Rozwiązywanie problemów z chemią mokrego końca: pienienie, osady i słaby drenaż w papierniach

Mokra część maszyny papierniczej to miejsce, w którym chemia, fizyka i inżynieria mechaniczna zbiegają się pod nieustanną presją czasu. Stąd też bierze się większość problemów z wykonalnością. Pienienie się w wlewu, lepkie osady na tkaninach formujących i filcach prasowych oraz powolne odprowadzanie wody z drutu — te trzy problemy odpowiadają za nieproporcjonalną część nieplanowanych przestojów, pęknięć arkuszy i produkcji niskiej jakości w fabrykach na całym świecie. Każdy z nich ma odrębny profil przyczyn źródłowych i każdy wymaga ukierunkowanego podejścia diagnostycznego, a nie odruchowego zwiększania dawki substancji chemicznych. W tym przewodniku omówiono mechanizmy stojące za wszystkimi trzema trybami awarii i przedstawiono praktyczne ramy rozwiązywania problemów oparte na zasadach chemii części mokrej.

▶Pianowanie: źródła, mechanizmy i strategie kontroli chemicznej

Piana w części mokrej nie jest pojedynczym problemem — jest to objaw gromadzenia się materiału powierzchniowo czynnego szybciej, niż system jest w stanie go rozproszyć. Głównymi źródłami środków powierzchniowo czynnych tworzących pianę w nowoczesnym papiernictwie są ekstrakty drzewne (kwasy tłuszczowe, kwasy żywiczne, sterole), zanieczyszczenia z włókien pochodzących z recyklingu, reintegracja pęknięć, recyrkulacja wody procesowej oraz nadmiar lub niewłaściwie rozpuszczone dodatki polimerowe. Kiedy te związki powierzchniowo czynne koncentrują się na granicy faz powietrze-woda, stabilizują pęcherzyki powietrza w trwałe struktury piankowe, które zakłócają równomierność przepływu plastra, powodują powstawanie zatorów w arkuszu i wprowadzają uwięzienie powietrza, które osłabia wiązanie włókien.

Krytycznym i często pomijanym czynnikiem przyczyniającym się do spieniania na mokro jest przedawkowanie lub niewłaściwe rozpuszczanie środków retencyjnych i drenażowych na bazie poliakryloamidu. Gdy proszek PAM zostanie dodany do układu bez odpowiedniego wstępnego rozpuszczenia – zwłaszcza jeśli stężenie roztworu przekracza 0,3% lub temperatura wody rozpuszczającej jest zbyt niska – nierozpuszczone cząstki żelu i częściowo zhydrolizowane fragmenty polimeru mogą zwiększyć lepkość powierzchniową granicy faz powietrze-woda. To stabilizuje pianę zamiast ją tłumić. Prawidłowy protokół przygotowania dodatków na bazie PAM to 0,1–0,2% roztwór wodny rozpuszczony w czystej wodzie o temperaturze 20–40°C i delikatnie mieszając przez minimum 60 minut przed dozowaniem.

Rozwiązywanie problemów z pienieniem wymaga sprawdzenia, czy jego źródło jest chemiczne (ładunek środka powierzchniowo czynnego), czy mechaniczne (wlot powietrza przez uszczelki pompy, wirowanie w skrzyni maszyny lub niewystarczające odpowietrzenie w skrzyni wlewowej). Praktycznym pierwszym krokiem jest test piany Rossa-Milesa z wykorzystaniem próbek pobranych z układu ssącego pompy wentylatora i układu zbliżania wlewu. Jeżeli utrzymywanie się piany gwałtownie wzrasta pomiędzy tymi dwoma punktami, głównym czynnikiem przyczyniającym się do tego jest przedostanie się powietrza do systemu podejścia. Jeśli poziom piany jest już wysoki w skrzyni maszyny, problem leży w dalszej części procesu, w obsłudze zepsutych elementów, recyrkulacji lub dodatkach chemicznych.

Kontrola piany: Kompatybilność środka przeciwpieniącego z systemami PAM

Odpieniacze na bazie oleju mineralnego i silikonu skutecznie rozbijają powstałą pianę, ale w młynach należy dokładnie kontrolować punkt ich dodawania i dawkę, również stosując środki retencyjne PAM. Przedawkowanie środka przeciwpieniącego – szczególnie w przypadku produktów na bazie oleju – może spowodować osadzanie się materiału hydrofobowego na tkaninach formujących, zmniejszając szybkość odwadniania i tworząc dodatkowy problem. Najbardziej niezawodnym podejściem jest zajęcie się pierwotną przyczyną poprzez kontrolowanie zawartości środka powierzchniowo czynnego poprzez klarowanie wody podsitowej, płukanie i okresowe czyszczenie systemu, przy użyciu środka przeciwpieniącego jedynie jako narzędzia do przycinania, a nie głównego mechanizmu kontrolnego. Kiedy PAM jest odpowiednio dobrany i dozowany, jego działanie mostkujące i flokulacyjne może w rzeczywistości zmniejszyć stężenie wolnych środków powierzchniowo czynnych w wodzie podsitowej poprzez współflokulację koloidów powierzchniowo czynnych z drobnymi włóknami, przyczyniając się pośrednio do redukcji piany.

▶Smoła i lepkie osady: diagnostyka chemii stojącej za zaślepianiem tkanin

Problemy z osadami po stronie mokrej objawiają się w dwóch zasadniczo różnych postaciach: kamienia nieorganicznego (węglan wapnia, siarczan wapnia, krzemionka) oraz organicznych substancji lepkich lub smoły. Obydwa mogą zaślepiać tkaniny i filcowane pory, zmniejszać drenaż, powodować wady arkuszy, a w ciężkich przypadkach powodować niekontrolowane pęknięcia arkuszy. To rozróżnienie ma znaczenie, ponieważ chemia wymagana do rozwiązania każdego z nich jest zasadniczo inna.

Tworzenie się kamienia nieorganicznego

Kamień nieorganiczny tworzy się, gdy stężenie trudno rozpuszczalnych soli przekracza ich iloczyn rozpuszczalności w pętli wody podsitowej. W papiernictwie alkalicznym – systemie dominującym na całym świecie od czasu przejścia od zaklejania kwaśnego do obojętnego/alkalicznego – najpowszechniejszym osadem nieorganicznym jest osad z węglanu wapnia. Sprzyja temu wysokie zamknięcie systemu (zmniejszone rozcieńczenie świeżej wody), podwyższone temperatury i usuwanie CO₂ z wody podsitowej, a wszystko to przesuwa równowagę CaCO₃ w stronę opadów. Odkładanie się krzemionki jest drugorzędnym problemem w młynach wykorzystujących wodę procesową zawierającą krzemiany lub łamacz zawierający krzemian sodu z opakowań pochodzących z recyklingu.

Pierwszym krokiem diagnostycznym w przypadku podejrzenia kamienia nieorganicznego jest badanie utraty zapłonu na osadach z tkaniny lub filcu: osady nieorganiczne pozostawiają znaczną pozostałość popiołu, podczas gdy lepkie substancje organiczne spalają się czysto. Identyfikacja konkretnych rodzajów jonów za pomocą analizy ICP rozpuszczonych substancji stałych w próbkach wody podsitowej decyduje o wyborze składu chemicznego inhibitora kamienia. Anionowy poliakryloamid o bardzo niskiej masie cząsteczkowej (poniżej 500 000 g/mol) może działać jako modyfikator wzrostu kryształów, który zapobiega osiągnięciu przez kryształy CaCO₃ rozmiaru krytycznego potrzebnego do przyczepności powierzchniowej – co jest funkcją odrębną od jego roli jako środka wspomagającego flokulację o wysokiej masie cząsteczkowej. Wybór niewłaściwej masy cząsteczkowej APAM do kontroli kamienia jest częstym błędem prowadzącym do nieskutecznego leczenia i marnowania środków chemicznych.

Organiczne lepki i kontrola wysokości tonu

Organiczne substancje klejące pochodzą z dwóch źródeł: pierwotnego paku z żywicy drzewnej (estryfikowane kwasy tłuszczowe i kwasy żywiczne uwalniane podczas mechanicznego roztwarzania i rafinacji w wysokiej temperaturze) oraz wtórnego kleju z zanieczyszczeń włókien pochodzących z recyklingu (kleje samoprzylepne, kleje topliwe, powłoki lateksowe, pozostałości wosku i atramentu). Obydwa stają się problematyczne, gdy zakłócona jest stabilność koloidalna układu wody podsitowej – zwykle podczas zmian pH, temperatury, przewodności lub programu dodatków – powodując aglomerację wcześniej rozproszonych cząstek paku koloidalnego i osadzanie się na powierzchniach hydrofobowych.

Najbardziej skutecznym, opartym na chemii podejściem do kontroli smoły i lepkości jest utrwalanie: użycie kationowego polimeru do adsorbowania na ujemnie naładowanych koloidalnych cząstkach paku, odwrócenie ich ładunku i przymocowanie ich do powierzchni włókna, zanim zdążą osadzić się na tkaninach. Tutaj decydującą rolę odgrywa kationowy poliakryloamid. Kationowe produkty PAM firmy Hengfeng do produkcji papieru zostały specjalnie opracowane z kontrolowaną gęstością ładunku i profilami masy cząsteczkowej, aby osiągnąć jednoczesne wiązanie paku, zatrzymanie drobnych włókien i poprawę drenażu – unikając kompromisu pomiędzy kontrolą lepkości a wydajnością drenażu, co często występuje w przypadku stosowania ogólnych polimerów kationowych niezoptymalizowanych dla systemów miazgi.

Kluczowe kroki diagnostyczne w przypadku podejrzenia lepkich osadów:

• Zmierzyć potencjał zeta wody białej na pompie wentylatora — wartość większa niż -15 mV wskazuje na niewystarczające pokrycie zapotrzebowania kationowego i wysoką ruchliwość paku koloidalnego;
• Wykonaj miareczkowanie na żądanie kationowe (miareczkowanie koloidalne) na próbkach wody podsitowej, aby określić ilościowo ładunek anionowy, który musi zostać zneutralizowany przez dodatki kationowe;
• Sprawdź kolejność dodawania dodatków — kationowy PAM należy dodać za odpadami anionowymi (dyspergatory anionowe, skrobia, CMC), aby zapobiec przedwczesnej neutralizacji ładunku i wytrącaniu się polimeru przed kontaktem z matą włóknistą;
• Sprawdź programy kondycjonowania tkanin — osady już obecne na tkaninach formujących wymagają czyszczenia enzymatycznego lub zasadowego, zanim zmiany chemiczne będą mogły przywrócić skuteczność drenażu.

▶Zły drenaż: systematyczna diagnoza wykraczająca poza zwykłe dodanie większej ilości polimeru

Słaby drenaż jest najpoważniejszym problemem części mokrej, ponieważ jego skutki przekładają się bezpośrednio na koszty energii suszenia, ograniczenia prędkości maszyny i niejednorodność profilu wilgoci w gotowym arkuszu. Kiedy drenaż się pogarsza, instynktowną reakcją wielu młynów jest zwiększenie dawki środka retencyjnego PAM – ale to często pogarsza problem. Zrozumienie tego wymaga jasnego modelu tego, co faktycznie robi drenaż PAM, a czego nie może.

Szybkość drenażu drutu formującego zależy od trzech oporów: oporu samej maty z włókien, oporu tkaniny drenażowej i oporu hydrodynamicznego wody wypieranej przez oba. Środki retencyjne — w tym PAM — wpływają przede wszystkim na pierwszy czynnik, łącząc drobne włókna i wypełniacze w większe struktury kłaczków, które są mniej podatne na migrację do porów tkaniny i blokowanie ich. Jeśli jednak podstawową przyczyną słabego drenażu jest już zaślepiona tkanina, przeciążony system wody podsitowej z nadmiernym stężeniem drobnych cząstek lub masa celulozowa zawierająca nadmierne włókna wtórne zmniejszające luźność, dodanie większej ilości PAM nie rozwiąże podstawowego problemu i może pogorszyć tworzenie się maty poprzez nadmierne zatrzymywanie drobnych cząstek, co dodatkowo zwiększa odporność maty.

Protokół rozwiązywania problemów z drenażem krok po kroku

Ustrukturyzowane podejście do rozwiązywania problemów z drenażem powinno rozpoczynać się od pomiaru, a nie regulacji składu chemicznego. Wartości Schoppera-Rieglera (SR) lub kanadyjskiej normy mętności (CSF) przychodzącego surowca zapewniają wyjściową odwadnialność bez jakiejkolwiek obróbki chemicznej. Jeżeli odwadnianie spadło w porównaniu z historycznymi wzorcami dla tego samego składu masy, przyczyną jest albo zmiana jakości włókna (stopień rozdrobnienia, stosunek włókien wtórnych, rozkład długości włókien) albo zmiana składu chemicznego wody podsitej (przewodność, pH, obciążenie ładunkiem koloidalnym). Obydwa muszą zostać określone ilościowo przed modyfikacją chemii.

Udział drenażu programu PAM można wyizolować za pomocą dynamicznego słoika drenażowego (DDJ) lub testu słoika Britta: należy uruchomić próbki z bieżącymi dodatkami polimeru i bez nich w bieżących punktach dodawania, a następnie sprawdzić efekt sekwencji, zmieniając kolejność składników kationowych i anionowych. W prawidłowo funkcjonującym systemie retencji mikrocząstek lub podwójnego polimeru możliwa jest poprawa drenażu o 10–25% jednostek SR w stosunku do poziomu bazowego nietraktowanego. Jeśli testy słoików nie wykażą mierzalnej reakcji drenażu na dodatki PAM, problem leży poza programem chemicznym – w stanie tkaniny, zamknięciu systemu lub przygotowaniu zapasów.

Dyspergujące produkty PAM firmy Hengfeng dla papierni zostały zaprojektowane w celu obniżenia lepkości zawiesiny miazgi i poprawy jednorodności dyspersji włókien, co stanowi warunek wstępny umożliwiający skuteczniejsze działanie środków retencyjnych i drenażowych. Zmniejszając agregację włókien w systemie podejścia, dyspergator PAM tworzy bardziej jednorodną masę, która tworzy bardziej jednolitą, mniej odporną matę na drucie — bezpośrednio poprawiając szybkość drenażu bez zwiększania dawki środka retencyjnego. Jest to szczególnie skuteczna strategia w fabrykach wytwarzających wysoce rafinowane lub wtórne masy włókiennicze o dużej utracie odczynu.

Typowe scenariusze problemów z drenażem i ich główne przyczyny:

• Stopniowy spadek drenażu w ciągu kilku tygodni: zazwyczaj zatykanie tkaniny przez osady – należy to zrobić, czyszcząc tkaninę przed regulacją składu chemicznego;
• Nagła utrata drenażu po zmianie materiału lub przerwaniu gwałtownej reintegracji: brak równowagi ładunku koloidalnego — zmierz zapotrzebowanie kationowe i potencjał zeta przed dostosowaniem dawki PAM;
• Poprawa drenażu, która odwraca się w ciągu kilku godzin po zwiększeniu dawki PAM: nadmierna retencja powodująca zagęszczenie maty — zmniejsz dawkę PAM i oceń stopień masy cząsteczkowej;
• Słaby drenaż przy uruchamianiu po dłuższym przestoju: brak równowagi chemicznej systemu na skutek zepsutej reintegracji — przepłucz i zrównoważ ponownie wodę podsitową przed uruchomieniem z dużą prędkością;
• Sezonowy spadek drenażu powiązany ze zmianami temperatury wody: wpływ lepkości na szybkość drenażu – rozważ programy dozowania z kompensacją temperatury.

▶Integracja chemii PAM w stabilnym programie kontroli części mokrej

Trzy opisane powyżej problemy części mokrej — pienienie, osady i słaby drenaż — są ze sobą powiązane poprzez koloidalną chemię układu wody podsitowej. Młyn, który rygorystycznie zarządza bilansem ładunku systemu (potencjałem zeta), ładunkiem anionowych śmieci i sekwencją dodawania polimeru, będzie rzadziej doświadczał wszystkich trzech problemów i szybciej je rozwiązywał, gdy wystąpią. Wspólnym wątkiem jest to, że chemia oparta na PAM jest najskuteczniejsza, gdy jest stosowana do dobrze scharakteryzowanego układu, a nie stosowana reaktywnie w celu maskowania objawów głębszych zaburzeń równowagi.

Jiangsu Hengfeng dostarcza pełną gamę produktów papierniczych PAM — w tym środki retencyjne, środki odwadniające, dyspergatory i kationowe środki utrwalające — wraz z usługami wsparcia technicznego zaprojektowanymi, aby pomóc fabrykom w tworzeniu stabilnych, opartych na pomiarach programów części mokrej. W przypadku młynów, w których występują ciągłe problemy z pienieniem, osadami lub drenażem, inżynierowie ds. zastosowań firmy Hengfeng mogą przeprowadzić na miejscu analizę wody, testowanie słoików i optymalizację sekwencji dodatków w celu określenia minimalnego skutecznego programu chemicznego dla konkretnej konfiguracji dostawy i maszyny. Skontaktuj się z naszym zespołem, przedstawiając dane z analizy wody pitnej i aktualny program dodatków, aby uzyskać niezobowiązującą ocenę techniczną.