مؤشرًا على السعة التقريبية للمعالجة التي توفرها أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية لدينا:
| حجم الدفعة | معدل التدفق | الأجهزة الموصى بها |
|---|---|---|
| 10 إلى 2000mL | 20 إلى 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 إلى 20L | 0.2 إلى 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 إلى 100L | 2 إلى 10L/min | UIP4000hdT |
| 15 إلى 150L | 3 إلى 15L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 إلى 100L/min | UIP16000hdT |
| n.a. | أعلى | مجموعة من UIP16000hdT |
التصميم والتصنيع والاستشارات – جودة صُنعت في ألمانيا
تشتهر أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من Hielscher بأعلى معايير الجودة والتصميم. وتتيح المتانة وسهولة التشغيل دمج أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية لدينا بسلاسة في المنشآت الصناعية. وتتعامل أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من Hielscher بسهولة مع الظروف القاسية والبيئات التي تفرض متطلبات صعبة.
Hielscher Ultrasonics شركة حاصلة على شهادة ISO، وتولي اهتمامًا خاصًا لأجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية عالية الأداء التي تتميز بأحدث التقنيات وسهولة الاستخدام. وبالطبع، تتوافق أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من Hielscher مع CE وتلبي متطلبات UL وCSA وRoHs.
تصنع Hielscher Ultrasonics مجانسات بالموجات فوق الصوتية عالية الأداء لتطبيقات الخلط والتشتيت والاستحلاب والاستخلاص على النطاق المختبري والتجريبي والصناعي.
المؤلفات / المراجع
- Jatin Sethi, Kristiina Oksman, Mirja Illikainen, Juho Antti Sirviö (2018): Sonication-assisted surface modification method to expedite the water removal from cellulose nanofibers for use in nanopapers and paper making. Carbohydrate Polymers, Volume 197, 2018. 92-99.
- Thompson, R. and Manning, A. (2005): A review of ultrasound and its applications in papermaking. Progress in Paper Recycling 14, 2005. 26-42.
- Manning A.; Fricker A.; Thompson R. (2009): The anomalous effect of high intensity ultrasound on paper fibre‐filler combinations. Pigment & Resin Technology, Vol. 38 No. 4; 2009. 218–229.
- Brodeur, P.; Gerhardstein, J.P. (1998): Overview of applications of ultrasonics in the pulp and paper industry. In Proceedings of the 1998 IEEE
تصنع Hielscher Ultrasonics مجانسات بالموجات فوق الصوتية عالية الأداء بأحجام تتراوح من الحجم المختبري إلى الحجم الصناعي.