製紙における超音波

パワー超音波は、近代的な製紙工場において、汎用性が高くエネルギー効率の高いプロセス技術として登場した。液体やスラリー系に高強度の超音波を導入することで、製紙工場はキャビテーション効果（微細な気泡の形成と崩壊）を利用することができる。 – は、混合、物質移動、繊維の改質、汚染物質の除去を改善します。バージン繊維の生産と古紙処理の両方が、エネルギー使用量、水消費量、化学薬品需要の削減というプレッシャーの増大に直面している中、超音波技術は、インラインでレトロフィット可能な説得力のある一連のソリューションを提供します。

製紙における超音波

製紙業界では、在庫の品質、繊維の性能、工程の安定性を向上させるために、主に超音波システムが使用されている。重要な用途の一つは、パルプ懸濁液の脱気です。ストック中に巻き込まれた空気は、ウォーターマーク、ストリーク、形成不良の原因となり、紙の品質を直接低下させます。超音波脱気は、パルプスラリーから溶存ガスや巻き込みガスを効率的に除去し、ウェットエンドを安定させ、化学薬品を追加することなく外観不良を防ぐのに役立ちます。
もう1つの主な用途は、線維形成の促進である。パワー超音波は、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ることで、パルプ繊維の外部および内部のフィブリル化を促進する。これにより、従来の叩解および精製段階を部分的に置き換えたり、強化したりすることができる。機械的な精錬のみと比較して、超音波処理は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達成することができます。重要なのは、超音波が過剰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ある。超音波エネルギーはまた、酸化処理や漂白処理など、繊維の改質に関連する化学反応を補助し、反応効率と均一性を向上させることができます。

超音波は、木材チップをパルプに分解する際や、古紙を再パルプ化する際に、パルプの分解をさらに促進します。キャビテーションは繊維の分離を促進し、繊維、フィラー、インク、コーティング剤間の結合を緩め、パルプ化効率を向上させ、処理時間を短縮します。

ウェット・エンドでのソニケーション

製紙業界では、ウェットエンドの性能向上は、添加剤の添加量を増やすことよりも、化学薬品の利用効率を高めることの方が重要であるとの認識が高まっている。その結果、ストック添加前のウェットエンド添加剤の制御された活性化と均質化のための高度なプロセス技術として、超音波分散が注目を集めている。ハイパワー超音波は、キャビテーションによるせん断力を発生させ、粒子を凝集させ、インラインのプロセスストリームにおけるポリマー、フィラー、エマルションの均一な分散を促進する。この強化された分散により、化学薬品と繊維の相互作用がより予測しやすくなり、保持とシート形成が改善され、プロセスの安定性が向上すると同時に、全体的な化学薬品需要とエネルギー消費が削減されます。超音波分散は、その直線的なスケーラビリティと、Hielscher Ultrasonics社の工業グレードのソニケーターシステムを利用できることから、技術的に堅牢で経済的に実行可能なウェットエンドの最適化戦略として、実験室規模の研究から本格的な導入へと進展しています。

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は、こちらをご覧ください！

紙リサイクルにおける超音波

リサイクル用途では、パワー超音波は回収繊維処理における最も根強い課題のいくつかに対処します。重要な用途の一つは、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、ラッカー残渣を剥離するのに役立ちます。脱インキ作業では、超音波がインク粒子の剥離と分散を促進し、浮遊や洗浄の効率を向上させ、化学薬品の投入を減らしてより高い輝度レベルを可能にします。
超音波は、ホワイトウォーター・システムの微生物減少にも貢献している。微生物細胞とバイオフィルムを機械的に破壊することで、超音波処理は殺生物剤だけに頼ることなく微生物負荷を低下させることができる。これは、よりクリーンなプロセス水のループをサポートし、臭気、スライム形成、生物付着のリスクを低減することができます。
リサイクル関連のもう一つの重要な用途は脱水である。超音波エネルギーは、繊維ネットワークを修正し、結合水を減少させることにより、繊維懸濁液の排水特性を改善することができる。脱水を促進することで、プレスとワイヤーの効率を高め、その後の乾燥段階での熱エネルギー需要を低減することができる。
 

ナノペーパー（CNF(1)LAサンプルに対応）の調製における超音波エネルギーと水切り時間（分）。
100J/mlの超音波処理エネルギーは、100秒の超音波処理に相当する。
(研究・画像：©Sethi et al, 2018）

追加プロセス・アプリケーション

繊維や水処理だけでなく、パワー超音波は製紙スラリーや添加剤の均質化や分散にも使用されます。超音波による均質化によって、充填剤、顔料、ポリマー、機能性添加剤の均一な分布が保証され、化学的効率と製品の一貫性が向上します。超音波はスプレーやコーティングのプロセスにも応用され、超音波ノズルが微細で均一な液滴を生成し、紙の表面にコーティング剤、サイズ剤、機能層を正確に塗布します。

インライン統合と産業用実装

超音波技術の主な利点は、ほとんどのアプリケーションをインラインで実施できることで、工場は大規模な再設計をすることなく、既存のプロセスループに超音波リアクターを後付けすることができる。フロースルー超音波システムは、リニアにスケールアップすることができ、特定のコンシステンシー、流量、プロセス目的に適合させることができる。
適切なシステムの選択と統合により、パワー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る。Hielscher Ultrasonics社のような装置サプライヤーは、製紙やリサイクルの特定の課題に合わせた産業グレードの超音波システムの選択と構成において、工場をサポートしています。

紙の品質向上とコスト削減

繊維の発達や分散の改善から、よりクリーンなリサイクルやより安定したウェットエンド運転の実現まで、パワー超音波は製紙工場において幅広い用途を提供します。エネルギー、水、化学薬品の消費量を削減しながら、物理的・化学的プロセスを強化できる超音波は、新設・改修のいずれにおいても、ますます魅力的な技術となっています。持続可能性と効率性が製紙業界を形成し続ける中、超音波処理は現代の製紙業にとって実用的でスケーラブルなソリューションとして位置づけられている。

下の表は、超音波処理装置の処理能力の目安です：

デザイン、製造、コンサルティング – 品質 ドイツ製

Hielscher社の超音波装置は、その最高の品質と設計基準でよく知られています。頑丈で操作が簡単なため、産業設備にスムーズに組み込むことができます。過酷な条件や厳しい環境でも、Hielscherの超音波装置は容易に対応できます。

Hielscher Ultrasonics社は、ISO認証取得企業であり、最先端の技術と使いやすさを特徴とする高性能超音波振動子に特に重点を置いています。もちろん、Hielscherの超音波装置はCEに準拠しており、UL、CSA、RoHsの要件を満たしています。