Ultrasuoni nella produzione della carta

Gli ultrasuoni di potenza si sono affermati come una tecnologia di processo versatile ed efficiente dal punto di vista energetico nelle cartiere moderne. Introducendo onde ultrasoniche ad alta intensità nei sistemi contenenti liquidi o sospensioni, le cartiere possono sfruttare gli effetti della cavitazione – formazione e 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 sia il trattamento della carta riciclata sono sottoposti a pressioni crescenti per ridurre l’impiego di energia, il consumo di acqua e il fabbisogno di sostanze chimiche, la tecnologia a ultrasuoni offre un insieme interessante di soluzioni in linea, pronte per essere integrate negli impianti esistenti.

Ultrasuoni nella produzione della carta

Nella produzione della carta, i sistemi a ultrasuoni vengono impiegati 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 inglobata nell’impasto può causare macchie d’acqua, striature e difetti di formazione che riducono direttamente la qualità della carta. Il degasaggio a ultrasuoni rimuove efficacemente i gas disciolti e inglobati nelle sospensioni di pasta, stabilizzando la parte umida della macchina continua e contribuendo a prevenire i difetti visivi senza ulteriori sostanze chimiche.
Un’altra applicazione importante è il miglioramento della fibrillazione delle fibre. Gli ultrasuoni di potenza favoriscono la fibrillazione esterna e interna delle fibre della pasta generando intense forze di taglio localizzate mediante la cavitazione. Ciò può sostituire parzialmente o potenziare le fasi convenzionali di battitura e raffinazione. Rispetto alla sola raffinazione meccanica, il trattamento a ultrasuoni può ottenere uno sviluppo delle fibre equivalente o migliore, consumando meno energia. È importante sottolineare che la resistenza delle fibre viene mantenuta e, in alcuni casi, migliorata, perché gli ultrasuoni favoriscono una fibrillazione controllata anziché un taglio eccessivo delle fibre. L’energia ultrasonica può inoltre agevolare 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 disgregazione della pasta, sia durante la trasformazione dei trucioli di legno in pasta sia durante lo spappolamento della carta da macero. La cavitazione accelera la separazione delle fibre e indebolisce i legami tra fibre, cariche, inchiostri e rivestimenti, migliorando l’efficienza dello spappolamento e riducendo i tempi di trattamento.

Sonicazione nella parte umida della macchina continua

Nella produzione della carta si riconosce sempre più che i miglioramenti delle prestazioni della parte umida della macchina continua dipendono maggiormente dall’efficienza di utilizzo delle sostanze chimiche che dall’aumento dei dosaggi degli additivi. Di conseguenza, la dispersione a ultrasuoni sta suscitando interesse come tecnologia di processo avanzata per l’attivazione e l’omogeneizzazione controllate degli additivi destinati alla parte umida prima della loro aggiunta all’impasto. Gli ultrasuoni ad alta potenza generano forze di taglio indotte dalla cavitazione che deagglomerano le particelle e favoriscono la dispersione uniforme di polimeri, cariche ed emulsioni nei flussi di processo in linea. Questa migliore dispersione rende più prevedibili le interazioni tra sostanze chimiche e fibre, migliora la ritenzione e la formazione del foglio e aumenta la stabilità del processo, riducendo al contempo il fabbisogno complessivo di sostanze chimiche e il consumo energetico. Grazie alla scalabilità lineare e alla disponibilità di sistemi di sonicazione di livello industriale di Hielscher Ultrasonics, la dispersione a ultrasuoni è passata dagli studi su scala di laboratorio all’implementazione su scala industriale come strategia tecnicamente solida ed economicamente sostenibile per l’ottimizzazione della parte umida della macchina continua.

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Ultrasuoni nel riciclo della carta

Nelle applicazioni di riciclo, gli ultrasuoni di potenza affrontano alcune delle problematiche più persistenti nel trattamento delle fibre recuperate. Un impiego fondamentale è la pulizia delle fibre e la rimozione dei contaminanti. La cavitazione ultrasonica contribuisce a distaccare sporco, oli, inchiostri da stampa, coloranti e residui di vernice dalle superfici delle fibre. Nelle operazioni di disinchiostrazione, gli ultrasuoni migliorano il distacco e la dispersione delle particelle di inchiostro, aumentando l’efficienza della flottazione o del lavaggio e consentendo di ottenere un maggiore grado di bianco con un minore impiego di sostanze chimiche.
Gli ultrasuoni contribuiscono inoltre alla riduzione microbica nei sistemi delle acque bianche. Attraverso la disgregazione meccanica delle cellule microbiche e dei biofilm, il trattamento a ultrasuoni può ridurre la carica microbica senza affidarsi esclusivamente ai biocidi. Ciò favorisce circuiti dell’acqua di processo più puliti e può ridurre gli odori, la formazione di mucillagini e i rischi di incrostazioni biologiche.
Un’altra importante applicazione legata al riciclo è la disidratazione. L’energia ultrasonica può migliorare le caratteristiche di drenaggio delle sospensioni fibrose modificando le reti di fibre e riducendo l’acqua legata. Una migliore disidratazione può aumentare l’efficienza delle presse e della tela di formazione, riducendo il fabbisogno di energia termica nelle successive fasi di essiccazione.
 

Energia di sonicazione in funzione del 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)

Ulteriori applicazioni di processo

Oltre al trattamento delle fibre e dell’acqua, gli ultrasuoni di potenza vengono utilizzati per omogeneizzare e disperdere gli impasti cartari e gli additivi. L’omogeneizzazione a ultrasuoni garantisce una distribuzione uniforme di cariche, pigmenti, polimeri e additivi funzionali, migliorando l’efficienza delle sostanze chimiche e l’uniformità del prodotto. Gli ultrasuoni vengono impiegati anche nei processi di spruzzatura e rivestimento, nei quali gli ugelli a ultrasuoni generano goccioline fini e uniformi per l’applicazione precisa di rivestimenti, agenti di collatura 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 integrare reattori a ultrasuoni nei circuiti di processo esistenti senza importanti interventi di riprogettazione. I sistemi a ultrasuoni a flusso continuo possono essere scalati linearmente e adattati a specifiche consistenze dell’impasto, portate e obiettivi di processo.
Con una corretta selezione e integrazione del sistema, gli ultrasuoni di potenza diventano uno strumento flessibile di intensificazione del processo anziché un trattamento a sé stante. Fornitori di apparecchiature come Hielscher Ultrasonics supportano le cartiere nella selezione e nella configurazione di sistemi a ultrasuoni di livello industriale, adattati alle specifiche problematiche della produzione o del riciclo della carta.

Migliorare la qualità della carta e ridurre i costi

Dal miglioramento dello sviluppo e della dispersione delle fibre alla possibilità di ottenere un riciclo più pulito e un funzionamento più stabile della parte umida della macchina continua, gli ultrasuoni di potenza offrono un’ampia gamma di applicazioni nelle cartiere. La loro 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 i nuovi impianti sia per l’ammodernamento di quelli esistenti. Poiché la sostenibilità e l’efficienza continuano a orientare l’industria cartaria, il trattamento a ultrasuoni si propone come una soluzione pratica e scalabile per la moderna produzione della carta.

La tabella seguente fornisce un’indicazione della capacità di trattamento approssimativa dei nostri sonicatori:

Progettazione, produzione e consulenza – Qualità Made in Germany

I sonicatori Hielscher sono rinomati per i loro elevatissimi standard di qualità e progettazione. La robustezza e la facilità d’uso consentono una semplice integrazione dei nostri sonicatori negli impianti industriali. I sonicatori Hielscher affrontano agevolmente condizioni difficili e ambienti impegnativi.

Hielscher Ultrasonics è un’azienda certificata ISO e pone particolare attenzione ai sonicatori ad alte prestazioni dotati di tecnologia all’avanguardia e caratterizzati dalla facilità d’uso. Naturalmente, i sonicatori Hielscher sono conformi alla marcatura CE e soddisfano i requisiti UL, CSA e RoHs.