Ultraschall in der Papierherstellung

Leistungsultraschall hat sich als vielseitige und energieeffiziente Prozesstechnologie in modernen Papierfabriken etabliert. Durch die Einleitung hochintensiver Ultraschallwellen in Flüssigkeiten oder Suspensionen können Papierfabriken Kavitationseffekte – die Bildung und den Kollaps mikroskopisch kleiner Blasen – nutzen, um das Mischen, den Stofftransport, die Fasermodifizierung und die Entfernung von Verunreinigungen zu verbessern. Da sowohl die Herstellung von Primärfasern als auch die Verarbeitung von Altpapier zunehmend unter Druck stehen, den Energieverbrauch, den Wasserverbrauch und den Chemikalienbedarf zu senken, bietet die Ultraschalltechnologie eine Reihe überzeugender Inline-Lösungen, die sich in bestehende Anlagen nachrüsten lassen.

Ultraschall in der Papierherstellung

In der Papierherstellung werden Ultraschallsysteme hauptsächlich eingesetzt, um die Qualität des Faserstoffs, die Fasereigenschaften und die Prozessstabilität zu verbessern. Eine wichtige Anwendung ist die Entgasung von Faserstoffsuspensionen. Eingeschlossene Luft im Faserstoff kann Wasserflecken, Streifen und Blattbildungsfehler verursachen, die die Papierqualität unmittelbar beeinträchtigen. Die Ultraschallentgasung entfernt gelöste und eingeschlossene Gase effizient aus Faserstoffsuspensionen, stabilisiert dadurch die Nasspartie und trägt dazu bei, optische Fehler ohne zusätzliche Chemikalien zu vermeiden.
Eine weitere wichtige Anwendung ist die Verbesserung der Faserfibrillierung. Leistungsultraschall fördert die äußere und innere Fibrillierung von Faserstofffasern, indem er durch Kavitation lokal intensive Scherkräfte erzeugt. Dies kann konventionelle Mahl- und Refiningstufen teilweise ersetzen oder deren Wirkung verstärken. Im Vergleich zur rein mechanischen Mahlung kann die Ultraschallbehandlung bei geringerem Energieverbrauch eine vergleichbare oder verbesserte Faserentwicklung erzielen. Dabei bleibt die Faserfestigkeit erhalten und wird in einigen Fällen sogar verbessert, da Ultraschall eine kontrollierte Fibrillierung statt einer übermäßigen Faserkürzung fördert. Ultraschallenergie kann außerdem chemische Reaktionen zur Fasermodifizierung unterstützen, etwa Oxidations- oder Bleichprozesse, und so die Reaktionseffizienz und Gleichmäßigkeit verbessern.

Ultraschall kann außerdem die Zerfaserung unterstützen, sowohl beim Aufschluss von Holzschnitzeln zu Faserstoff als auch bei der Wiederzerfaserung von Altpapier. Kavitation beschleunigt die Fasertrennung und lockert die Bindungen zwischen Fasern, Füllstoffen, Druckfarben und Beschichtungen. Dadurch wird die Zerfaserung effizienter und die Verarbeitungszeit verkürzt.

Ultraschallbehandlung in der Nasspartie

Papierhersteller erkennen zunehmend, dass Verbesserungen in der Nasspartie stärker von der effizienten Nutzung der Chemikalien als von einer höheren Additivdosierung abhängen. Daher gewinnt die Ultraschalldispergierung als fortschrittliche Prozesstechnologie zur kontrollierten Aktivierung und Homogenisierung von Nasspartieadditiven vor deren Zugabe zum Faserstoff an Bedeutung. Leistungsultraschall erzeugt kavitationsbedingte Scherkräfte, die Partikel deagglomerieren und die gleichmäßige Dispergierung von Polymeren, Füllstoffen und Emulsionen in Inline-Prozessströmen fördern. Diese verbesserte Dispergierung führt zu besser vorhersehbaren Wechselwirkungen zwischen Chemikalien und Fasern, einer verbesserten Retention und Blattbildung sowie einer höheren Prozessstabilität. Gleichzeitig sinken der gesamte Chemikalienbedarf und der Energieverbrauch. Dank ihrer linearen Skalierbarkeit und der Verfügbarkeit industrietauglicher Ultraschallsysteme von Hielscher Ultrasonics wird die Ultraschalldispergierung inzwischen über Laboruntersuchungen hinaus im industriellen Maßstab eingesetzt. Sie dient dabei als technisch robuste und wirtschaftlich tragfähige Strategie zur Optimierung der Nasspartie.

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Ultraschall beim Papierrecycling

Bei Recyclinganwendungen bietet Leistungsultraschall Lösungen für einige der hartnäckigsten Herausforderungen bei der Verarbeitung von Sekundärfasern. Eine zentrale Anwendung ist die Faserreinigung und die Entfernung von Verunreinigungen. Ultraschallkavitation hilft, Schmutz, Öle, Druckfarben, Farbstoffe und Lackrückstände von Faseroberflächen abzulösen. Beim Deinking verbessert Ultraschall die Ablösung und Dispergierung von Druckfarbenpartikeln, steigert dadurch die Effizienz der Flotation oder Wäsche und ermöglicht höhere Weißgrade bei geringerem Chemikalieneinsatz.
Ultraschall trägt außerdem zur Keimreduktion in Siebwassersystemen bei. Durch den mechanischen Aufschluss mikrobieller Zellen und Biofilme kann die Ultraschallbehandlung die Keimbelastung verringern, ohne sich ausschließlich auf Biozide zu stützen. Dies unterstützt sauberere Prozesswasserkreisläufe und kann Gerüche, Schleimbildung und Biofouling-Risiken reduzieren.
Eine weitere wichtige Anwendung im Recycling ist die Entwässerung. Ultraschallenergie kann die Entwässerungseigenschaften von Faserstoffsuspensionen verbessern, indem sie Fasernetzwerke verändert und gebundenes Wasser reduziert. Eine verbesserte Entwässerung kann die Effizienz der Pressen- und Siebpartie steigern und den Bedarf an thermischer Energie in den anschließenden Trocknungsstufen senken.
 

Beschallungsenergie im Verhältnis zur Entwässerungszeit (in Minuten) bei der Herstellung von Nanopapier (bezogen auf die Probe CNF(1)LA).
Eine Beschallungsenergie von 100 J/ml entspricht einer Beschallungsdauer von 100 Sekunden usw.
(Studie und Abbildung: ©Sethi et al., 2018)

Weitere Prozessanwendungen

Über die Faser- und Wasserbehandlung hinaus wird Leistungsultraschall zur Homogenisierung und Dispergierung von Faserstoffsuspensionen und Additiven eingesetzt. Die Ultraschallhomogenisierung sorgt für eine gleichmäßige Verteilung von Füllstoffen, Pigmenten, Polymeren und funktionellen Additiven und verbessert dadurch die Effizienz des Chemikalieneinsatzes und die Gleichmäßigkeit der Produkte. Ultraschall wird auch bei Sprüh- und Beschichtungsprozessen eingesetzt. Dabei erzeugen Ultraschalldüsen feine, gleichmäßige Tropfen für den präzisen Auftrag von Beschichtungen, Leimungsmitteln oder funktionellen Schichten auf Papieroberflächen.

Inline-Integration und industrielle Umsetzung

Ein wesentlicher Vorteil der Ultraschalltechnologie besteht darin, dass sich die meisten Anwendungen inline umsetzen lassen. Dadurch können Papierfabriken Ultraschallreaktoren ohne größere Umgestaltung in bestehende Prozesskreisläufe nachrüsten. Ultraschallsysteme für den Durchflussbetrieb lassen sich linear skalieren und an spezifische Stoffdichten, Volumenströme und Prozessziele anpassen.
Bei geeigneter Systemauswahl und Integration wird Leistungsultraschall zu einem flexiblen Werkzeug zur Prozessintensivierung statt zu einer eigenständigen Behandlung. Anlagenlieferanten wie Hielscher Ultrasonics unterstützen Papierfabriken bei der Auswahl und Konfiguration industrietauglicher Ultraschallsysteme, die auf spezifische Herausforderungen bei der Papierherstellung oder beim Recycling zugeschnitten sind.

Papierqualität verbessern und Kosten senken

Von der Verbesserung der Faserentwicklung und Dispergierung bis hin zu saubererem Recycling und einem stabileren Betrieb der Nasspartie bietet Leistungsultraschall ein breites Anwendungsspektrum in Papierfabriken. Seine Fähigkeit, physikalische und chemische Prozesse zu verbessern und gleichzeitig den Energie-, Wasser- und Chemikalienverbrauch zu senken, macht Ultraschall zu einer zunehmend attraktiven Technologie sowohl für neue Anlagen als auch für Nachrüstungen. Da Nachhaltigkeit und Effizienz die Papierindustrie weiterhin prägen, bietet die Ultraschallverarbeitung eine praxisgerechte und skalierbare Lösung für die moderne Papierherstellung.

Die folgende Tabelle gibt Ihnen einen Anhaltspunkt für die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallgeräte:

Entwicklung, Fertigung und Beratung – Qualität Made in Germany

Ultraschallgeräte von Hielscher sind für höchste Qualitäts- und Konstruktionsstandards bekannt. Robustheit und einfache Bedienung ermöglichen die reibungslose Integration unserer Ultraschallgeräte in industrielle Anlagen. Ultraschallgeräte von Hielscher bewältigen raue Bedingungen und anspruchsvolle Umgebungen problemlos.

Hielscher Ultrasonics ist ein ISO-zertifiziertes Unternehmen und legt besonderen Wert auf leistungsstarke Ultraschallgeräte mit modernster Technologie und hoher Benutzerfreundlichkeit. Selbstverständlich sind Ultraschallgeräte von Hielscher CE-konform und erfüllen die Anforderungen von UL, CSA und RoHs.