Ultraschall in der Papierherstellung

Leistungsultraschall hat sich als vielseitige und energieeffiziente Prozesstechnologie in modernen Papierfabriken etabliert. Durch die Einleitung von hochintensiven Ultraschallwellen in Flüssigkeits- oder Schlammsysteme können die Fabriken Kavitationseffekte nutzen - die Bildung und das Kollabieren mikroskopisch kleiner Blasen. – zur Verbesserung der Mischung, des Stoffaustauschs, der Fasermodifizierung und der Entfernung von Verunreinigungen. Da sowohl die Frischfaserproduktion als auch die Verarbeitung von Recyclingpapier zunehmend unter dem Druck stehen, den Energie- und Wasserverbrauch sowie den Bedarf an Chemikalien zu senken, bietet die Ultraschalltechnologie eine Reihe von überzeugenden Inline-Lösungen, die sich nachrüsten lassen.

Ultraschall in der Papierherstellung

In der Papierherstellung werden Ultraschallsysteme hauptsächlich zur Verbesserung der Stoffqualität, der Faserleistung und der Prozessstabilität eingesetzt. Eine wichtige Anwendung ist die Entgasung von Zellstoffsuspensionen. Lufteinschlüsse im Stoff können Wasserzeichen, Schlieren und Formationsfehler verursachen, die die Papierqualität direkt beeinträchtigen. Die Ultraschallentgasung entfernt effizient gelöste und mitgerissene Gase aus Zellstoffsuspensionen, stabilisiert die Nasspartie und hilft, visuelle Defekte ohne zusätzliche Chemikalien zu vermeiden.
Eine weitere wichtige Anwendung ist die Verstärkung der Faserfibrillation. Leistungsultraschall fördert die externe und interne Fibrillierung von Zellstofffasern durch die Erzeugung intensiver lokaler Scherkräfte durch Kavitation. Dies kann herkömmliche Klopf- und Refinerschritte teilweise ersetzen oder verbessern. Im Vergleich zur alleinigen mechanischen Mahlung kann mit der Ultraschallbehandlung eine ähnliche oder bessere Faserentwicklung bei geringerem Energieverbrauch erreicht werden. Wichtig ist, dass die Festigkeit der Fasern erhalten bleibt und in einigen Fällen sogar verbessert wird, da Ultraschall eine kontrollierte Fibrillierung und nicht ein übermäßiges Zerschneiden der Fasern fördert. Die Ultraschallenergie kann auch chemische Reaktionen im Zusammenhang mit der Fasermodifikation unterstützen, wie z. B. oxidative oder bleichende Prozesse, und so die Effizienz und Gleichmäßigkeit der Reaktion verbessern.

Ultraschall kann den Aufschluss des Zellstoffs weiter unterstützen, entweder bei der Aufspaltung von Holzspänen in Zellstoff oder beim Auflösen von Altpapier. Die Kavitation beschleunigt die Faserablösung und löst die Bindung zwischen Fasern, Füllstoffen, Druckfarben und Beschichtungen, wodurch die Auflöseleistung verbessert und die Verarbeitungszeit verkürzt wird.

Beschallung in der Nasspartie

In der Papierherstellung setzt sich zunehmend die Erkenntnis durch, dass Verbesserungen in der Nasspartie eher durch eine effizientere Nutzung der Chemikalien als durch eine höhere Dosierung von Additiven erreicht werden können. Infolgedessen gewinnt die Ultraschalldispergierung als fortschrittliche Prozesstechnologie für die kontrollierte Aktivierung und Homogenisierung von Wet-End-Additiven vor der Stoffzugabe zunehmend an Bedeutung. Hochleistungs-Ultraschall erzeugt kavitationsinduzierte Scherkräfte, die Partikel desagglomerieren und die gleichmäßige Dispersion von Polymeren, Füllstoffen und Emulsionen in Inline-Prozessströmen fördern. Diese verbesserte Dispersion führt zu besser vorhersehbaren Wechselwirkungen zwischen Chemikalien und Fasern, verbesserter Retention und Blattbildung sowie erhöhter Prozessstabilität bei gleichzeitiger Reduzierung des gesamten Chemikalienbedarfs und Energieverbrauchs. Dank der linearen Skalierbarkeit und der Verfügbarkeit von industrietauglichen Sonicator-Systemen von Hielscher Ultrasonics hat sich die Ultraschall-Dispergierung von Studien im Labormaßstab zu einer technisch robusten und wirtschaftlich tragfähigen Optimierungsstrategie für den Nassbereich entwickelt.

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Ultraschall im Papierrecycling

Bei Recyclinganwendungen kann Leistungsultraschall einige der hartnäckigsten Probleme bei der Verarbeitung von Altfasern lösen. Eine wichtige Anwendung ist die Reinigung der Fasern und die Entfernung von Verunreinigungen. Die Ultraschallkavitation hilft, Schmutz, Öle, Druckfarben, Farbstoffe und Lackreste von der Faseroberfläche zu lösen. Beim Deinking verbessert Ultraschall die Ablösung und Dispersion von Druckfarbenpartikeln, verbessert die Flotations- oder Waschwirkung und ermöglicht einen höheren Weißgrad bei geringerem Chemikalieneinsatz.
Auch Ultraschall trägt zur Verringerung der mikrobiellen Belastung in Wildwassersystemen bei. Durch die mechanische Zerstörung von mikrobiellen Zellen und Biofilmen kann die Ultraschallbehandlung die mikrobielle Belastung senken, ohne sich ausschließlich auf Biozide zu verlassen. Dies trägt zu saubereren Prozesswasserkreisläufen bei und kann Geruch, Schleimbildung und das Risiko von Biofouling verringern.
Eine weitere wichtige Anwendung im Zusammenhang mit dem Recycling ist die Entwässerung. Ultraschallenergie kann die Entwässerungseigenschaften von Fasersuspensionen verbessern, indem sie die Fasernetze verändert und das gebundene Wasser reduziert. Eine verbesserte Entwässerung kann die Effizienz von Pressen und Sieben erhöhen und den Bedarf an thermischer Energie in den nachfolgenden Trocknungsstufen senken.
 

Beschallungsenergie im Vergleich zur Abtropfzeit (in Minuten) für die Herstellung von Nanopapier (entsprechend der CNF(1)LA-Probe).
Eine Beschallungsenergie von 100 J/ml entspricht einer Beschallungsdauer von 100 Sekunden, usw.
(Studie und Bild: ©Sethi et al., 2018)

Zusätzliche Prozessanwendungen

Neben der Faser- und Wasseraufbereitung wird Leistungsultraschall auch zum Homogenisieren und Dispergieren von Papierschlämmen und Zusatzstoffen eingesetzt. Die Ultraschallhomogenisierung gewährleistet eine gleichmäßige Verteilung von Füllstoffen, Pigmenten, Polymeren und funktionalen Additiven und verbessert die chemische Effizienz und die Produktkonsistenz. Ultraschall wird auch in Sprüh- und Beschichtungsprozessen eingesetzt, wo Ultraschalldüsen feine, gleichmäßige Tröpfchen für das präzise Auftragen von Beschichtungen, Leimungsmitteln oder funktionalen Schichten auf die Papieroberfläche erzeugen.

Inline-Integration und industrielle Umsetzung

Ein wesentlicher Vorteil der Ultraschalltechnologie besteht darin, dass die meisten Anwendungen inline implementiert werden können, so dass Mühlen Ultraschallreaktoren ohne größere Umgestaltung in bestehende Prozesskreisläufe nachrüsten können. Durchfluss-Ultraschallsysteme können linear skaliert und an spezifische Konsistenzen, Durchflussraten und Prozessziele angepasst werden.
Mit der richtigen Systemauswahl und -integration wird Leistungsultraschall eher zu einem flexiblen Werkzeug zur Prozessintensivierung als zu einer eigenständigen Behandlung. Ausrüstungslieferanten wie Hielscher Ultrasonics unterstützen Papierfabriken bei der Auswahl und Konfiguration von Ultraschallsystemen in Industriequalität, die auf die spezifischen Herausforderungen bei der Papierherstellung oder beim Recycling zugeschnitten sind.

Verbessern Sie die Papierqualität und senken Sie die Kosten

Von der Verbesserung der Faserentwicklung und -dispergierung bis hin zur Ermöglichung eines saubereren Recyclings und eines stabileren Betriebs der Nasspartie bietet Hochleistungsultraschall eine breite Palette von Anwendungen 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 Neuanlagen als auch für Nachrüstungen. Da Nachhaltigkeit und Effizienz die Papierindustrie weiterhin prägen, ist die Ultraschallverarbeitung eine praktische und skalierbare Lösung für die moderne Papierherstellung.

In der folgenden Tabelle finden Sie die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallhomogenisatoren:

Design, Herstellung und Beratung – Qualität Made in Germany

Hielscher Ultraschallgeräte sind bekannt für höchste Qualität und Designstandards. Robustheit und einfache Bedienung ermöglichen die problemlose Integration unserer Ultraschallgeräte in industrielle Anlagen. Raue Bedingungen und anspruchsvolle Umgebungen sind für Hielscher Ultraschallgeräte kein Problem.

Hielscher Ultrasonics ist ein ISO-zertifiziertes Unternehmen und legt großen Wert darauf, Hochleistungs-Ultraschallgeräte zu entwickeln und zu produzieren, die sich durch modernste Technik und Benutzerfreundlichkeit auszeichnen. Selbstverständlich sind Hielscher Sonicators CE-konform und erfüllen die Anforderungen von UL, CSA und RoHs.