Les ultrasons dans la fabrication du papier

Les ultrasons de puissance se sont imposés comme une technologie de traitement polyvalente et économe en énergie dans les papeteries modernes. En introduisant des ondes ultrasoniques de haute intensité dans les systèmes liquides ou boueux, les usines peuvent exploiter les effets de cavitation, c'est-à-dire la formation et l'effondrement de bulles microscopiques. – pour améliorer le mélange, le transfert de masse, la modification des fibres et l'élimination des contaminants. Alors que la production de fibres vierges et le traitement du papier recyclé sont soumis à une pression croissante pour réduire la consommation d'énergie, d'eau et de produits chimiques, la technologie ultrasonique offre un ensemble convaincant de solutions en ligne, prêtes à être mises à niveau.

Les ultrasons dans la fabrication du papier

Dans la fabrication du papier, les systèmes à ultrasons sont principalement utilisés pour améliorer la qualité de la pâte, la performance des fibres et la stabilité du processus. Une application importante est le dégazage des suspensions de pâte. L'air entraîné dans la pâte peut provoquer des filigranes, des stries et des défauts de formation qui réduisent directement la qualité du papier. Le dégazage par ultrasons élimine efficacement les gaz dissous et entraînés des suspensions de pâte, stabilisant la partie humide et aidant à prévenir les défauts visuels sans produits chimiques supplémentaires.
Une autre application majeure est l'amélioration de la fibrillation des fibres. Les ultrasons de puissance favorisent la fibrillation externe et interne des fibres de pulpe en générant des forces de cisaillement localisées intenses par cavitation. Cela peut remplacer partiellement ou améliorer les étapes conventionnelles de battage et de raffinage. Comparé au raffinage mécanique seul, le traitement par ultrasons permet d'obtenir un développement des fibres similaire ou amélioré tout en consommant moins d'énergie. Il est important de noter que la résistance des fibres est maintenue, et dans certains cas améliorée, car les ultrasons favorisent une fibrillation contrôlée plutôt qu'une coupe excessive des fibres. L'énergie ultrasonique peut également favoriser les réactions chimiques associées à la modification des fibres, telles que les processus d'oxydation ou de blanchiment, améliorant ainsi l'efficacité et l'uniformité de la réaction.

Les ultrasons peuvent également favoriser la désintégration de la pâte, soit pendant la décomposition des copeaux de bois en pâte, soit pendant le repulpage du papier de récupération. La cavitation accélère la séparation des fibres et relâche les liens entre les fibres, les charges, les encres et les revêtements, ce qui améliore l'efficacité de la mise en pâte et réduit le temps de traitement.

Sonication dans la partie humide

Les papetiers reconnaissent de plus en plus que l'amélioration des performances de la partie humide est davantage due à l'efficacité de l'utilisation des produits chimiques qu'à l'augmentation des doses d'additifs. C'est pourquoi la dispersion par ultrasons est de plus en plus considérée comme une technologie de pointe pour l'activation et l'homogénéisation contrôlées des additifs avant l'ajout d'un stock. Les ultrasons de forte puissance génèrent des forces de cisaillement induites par la cavitation qui désagglomèrent les particules et favorisent la dispersion uniforme des polymères, des charges et des émulsions dans les flux de traitement en ligne. Cette dispersion améliorée permet de mieux prévoir les interactions entre les produits chimiques et les fibres, d'améliorer la rétention et la formation des feuilles et d'accroître la stabilité du processus, tout en réduisant la demande globale de produits chimiques et la consommation d'énergie. Grâce à son évolutivité linéaire et à la disponibilité des sonicateurs de qualité industrielle de Hielscher Ultrasonics, la dispersion par ultrasons est passée des études en laboratoire à une mise en œuvre à grande échelle en tant que stratégie d'optimisation de l'extrémité humide techniquement robuste et économiquement viable.

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Les ultrasons dans le recyclage du papier

Dans les applications de recyclage, les ultrasons de puissance permettent de relever certains des défis les plus persistants dans le traitement des fibres récupérées. L'une des principales utilisations est le nettoyage des fibres et l'élimination des contaminants. La cavitation ultrasonique aide à détacher la saleté, les huiles, les encres d'imprimerie, les colorants et les résidus de laque de la surface des fibres. Dans les opérations de désencrage, les ultrasons améliorent le détachement et la dispersion des particules d'encre, ce qui améliore l'efficacité de la flottation ou du lavage et permet d'obtenir des niveaux de brillance plus élevés tout en réduisant l'apport de produits chimiques.
Les ultrasons contribuent également à la réduction microbienne dans les systèmes d'eau vive. En perturbant mécaniquement les cellules microbiennes et les biofilms, le traitement par ultrasons peut réduire les charges microbiennes sans dépendre uniquement des biocides. Cela permet d'obtenir des boucles d'eau de traitement plus propres et de réduire les odeurs, la formation de boue et les risques d'encrassement.
Une autre application importante liée au recyclage est la déshydratation. L'énergie ultrasonique peut améliorer les caractéristiques de drainage des suspensions de fibres en modifiant les réseaux de fibres et en réduisant l'eau liée. L'amélioration de la déshydratation peut accroître l'efficacité de la presse et du fil, réduisant ainsi la demande d'énergie thermique lors des étapes de séchage ultérieures.
 

Énergie de sonication en fonction du temps d'égouttage (en minutes) pour la préparation du nanopapier (correspondant à l'échantillon CNF(1)LA).
100 J/ml d'énergie de sonication correspondent à 100 secondes de sonication, etc.
(Étude et image : ©Sethi et al., 2018)

Applications de processus supplémentaires

Au-delà du traitement des fibres et de l'eau, les ultrasons de puissance sont utilisés pour homogénéiser et disperser les boues de papier et les additifs. L'homogénéisation par ultrasons assure une distribution uniforme des charges, des pigments, des polymères et des additifs fonctionnels, améliorant ainsi l'efficacité chimique et l'homogénéité du produit. Les ultrasons sont également utilisés dans les processus de pulvérisation et de couchage, où les buses à ultrasons génèrent des gouttelettes fines et uniformes pour l'application précise d'enduits, d'agents de collage ou de couches fonctionnelles sur les surfaces de papier.

Intégration en ligne et mise en œuvre industrielle

L'un des principaux avantages de la technologie des ultrasons est que la plupart des applications peuvent être mises en œuvre en ligne, ce qui permet aux usines d'installer des réacteurs à ultrasons dans les circuits de traitement existants sans devoir procéder à des modifications majeures. Les systèmes ultrasoniques à circulation peuvent être mis à l'échelle de façon linéaire et adaptés à des consistances, des débits et des objectifs de processus spécifiques.
Avec une sélection et une intégration appropriées du système, les ultrasons de puissance deviennent un outil flexible d'intensification du processus plutôt qu'un traitement autonome. Les fournisseurs d'équipements tels que Hielscher Ultrasonics aident les usines à sélectionner et à configurer des systèmes ultrasoniques de qualité industrielle adaptés aux défis spécifiques de la fabrication ou du recyclage du papier.

Améliorer la qualité du papier et réduire les coûts

Qu'il s'agisse d'améliorer le développement et la dispersion des fibres ou de permettre un recyclage plus propre et un fonctionnement plus stable de la partie humide, les ultrasons de puissance offrent un large éventail d'applications dans les papeteries. Leur capacité à améliorer les processus physiques et chimiques tout en réduisant la consommation d'énergie, d'eau et de produits chimiques en fait une technologie de plus en plus attrayante, tant pour les nouvelles installations que pour les rénovations. Alors que la durabilité et l'efficacité continuent de façonner l'industrie du papier, le traitement par ultrasons se positionne comme une solution pratique et évolutive pour la fabrication moderne du papier.

Le tableau ci-dessous vous donne une indication de la capacité de traitement approximative de nos ultrasons :

Conception, fabrication et conseil – Qualité Made in Germany

Les ultrasons Hielscher sont réputés pour leur qualité et leurs normes de conception les plus élevées. La robustesse et la facilité d'utilisation permettent une intégration aisée de nos ultrasons dans les installations industrielles. Les conditions difficiles et les environnements exigeants sont facilement gérés par les ultrasons Hielscher.

Hielscher Ultrasonics est une entreprise certifiée ISO et met l'accent sur les ultrasons de haute performance, dotés d'une technologie de pointe et d'une grande facilité d'utilisation. Bien entendu, les ultrasons Hielscher sont conformes à la norme CE et répondent aux exigences des normes UL, CSA et RoHs.