Les ultrasons dans la fabrication du papier

Les ultrasons de puissance se sont imposés comme une technologie de procédé polyvalente et économe en énergie dans les papeteries modernes. En introduisant des ondes ultrasonores de haute intensité dans des systèmes contenant des liquides ou des suspensions, les papeteries peuvent exploiter les effets de cavitation – formation et implosion de bulles microscopiques – pour améliorer le mélange, le transfert de matière, la modification des fibres et l’élimination des contaminants. Alors que la production de fibres vierges et le traitement du papier recyclé subissent une pression croissante pour réduire l’utilisation d’énergie, la consommation d’eau et les besoins en produits chimiques, la technologie ultrasonore offre un ensemble de solutions intéressantes, utilisables en ligne et prêtes à être intégrées aux installations existantes.

Les ultrasons dans la fabrication du papier

Dans la fabrication du papier, les systèmes à ultrasons servent principalement à améliorer la qualité de la suspension papetière, les performances des fibres et la stabilité du procédé. Une application importante est le dégazage des suspensions de pâte. L’air entraîné dans la suspension papetière peut provoquer des marques d’eau, 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 dans les suspensions de pâte, stabilisant la partie humide de la machine à papier et contribuant 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 pâte en générant, par cavitation, des forces de cisaillement localisées intenses. Ils peuvent ainsi remplacer partiellement ou améliorer les étapes classiques de battage et de raffinage. Par rapport au raffinage mécanique seul, le traitement par ultrasons peut obtenir un développement des fibres équivalent ou supérieur tout en consommant moins d’énergie. La résistance des fibres est préservée, voire améliorée dans certains cas, car les ultrasons favorisent une fibrillation contrôlée plutôt qu’une coupe excessive des fibres. L’énergie ultrasonore peut également faciliter les réactions chimiques associées à la modification des fibres, telles que les procédés d’oxydation ou de blanchiment, en améliorant l’efficacité et l’uniformité des réactions.

Les ultrasons peuvent également faciliter la désintégration de la pâte, lors de la transformation des copeaux de bois en pâte ou de la remise en pâte du papier récupéré. La cavitation accélère la séparation des fibres et affaiblit les liaisons entre les fibres, les charges, les encres et les couches de revêtement, améliorant ainsi l’efficacité de la mise en pâte et réduisant le temps de traitement.

La sonication dans la partie humide

Les papeteries reconnaissent de plus en plus que l’amélioration des performances de la partie humide dépend davantage de l’efficacité d’utilisation des produits chimiques que de l’augmentation des doses d’additifs. La dispersion par ultrasons suscite donc un intérêt croissant en tant que technologie de procédé avancée pour l’activation et l’homogénéisation contrôlées des additifs de la partie humide avant leur ajout à la suspension papetière. Les ultrasons de forte puissance génèrent des forces de cisaillement induites par la cavitation qui désagglomèrent les particules et favorisent une dispersion uniforme des polymères, des charges et des émulsions dans les flux de procédé en ligne. Cette dispersion améliorée rend les interactions entre produits chimiques et fibres plus prévisibles, améliore la rétention et la formation de la feuille, et accroît la stabilité du procédé, tout en réduisant les besoins globaux en produits chimiques et la consommation d’énergie. Grâce à sa capacité de mise à l’échelle linéaire et à la disponibilité de systèmes de sonication de qualité industrielle proposés par Hielscher Ultrasonics, la dispersion par ultrasons est passée des études à l’échelle du laboratoire à une mise en œuvre à l’échelle industrielle, comme stratégie d’optimisation de la partie 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 répondent à certains des problèmes les plus persistants du traitement des fibres récupérées. Une utilisation essentielle est le nettoyage des fibres et l’élimination des contaminants. La cavitation ultrasonore aide à détacher les salissures, les huiles, les encres d’impression, les colorants et les résidus de laque de la surface des fibres. Lors du désencrage, les ultrasons améliorent le détachement et la dispersion des particules d’encre, augmentant l’efficacité de la flottation ou du lavage et permettant d’atteindre des niveaux de blancheur plus élevés avec un apport réduit de produits chimiques.
Les ultrasons contribuent également à la réduction de la charge microbienne dans les circuits d’eaux blanches. En désorganisant mécaniquement les cellules microbiennes et les biofilms, le traitement par ultrasons peut réduire les charges microbiennes sans dépendre exclusivement des biocides. Cela contribue à maintenir des circuits d’eau de procédé plus propres et peut réduire les odeurs, la formation de dépôts visqueux et les risques de bio-encrassement.
Une autre application importante liée au recyclage est la déshydratation. L’énergie ultrasonore peut améliorer les caractéristiques d’égouttage des suspensions de fibres en modifiant les réseaux fibreux et en réduisant l’eau liée. Une meilleure déshydratation peut accroître l’efficacité des presses et de la toile de formation, réduisant ainsi les besoins en énergie thermique lors des étapes de séchage ultérieures.
 

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

Autres applications dans les procédés

Au-delà du traitement des fibres et de l’eau, les ultrasons de puissance sont utilisés pour homogénéiser et disperser les suspensions papetières et les additifs. L’homogénéisation par ultrasons assure une répartition uniforme des charges, des pigments, des polymères et des additifs fonctionnels, améliorant l’efficacité des produits chimiques et la constance du produit. Les ultrasons sont également utilisés dans les procédés de pulvérisation et de couchage, où des buses ultrasonores génèrent des gouttelettes fines et uniformes pour appliquer avec précision des revêtements, des agents d’encollage ou des couches fonctionnelles sur les surfaces du papier.

Intégration en ligne et mise en œuvre industrielle

Un avantage essentiel de la technologie ultrasonore est que la plupart des applications peuvent être mises en œuvre en ligne, ce qui permet aux papeteries d’intégrer des réacteurs à ultrasons dans les circuits de procédé existants sans refonte majeure. Les systèmes à ultrasons à circulation peuvent être mis à l’échelle de manière linéaire et adaptés à des concentrations de pâte, des débits et des objectifs de procédé spécifiques.
Avec une sélection et une intégration appropriées du système, les ultrasons de puissance deviennent un outil flexible d’intensification des procédés plutôt qu’un traitement autonome. Des fournisseurs d’équipements tels que Hielscher Ultrasonics accompagnent les papeteries dans le choix et la configuration de systèmes à ultrasons de qualité industrielle adaptés aux problèmes spécifiques de fabrication ou de recyclage du papier.

Améliorez la qualité du papier et réduisez les coûts

De l’amélioration du développement et de la dispersion des fibres à un recyclage plus propre et à 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 procédés physiques et chimiques tout en réduisant la consommation d’énergie, d’eau et de produits chimiques fait des ultrasons une technologie de plus en plus attractive, tant pour les nouvelles installations que pour la modernisation des installations existantes. Alors que la durabilité et l’efficacité continuent de façonner l’industrie papetière, le traitement par ultrasons se positionne comme une solution pratique et adaptable à différentes échelles pour la fabrication moderne du papier.

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

Conception, fabrication et conseil – Qualité fabriquée en Allemagne

Les sonicateurs Hielscher sont réputés pour leurs exigences élevées en matière de qualité et de conception. Leur robustesse et leur simplicité d’utilisation permettent une intégration aisée de nos sonicateurs dans les installations industrielles. Les sonicateurs Hielscher supportent sans difficulté les conditions difficiles et les environnements exigeants.

Hielscher Ultrasonics est une entreprise certifiée ISO qui accorde une attention particulière aux sonicateurs haute performance associant une technologie de pointe à une grande facilité d’utilisation. Bien entendu, les sonicateurs Hielscher sont conformes aux exigences CE et répondent aux exigences UL, CSA et RoHs.