Ultradźwięki w produkcji papieru

Ultradźwięki dużej mocy stały się wszechstronną i energooszczędną technologią procesową w nowoczesnych papierniach. Wprowadzając fale ultradźwiękowe o dużym natężeniu do układów zawierających ciecze lub zawiesiny, papiernie mogą wykorzystywać efekty kawitacji – powstawanie i zapadanie się mikroskopijnych pęcherzyków – w celu usprawnienia mieszania, przenoszenia masy, modyfikacji włókien i usuwania zanieczyszczeń. Ponieważ zarówno produkcja włókien pierwotnych, jak i przetwarzanie makulatury podlegają rosnącej presji na ograniczanie zużycia energii, wody i środków chemicznych, technologia ultradźwiękowa oferuje atrakcyjny zestaw rozwiązań do pracy w linii procesowej, gotowych do integracji z istniejącymi instalacjami.

Ultradźwięki w produkcji papieru

W produkcji papieru systemy ultradźwiękowe stosuje się przede wszystkim w celu poprawy jakości masy papierniczej, właściwości użytkowych włókien i stabilności procesu. Jednym z ważnych zastosowań jest odgazowywanie zawiesin masy włóknistej. Powietrze uwięzione w masie papierniczej może powodować ślady wodne, smugi i wady formowania, które bezpośrednio obniżają jakość papieru. Odgazowywanie ultradźwiękowe skutecznie usuwa rozpuszczone i uwięzione gazy z zawiesin masy włóknistej, stabilizując część mokrą maszyny papierniczej i pomagając zapobiegać wadom wizualnym bez dodatkowych środków chemicznych.
Innym ważnym zastosowaniem jest intensyfikacja fibrylacji włókien. Ultradźwięki dużej mocy sprzyjają zewnętrznej i wewnętrznej fibrylacji włókien masy papierniczej, wytwarzając poprzez kawitację silne, miejscowe siły ścinające. Może to częściowo zastąpić lub usprawnić konwencjonalne etapy mielenia i rafinacji. W porównaniu z samą rafinacją mechaniczną obróbka ultradźwiękowa może zapewnić podobny lub lepszy stopień rozwinięcia struktury włókien przy mniejszym zużyciu energii. Co istotne, wytrzymałość włókien zostaje zachowana, a w niektórych przypadkach poprawiona, ponieważ ultradźwięki sprzyjają kontrolowanej fibrylacji zamiast nadmiernemu cięciu włókien. Energia ultradźwiękowa może również wspomagać reakcje chemiczne związane z modyfikacją włókien, takie jak procesy utleniania lub bielenia, poprawiając wydajność i równomierność reakcji.

Ultradźwięki mogą dodatkowo wspomagać rozwłóknianie masy papierniczej, zarówno podczas przetwarzania zrębków drzewnych na masę włóknistą, jak i podczas ponownego rozwłókniania makulatury. Kawitacja przyspiesza rozdzielanie włókien i osłabia wiązania między włóknami, wypełniaczami, farbami drukarskimi i powłokami, poprawiając wydajność rozwłókniania i skracając czas przetwarzania.

Sonikacja w części mokrej

W zakładach produkujących papier coraz częściej dostrzega się, że poprawa działania części mokrej wynika w większym stopniu z efektywnego wykorzystania środków chemicznych niż z większych dawek dodatków. W rezultacie dyspergowanie ultradźwiękowe zyskuje zainteresowanie jako zaawansowana technologia procesowa do kontrolowanej aktywacji i homogenizacji dodatków stosowanych w części mokrej przed ich wprowadzeniem do masy papierniczej. Ultradźwięki dużej mocy wytwarzają wywołane kawitacją siły ścinające, które powodują deaglomerację cząstek i sprzyjają równomiernemu rozproszeniu polimerów, wypełniaczy i emulsji w strumieniach przepływających przez linię procesową. Takie lepsze rozproszenie prowadzi do bardziej przewidywalnych oddziaływań między środkami chemicznymi a włóknami, poprawy retencji i formowania arkusza oraz zwiększenia stabilności procesu, jednocześnie zmniejszając całkowite zapotrzebowanie na środki chemiczne i zużycie energii. Dzięki liniowej skalowalności i dostępności przemysłowych systemów sonikatorów firmy Hielscher Ultrasonics dyspergowanie ultradźwiękowe przeszło od badań laboratoryjnych do wdrożeń w pełnej skali jako technicznie niezawodna i ekonomicznie opłacalna strategia optymalizacji części mokrej.

Dowiedz się więcej o zaletach dyspergowania ultradźwiękowego w części mokrej papierni!

Ultradźwięki w recyklingu papieru

W zastosowaniach związanych z recyklingiem ultradźwięki dużej mocy pomagają rozwiązywać niektóre z najbardziej uporczywych problemów przetwarzania włókien odzyskanych. Jednym z kluczowych zastosowań jest oczyszczanie włókien i usuwanie zanieczyszczeń. Kawitacja ultradźwiękowa pomaga odrywać brud, oleje, farby drukarskie, barwniki i pozostałości lakierów od powierzchni włókien. W procesach odbarwiania makulatury ultradźwięki intensyfikują odrywanie i dyspergowanie cząstek farb drukarskich, poprawiając wydajność flotacji lub płukania i umożliwiając uzyskanie wyższego stopnia białości przy mniejszym zużyciu środków chemicznych.
Ultradźwięki przyczyniają się również do ograniczenia liczby drobnoustrojów w układach wody podsitowej. Poprzez mechaniczne rozbijanie komórek drobnoustrojów i biofilmów obróbka ultradźwiękowa może zmniejszyć obciążenie mikrobiologiczne bez polegania wyłącznie na biocydach. Sprzyja to utrzymaniu czystszych obiegów wody procesowej i może ograniczać nieprzyjemne zapachy, powstawanie śluzu i ryzyko zanieczyszczenia biologicznego instalacji.
Innym ważnym zastosowaniem związanym z recyklingiem jest odwadnianie. Energia ultradźwiękowa może poprawić właściwości odwadniające zawiesin włókien poprzez modyfikację sieci włóknistych i zmniejszenie ilości wody związanej. Usprawnione odwadnianie może zwiększyć wydajność pras i sit, zmniejszając zapotrzebowanie na energię cieplną w kolejnych etapach suszenia.
 

Energia sonikacji w zależności od czasu odwadniania (w minutach) podczas przygotowywania nanopapieru (dla próbki CNF(1)LA).
Energia sonikacji wynosząca 100 J/ml odpowiada 100 sekundom sonikacji itd.
(Badanie i ilustracja: ©Sethi et al., 2018)

Dodatkowe zastosowania procesowe

Poza obróbką włókien i wody ultradźwięki dużej mocy stosuje się do homogenizacji i dyspergowania zawiesin masy papierniczej oraz dodatków. Homogenizacja ultradźwiękowa zapewnia równomierne rozmieszczenie wypełniaczy, pigmentów, polimerów i dodatków funkcjonalnych, poprawiając efektywność wykorzystania środków chemicznych i jednorodność produktu. Ultradźwięki stosuje się również w procesach natryskiwania i powlekania, w których dysze ultradźwiękowe wytwarzają drobne, równomierne krople do precyzyjnego nanoszenia powłok, środków zaklejających lub warstw funkcjonalnych na powierzchnie papieru.

Integracja z linią procesową i wdrożenie przemysłowe

Kluczową zaletą technologii ultradźwiękowej jest możliwość wdrożenia większości zastosowań bezpośrednio w linii procesowej, co pozwala papierniom włączać reaktory ultradźwiękowe do istniejących obiegów procesowych bez istotnych zmian projektowych. Przepływowe systemy ultradźwiękowe można skalować liniowo i dostosowywać do określonych stężeń masy, natężeń przepływu i celów procesowych.
Przy odpowiednim doborze i integracji systemu ultradźwięki dużej mocy stają się elastycznym narzędziem intensyfikacji procesów, a nie odrębną metodą obróbki. Dostawcy urządzeń, tacy jak Hielscher Ultrasonics, wspierają papiernie w doborze i konfiguracji przemysłowych systemów ultradźwiękowych dostosowanych do konkretnych wyzwań związanych z produkcją lub recyklingiem papieru.

Popraw jakość papieru i obniż koszty

Od poprawy rozwinięcia struktury włókien i ich rozproszenia po umożliwienie czystszego recyklingu i stabilniejszej pracy części mokrej – ultradźwięki dużej mocy oferują szeroki zakres zastosowań w papierniach. Zdolność ultradźwięków do usprawniania procesów fizycznych i chemicznych przy jednoczesnym ograniczaniu zużycia energii, wody i środków chemicznych sprawia, że stają się one coraz bardziej atrakcyjną technologią zarówno dla nowych instalacji, jak i modernizacji. Ponieważ zrównoważony rozwój i efektywność nadal kształtują przemysł papierniczy, obróbka ultradźwiękowa zajmuje pozycję praktycznego i skalowalnego rozwiązania dla nowoczesnej produkcji papieru.

Poniższa tabela przedstawia orientacyjną wydajność przetwarzania naszych sonikatorów:

Projektowanie, produkcja i doradztwo – jakość wyprodukowana w Niemczech

Sonikatory Hielscher są dobrze znane z najwyższych standardów jakości i projektowania. Wytrzymałość i łatwa obsługa pozwalają na bezproblemową integrację naszych sonikatorów z instalacjami przemysłowymi. Sonikatory Hielscher z łatwością radzą sobie z trudnymi warunkami i wymagającym środowiskiem pracy.

Hielscher Ultrasonics jest firmą z certyfikatem ISO i kładzie szczególny nacisk na sonikatory o wysokiej wydajności, wyposażone w najnowocześniejszą technologię i przyjazne dla użytkownika. Oczywiście sonikatory Hielscher są zgodne z wymaganiami CE i spełniają wymagania UL, CSA i RoHs.