製紙における超音波

高出力超音波は、現代の製紙工場において、汎用性とエネルギー効率に優れたプロセス技術として台頭しています。液体やスラリーの系に高強度の超音波を導入することで、工場はキャビテーション効果 – 微細な気泡の形成と崩壊 – を活用し、混合、物質移動、繊維改質、汚染物質の除去を改善できます。バージン繊維の製造と古紙処理の両方で、エネルギー使用量、水消費量、薬品必要量の削減を求める圧力が高まる中、超音波技術は、既存設備への追加導入に対応した魅力的なインラインソリューションを提供します。

製紙における超音波

製紙では、超音波システムは主に紙料の品質、繊維の性能、プロセスの安定性を改善するために使用されます。重要な用途の一つが、パルプ懸濁液の脱気です。紙料に混入した空気は、水斑、筋、地合の欠陥を引き起こし、紙の品質を直接低下させることがあります。超音波脱気は、パルプスラリーに溶解または混入したガスを効率的に除去し、ウェットエンドを安定させるとともに、薬品を追加せずに外観上の欠陥を防ぐのに役立ちます。
もう一つの主要な用途は、繊維のフィブリル化の促進です。高出力超音波は、キャビテーションによって局所的に強いせん断力を発生させ、パルプ繊維の外部および内部フィブリル化を促進します。これにより、従来の叩解・リファイニング工程を部分的に代替、または強化できます。機械的なリファイニングのみの場合と比べ、超音波処理は、より少ないエネルギー消費で同等またはそれ以上の繊維発達を実現できます。特に重要なのは、超音波が過度な繊維切断ではなく、制御されたフィブリル化を促進するため、繊維強度が維持され、場合によっては向上することです。超音波エネルギーは、酸化や漂白など、繊維改質に関連する化学反応を補助し、反応効率と均一性を改善することもできます。

超音波は、木材チップをパルプに分解する工程や、回収古紙を再パルプ化する工程において、パルプの離解をさらに支援できます。キャビテーションは繊維の分離を加速し、繊維、填料、インク、塗工層の間の結合を緩めることで、パルプ化の効率を改善し、処理時間を短縮します。

ウェットエンドにおける超音波処理

製紙現場では、ウェットエンドの性能向上は、添加剤の投入量を増やすことよりも、薬品の利用効率を高めることによってもたらされるという認識が広がっています。その結果、超音波分散は、ウェットエンド添加剤を紙料に添加する前に、制御された条件下で活性化・均質化する先進的なプロセス技術として注目されています。高出力超音波は、キャビテーションに起因するせん断力を発生させ、粒子を解凝集するとともに、インラインのプロセス流中でポリマー、填料、エマルションの均一な分散を促進します。この分散の改善により、薬品と繊維の相互作用がより予測しやすくなり、歩留まりと地合が向上し、プロセスの安定性が高まると同時に、薬品の総必要量とエネルギー消費量が減少します。線形にスケールアップできること、およびHielscher Ultrasonicsが産業用超音波処理システムを提供していることにより、超音波分散は、技術的に堅牢で経済的に実行可能なウェットエンド最適化戦略として、実験室規模の研究から実規模での導入へと発展しています。

製紙工場のウェットエンドにおける超音波分散の利点について、詳しくお読みください！

古紙リサイクルにおける超音波

リサイクル用途では、高出力超音波は、回収繊維の処理における特に解決が難しい課題の一部に対応します。主な用途の一つは、繊維の洗浄と汚染物質の除去です。超音波キャビテーションは、繊維表面から汚れ、油、印刷インク、着色剤、ラッカー残留物を剥離するのに役立ちます。脱墨工程では、超音波がインク粒子の剥離と分散を促進し、浮選や洗浄の効率を改善することで、薬品投入量を減らしながら、より高い白色度を実現できます。
超音波は、白水系の微生物の低減にも寄与します。微生物の細胞やバイオフィルムを機械的に破砕することで、超音波処理は殺生物剤だけに頼らずに微生物負荷を低下させることができます。これにより、より清浄なプロセス水循環系を維持でき、臭気、スライム形成、生物付着のリスクを低減できます。
リサイクルに関連するもう一つの重要な用途は脱水です。超音波エネルギーは、繊維ネットワークを変化させ、結合水を減らすことで、繊維懸濁液の排水特性を改善できます。脱水の改善により、プレスとワイヤーの効率が向上し、その後の乾燥工程で必要な熱エネルギーを低減できます。
 

ナノペーパー作製における超音波処理エネルギーと排水時間（分）の関係（CNF(1)LA試料に対応）。
100 J/mlの超音波処理エネルギーは100秒間の超音波処理に相当し、その他も同様です。
（研究および画像：©Sethi et al., 2018）

その他のプロセス用途

繊維や水の処理に加え、高出力超音波は製紙用スラリーや添加剤の均質化・分散にも使用されます。超音波均質化は、填料、顔料、ポリマー、機能性添加剤の均一な分布を確保し、薬品の効率と製品の一貫性を改善します。超音波は噴霧や塗工の工程にも使用され、超音波ノズルが微細で均一な液滴を生成することで、紙の表面に塗工剤、サイズ剤、機能層を精密に塗布します。

インライン組み込みと産業規模での導入

超音波技術の主な利点は、ほとんどの用途をインラインで実施できることです。これにより、工場は大幅な設計変更を行うことなく、既存のプロセス循環系に超音波リアクターを追加導入できます。フロー式超音波システムは線形にスケールアップでき、特定の紙料濃度、流量、プロセス目標に合わせて調整できます。
システムを適切に選定して組み込むことで、高出力超音波は単独の処理ではなく、柔軟なプロセス強化ツールとなります。Hielscher Ultrasonicsなどの機器供給企業は、製紙やリサイクルにおける具体的な課題に合わせた産業用超音波システムの選定と構成において、工場を支援します。

紙の品質を向上させ、コストを削減

繊維発達や分散の改善から、より清浄なリサイクルと、より安定したウェットエンドの操業の実現まで、高出力超音波は製紙工場で幅広い用途を提供します。エネルギー、水、薬品の消費量を減らしながら、物理的・化学的プロセスを強化できるため、超音波は新規設備と既存設備への追加導入の両方で、ますます魅力的な技術になっています。持続可能性と効率が引き続き製紙産業のあり方を形づくる中、超音波処理は現代の製紙に向けた実用的でスケールアップ可能なソリューションとして位置づけられています。

以下の表は、当社の超音波処理装置のおおよその処理能力の目安を示しています。

設計、製造、コンサルティング – ドイツ製の品質

Hielscherの超音波処理装置は、最高水準の品質と設計基準で広く知られています。堅牢性と操作の容易さにより、当社の超音波処理装置を産業設備に円滑に組み込むことができます。Hielscherの超音波処理装置は、過酷な条件や厳しい環境にも容易に対応します。

Hielscher UltrasonicsはISO認証企業であり、最先端の技術と使いやすさを備えた高性能超音波処理装置に特に重点を置いています。もちろん、Hielscherの超音波処理装置はCEに適合し、UL、CSA、RoHsの要件を満たしています。