Ultradźwięki w produkcji papieru

Ultradźwięki pojawiły się jako wszechstronna i energooszczędna technologia procesowa w nowoczesnych papierniach. Wprowadzając fale ultradźwiękowe o wysokiej intensywności do układów cieczy lub zawiesiny, młyny mogą wykorzystywać efekty kawitacji - mikroskopijne tworzenie się i zapadanie pęcherzyków. – w celu poprawy mieszania, transferu masy, modyfikacji włókien i usuwania zanieczyszczeń. Ponieważ zarówno produkcja włókien pierwotnych, jak i przetwarzanie papieru z recyklingu stoją w obliczu rosnącej presji na zmniejszenie zużycia energii, wody i zapotrzebowania na chemikalia, technologia ultradźwiękowa oferuje atrakcyjny zestaw rozwiązań gotowych do modernizacji.

Ultradźwięki w produkcji papieru

W produkcji papieru systemy ultradźwiękowe są stosowane głównie w celu poprawy jakości masy, wydajności włókien i stabilności procesu. Jednym z ważnych zastosowań jest odgazowywanie zawiesin masy papierniczej. Powietrze uwięzione w masie może powodować znaki wodne, smugi i wady formowania, które bezpośrednio obniżają jakość papieru. Odgazowanie ultradźwiękowe skutecznie usuwa rozpuszczone i porwane gazy z zawiesin masy celulozowej, stabilizując mokry koniec i pomagając zapobiegać wadom wizualnym bez dodatkowych chemikaliów.
Innym ważnym zastosowaniem jest wzmocnienie fibrylacji włókien. Ultradźwięki mocy promują zewnętrzną i wewnętrzną fibrylację włókien miazgi poprzez generowanie intensywnych zlokalizowanych sił ścinających poprzez kawitację. Może to częściowo zastąpić lub wzmocnić konwencjonalne etapy ubijania i rafinacji. W porównaniu z samą rafinacją mechaniczną, obróbka ultradźwiękowa może osiągnąć podobny lub lepszy rozwój włókien przy mniejszym zużyciu energii. Co ważne, wytrzymałość włókien jest utrzymywana, a w niektórych przypadkach poprawiana, ponieważ ultradźwięki sprzyjają kontrolowanej fibrylacji, a nie nadmiernemu cięciu włókien. Energia ultradźwiękowa może również wspomagać reakcje chemiczne związane z modyfikacją włókien, takie jak procesy utleniania lub wybielania, poprawiając wydajność i jednorodność reakcji.

Ultradźwięki mogą dodatkowo wspomagać dezintegrację masy celulozowej, zarówno podczas rozkładu wiórów drzewnych na masę celulozową, jak i podczas repulpacji makulatury. Kawitacja przyspiesza separację włókien i rozluźnia wiązania między włóknami, wypełniaczami, farbami i powłokami, poprawiając wydajność roztwarzania i skracając czas przetwarzania.

Sonikacja w części mokrej

Operacje papiernicze coraz częściej zdają sobie sprawę, że poprawa wydajności mokrego końca jest napędzana bardziej przez efektywność wykorzystania chemikaliów niż przez wyższe dawki dodatków. W rezultacie dyspersja ultradźwiękowa zyskuje na popularności jako zaawansowana technologia procesowa do kontrolowanej aktywacji i homogenizacji dodatków do mokrego końca przed dodaniem masy. Ultradźwięki o dużej mocy generują wywołane kawitacją siły ścinające, które deaglomerują cząstki i promują równomierną dyspersję polimerów, wypełniaczy i emulsji w strumieniach procesowych inline. Ta ulepszona dyspersja prowadzi do bardziej przewidywalnych interakcji chemiczno-włóknistych, lepszej retencji i tworzenia arkuszy oraz zwiększonej stabilności procesu, przy jednoczesnym zmniejszeniu ogólnego zapotrzebowania na chemikalia i zużycia energii. Dzięki liniowej skalowalności i dostępności systemów sonikatorów klasy przemysłowej firmy Hielscher Ultrasonics, dyspersja ultradźwiękowa przeszła od badań w skali laboratoryjnej do wdrożenia na pełną skalę jako technicznie solidna i ekonomicznie opłacalna strategia optymalizacji mokrego końca.

Przeczytaj więcej o zaletach dyspersji ultradźwiękowej w mokrym końcu papierni!

Ultradźwięki w recyklingu papieru

W zastosowaniach recyklingowych ultradźwięki mocy rozwiązują niektóre z najbardziej uporczywych wyzwań w przetwarzaniu odzyskanych włókien. Jednym z kluczowych zastosowań jest czyszczenie włókien i usuwanie zanieczyszczeń. Kawitacja ultradźwiękowa pomaga usunąć brud, oleje, farby drukarskie, barwniki i pozostałości lakieru z powierzchni włókien. W operacjach odbarwiania ultradźwięki zwiększają odrywanie i dyspersję cząstek atramentu, poprawiając wydajność flotacji lub mycia i umożliwiając wyższy poziom jasności przy zmniejszonym wkładzie chemicznym.
Ultradźwięki przyczyniają się również do redukcji drobnoustrojów w systemach whitewater. Poprzez mechaniczne rozbijanie komórek drobnoustrojów i biofilmów, obróbka ultradźwiękowa może obniżyć obciążenie mikrobiologiczne bez polegania wyłącznie na biocydach. Wspiera to czystsze pętle wody procesowej i może zmniejszyć nieprzyjemny zapach, tworzenie się szlamu i ryzyko biofoulingu.
Innym ważnym zastosowaniem związanym z recyklingiem jest odwadnianie. Energia ultradźwiękowa może poprawić charakterystykę odwadniania zawiesin włókien poprzez modyfikację sieci włókien i redukcję związanej wody. Ulepszone odwadnianie może zwiększyć wydajność prasy i drutu, obniżając zapotrzebowanie na energię cieplną w kolejnych etapach suszenia.
 

Energia sonikacji a czas opróżniania (w minutach) dla przygotowania nanopapieru (odpowiadającego próbce CNF(1)LA).
100 J/ml energii sonikacji odpowiada 100 sekundom sonikacji itd.
(Badanie i zdjęcie: ©Sethi et al., 2018)

Dodatkowe aplikacje procesowe

Poza uzdatnianiem włókien i wody, ultradźwięki mocy są wykorzystywane do homogenizacji i dyspergowania zawiesin papierowych i dodatków. Homogenizacja ultradźwiękowa zapewnia równomierną dystrybucję wypełniaczy, pigmentów, polimerów i dodatków funkcjonalnych, poprawiając wydajność chemiczną i konsystencję produktu. Ultradźwięki są również stosowane w procesach natryskiwania i powlekania, gdzie dysze ultradźwiękowe generują drobne, jednolite kropelki do precyzyjnego nakładania powłok, środków zaklejających lub warstw funkcjonalnych na powierzchnie papieru.

Integracja Inline i wdrożenie przemysłowe

Kluczową zaletą technologii ultradźwiękowej jest to, że większość aplikacji można wdrożyć inline, umożliwiając młynom modernizację reaktorów ultradźwiękowych w istniejących pętlach procesowych bez poważnego przeprojektowania. Przepływowe systemy ultradźwiękowe można skalować liniowo i dostosowywać do określonych konsystencji, natężenia przepływu i celów procesu.
Przy odpowiednim doborze i integracji systemu, ultradźwięki mocy stają się elastycznym narzędziem intensyfikacji procesu, a nie samodzielnym zabiegiem. Dostawcy sprzętu, tacy jak Hielscher Ultrasonics, wspierają młyny w wyborze i konfiguracji przemysłowych systemów ultradźwiękowych dostosowanych do konkretnych wyzwań związanych z produkcją papieru lub recyklingiem.

Poprawa jakości papieru i redukcja kosztów

Od poprawy rozwoju i dyspersji włókien po umożliwienie czystszego recyklingu i bardziej stabilnej pracy na mokro, ultradźwięki mocy oferują szeroki zakres zastosowań w papierniach. Jego zdolność do poprawy procesów fizycznych i chemicznych przy jednoczesnym zmniejszeniu zużycia energii, wody i chemikaliów sprawia, że ultradźwięki są coraz bardziej atrakcyjną technologią zarówno dla nowych instalacji, jak i modernizacji. Ponieważ zrównoważony rozwój i wydajność nadal kształtują przemysł papierniczy, przetwarzanie ultradźwiękowe jest pozycjonowane jako praktyczne i skalowalne rozwiązanie dla nowoczesnej produkcji papieru.

Poniższa tabela przedstawia przybliżoną wydajność przetwarzania naszych ultradźwiękowców:

Projektowanie, produkcja i doradztwo – Jakość Made in Germany

Ultradźwięki Hielscher są dobrze znane z najwyższej jakości i standardów projektowych. Solidność i łatwa obsługa pozwalają na płynną integrację naszych ultradźwiękowców z obiektami przemysłowymi. Trudne warunki i wymagające środowiska są łatwo obsługiwane przez ultradźwięki Hielscher.

Hielscher Ultrasonics jest firmą posiadającą certyfikat ISO i kładzie szczególny nacisk na wysokowydajne ultradźwięki z najnowocześniejszą technologią i łatwością obsługi. Oczywiście ultradźwięki Hielscher są zgodne z CE i spełniają wymagania UL, CSA i RoHs.