Gli ultrasuoni nella produzione della carta

Gli ultrasuoni di potenza sono emersi come una tecnologia di processo versatile ed efficiente dal punto di vista energetico nelle moderne cartiere. Introducendo onde ultrasoniche ad alta intensità in sistemi liquidi o fangosi, le cartiere possono sfruttare gli effetti di cavitazione, ovvero la formazione e il collasso di bolle microscopiche. – per migliorare la miscelazione, il trasferimento di massa, la modifica delle fibre e la rimozione dei contaminanti. Poiché sia la produzione di fibre vergini che la lavorazione della carta riciclata devono far fronte a una crescente pressione per ridurre l'uso di energia, il consumo di acqua e la richiesta di sostanze chimiche, la tecnologia a ultrasuoni offre un'interessante serie di soluzioni in linea e pronte per l'aggiornamento.

Gli ultrasuoni nella produzione della carta

Nella produzione della carta, i sistemi a ultrasuoni vengono applicati principalmente per migliorare la qualità dell'impasto, le prestazioni delle fibre e la stabilità del processo. Un'applicazione importante è il degasaggio delle sospensioni di pasta. L'aria intrappolata nell'impasto può causare filigrane, striature e difetti di formazione che riducono direttamente la qualità della carta. Il degasaggio a ultrasuoni rimuove efficacemente i gas disciolti e intrappolati dagli impasti, stabilizzando la parte umida e aiutando a prevenire i difetti visivi senza l'uso di sostanze chimiche aggiuntive.
Un'altra applicazione importante è il miglioramento della fibrillazione delle fibre. Gli ultrasuoni di potenza promuovono la fibrillazione esterna e interna delle fibre di cellulosa generando intense forze di taglio localizzate attraverso la cavitazione. Ciò può sostituire o migliorare parzialmente le fasi di battitura e raffinazione convenzionali. Rispetto alla sola raffinazione meccanica, il trattamento a ultrasuoni può ottenere uno sviluppo delle fibre simile o migliore, consumando meno energia. È importante notare che la resistenza delle fibre viene mantenuta, e in alcuni casi migliorata, perché gli ultrasuoni promuovono una fibrillazione controllata piuttosto che un taglio eccessivo delle fibre. L'energia degli ultrasuoni può anche aiutare le reazioni chimiche associate alla modifica delle fibre, come i processi ossidativi o di sbiancamento, migliorando l'efficienza e l'uniformità della reazione.

Gli ultrasuoni possono inoltre favorire la disintegrazione della pasta, sia durante la scomposizione dei trucioli di legno in pasta che durante il repulping della carta recuperata. La cavitazione accelera la separazione delle fibre e allenta i legami tra fibre, cariche, inchiostri e rivestimenti, migliorando l'efficienza della pasta e riducendo i tempi di lavorazione.

Sonizzazione nel Wet End

Le aziende cartotecniche riconoscono sempre più che i miglioramenti delle prestazioni del wet end sono determinati più dall'efficienza dell'utilizzo dei prodotti chimici che da dosaggi più elevati di additivi. Di conseguenza, la dispersione a ultrasuoni sta guadagnando attenzione come tecnologia di processo avanzata per l'attivazione e l'omogeneizzazione controllata degli additivi per il wet end prima dell'aggiunta dell'impasto. Gli ultrasuoni ad alta potenza generano forze di taglio indotte dalla cavitazione che deagglomerano le particelle e promuovono la dispersione uniforme di polimeri, cariche ed emulsioni in flussi di processo in linea. Questa maggiore dispersione porta a interazioni chimica-fibra più prevedibili, a una migliore ritenzione e formazione di fogli e a una maggiore stabilità del processo, riducendo al contempo la domanda chimica complessiva e il consumo energetico. Grazie alla sua scalabilità lineare e alla disponibilità di sistemi di sonicazione di livello industriale di Hielscher Ultrasonics, la dispersione a ultrasuoni è passata da studi su scala di laboratorio all'implementazione su scala reale come strategia di ottimizzazione del wet end tecnicamente robusta ed economicamente valida.

Per saperne di più sui vantaggi della dispersione a ultrasuoni nella parte umida delle cartiere!

Gli ultrasuoni nel riciclaggio della carta

Nelle applicazioni di riciclaggio, gli ultrasuoni di potenza affrontano alcune delle sfide più persistenti nella lavorazione delle fibre recuperate. Uno degli usi principali è la pulizia delle fibre e la rimozione dei contaminanti. La cavitazione a ultrasuoni aiuta a staccare sporco, oli, inchiostri da stampa, coloranti e residui di lacca dalle superfici delle fibre. Nelle operazioni di deinchiostrazione, gli ultrasuoni migliorano il distacco e la dispersione delle particelle di inchiostro, migliorando l'efficienza della flottazione o del lavaggio e consentendo livelli di luminosità più elevati con un apporto chimico ridotto.
Anche gli ultrasuoni contribuiscono alla riduzione dei microbi nei sistemi di acque bianche. Distruggendo meccanicamente le cellule microbiche e i biofilm, il trattamento a ultrasuoni può ridurre le cariche microbiche senza ricorrere esclusivamente ai biocidi. Ciò favorisce la pulizia dei circuiti dell'acqua di processo e può ridurre gli odori, la formazione di melma e i rischi di biofouling.
Un'altra importante applicazione legata al riciclaggio è la disidratazione. L'energia a ultrasuoni può migliorare le caratteristiche di drenaggio delle sospensioni di fibre modificando le reti di fibre e riducendo l'acqua legata. Una migliore disidratazione può aumentare l'efficienza della pressa e del filo, riducendo la richiesta di energia termica nelle fasi successive di essiccazione.
 

Energia di sonicazione vs tempo di drenaggio (in minuti) per la preparazione di nanocarta (corrispondente al campione CNF(1)LA).
100 J/ml di energia di sonicazione corrispondono a 100 secondi di sonicazione, ecc.
(Studio e immagine: ©Sethi et al., 2018)

Applicazioni di processo aggiuntive

Oltre che per il trattamento delle fibre e dell'acqua, gli ultrasuoni vengono utilizzati per omogeneizzare e disperdere gli impasti e gli additivi della carta. L'omogeneizzazione a ultrasuoni assicura una distribuzione uniforme di cariche, pigmenti, polimeri e additivi funzionali, migliorando l'efficienza chimica e la consistenza del prodotto. Gli ultrasuoni vengono applicati anche nei processi di spruzzatura e rivestimento, dove gli ugelli a ultrasuoni generano gocce fini e uniformi per un'applicazione precisa di rivestimenti, agenti apprettanti o strati funzionali sulle superfici della carta.

Integrazione in linea e implementazione industriale

Un vantaggio fondamentale della tecnologia a ultrasuoni è che la maggior parte delle applicazioni può essere implementata in linea, consentendo alle cartiere di inserire i reattori a ultrasuoni nei circuiti di processo esistenti senza dover effettuare una riprogettazione approfondita. I sistemi a ultrasuoni a flusso passante possono essere scalati linearmente e adattati a consistenze, portate e obiettivi di processo specifici.
Con un'adeguata selezione e integrazione del sistema, gli ultrasuoni di potenza diventano uno strumento flessibile di intensificazione del processo piuttosto che un trattamento a sé stante. I fornitori di apparecchiature come Hielscher Ultrasonics supportano le cartiere nella scelta e nella configurazione di sistemi a ultrasuoni di livello industriale, adatti alle sfide specifiche della produzione o del riciclaggio della carta.

Migliorare la qualità della carta e ridurre i costi

Dal miglioramento dello sviluppo e della dispersione delle fibre alla possibilità di un riciclaggio più pulito e di un funzionamento più stabile del wet end, gli ultrasuoni di potenza offrono un'ampia gamma di applicazioni nelle cartiere. La sua capacità di migliorare i processi fisici e chimici, riducendo al contempo il consumo di energia, acqua e sostanze chimiche, rende gli ultrasuoni una tecnologia sempre più interessante sia per le nuove installazioni che per i retrofit. Poiché la sostenibilità e l'efficienza continuano a influenzare l'industria cartaria, il processo a ultrasuoni si posiziona come una soluzione pratica e scalabile per la moderna produzione di carta.

La tabella seguente fornisce un'indicazione della capacità di lavorazione approssimativa dei nostri ultrasonori:

Progettazione, produzione e consulenza – Qualità Made in Germany

Gli ultrasuoni Hielscher sono noti per i loro elevati standard di qualità e design. La robustezza e la facilità d'uso consentono un'agevole integrazione dei nostri ultrasuoni negli impianti industriali. Gli ultrasuonatori Hielscher sono in grado di gestire facilmente condizioni difficili e ambienti impegnativi.

Hielscher Ultrasonics è un'azienda certificata ISO e pone particolare enfasi sugli ultrasuonatori ad alte prestazioni, caratterizzati da tecnologia all'avanguardia e facilità d'uso. Naturalmente, gli ultrasuoni Hielscher sono conformi alla normativa CE e soddisfano i requisiti UL, CSA e RoH.