PROGRAMMI DI RITENZIONE ALCALINA AD ALTA RESA

 

Terrence M. Gallagher

Nalco Chemical Company, Naperville, IL , USA

 

Estratto

La fabbricazione di carta alcalina ha chiesto ai programmi di ritenzione sempre di più a causa dei crescenti livelli di carica, dell’inefficacia dell’allume come coagulante, delle maggiori velocità di macchina, ecc.  La risposta è venuta sotto forma di programmi di ritenzione nuovi, ad alta resa.  Gli sviluppi più recenti includono l’uso di un flocculante microparticle, la silice colloidale, insieme a due polimeri, un coagulante e un flocculante. 

Questi programmi usano i meccanismi della coagulazione, della flocculazione e della flocculazione con microparticle.  La scelta del programma ottimale deve tenere conto di molte variabili fra cui la sua chimica, il peso molecolare, i punti di iniezione, la turbolenza, gli additivi impiegati, ecc.  Su queste basi è possibile mettere a punto un programma di ritenzione su misura per la macchina che lo richiede.

 

Introduzione

Molte cartiere hanno intrapreso e continuano la strada della conversione alla carta alcalina per sfruttarne i vantaggi economici e di qualità ottenibili: possibilità di sostituire più fibra con la carica, resistenza all’invecchiamento, condizioni operative di minore corrosività.  Per sfruttare i vantaggi economici occorre che la carica sia ritenuta.  La misura del grado di ritenzione raggiunto aiuta a dimensionare il ritorno economico della conversione.  I ritentivi sono ormai usati da parecchi anni.  Per un certo tempo sono stati adeguati programmi con doppio polimero comprendenti l’uso di un coagulante di sintesi, di amido cationico o allume, e di un flocculante sintetico altomolecolare.  Le crescenti esigenze della fabbricazione alcalina hanno imposto lo sviluppo di nuovi programmi ad alta performance.  Questi programmi offrono la scelta fra una gamma di coagulanti, flocculanti, e un flocculante microparticle, la silice colloidale.  La scelta del coagulante e del flocculante migliori è importante ed è anche basata sulle caratteristiche dell’impianto.  I programmi di ritenzione tradizionali causano spesso sovraflocculazione al crescere del dosaggio.  Ne conseguono peggioramenti qualitativi nella formazione, opacità, porosità e caratteristiche meccaniche.  Le micropartilelle di silice colloidale sono invece in grado di incrementare fortemente la ritenzione senza produrre sovraflocculazione e i relativi effetti negativi.

 

Questa relazione vuole illustrare i meccanismi di questi programmi di ritenzione dell’ultima generazione.  Parleremo anche di come selezionare e applicare questi programmi a più componenti e vedremo alcuni casi reali.

 

Coagulazione

La coagulazione è il primo stadio della ritenzione.  Molte fibre, fini e cariche assumono, in acqua, cariche negative sulla superficie.  La repulsione elettrostatica che ne consegue è utile per mantenere queste particelle separate fra loro, ma è anche responsabile del passaggio nelle acque bianche di buone parte della frazione più colloidale [1].  Per ritenere questa frazione le forze di repulsione vanno annullate o ridotte.  La coagulazione provvede a ciò riducendo la distanza interparticellare al punto che le lunghe molecole del flocculante possono collegarle creando ponti fra esse.  Gli agglomerati risultanti da queste azioni sono intrappolati meccanicamente dalle fibre e quindi ritenuti.

 

 

I coagulanti sono polimeri cationici, allume, amido e prodotti di sintesi.  L’allume è stato il coagulante tradizionale di più vasto impiego nella fabbricazione della carta acida.  L’allume raggiunge la massima efficacia a pH fra 4,5 e 5,2 in quanto forma specie polimeriche cationiche.  A pH alcalini predomina la specie Al(OH)3 priva di carica e ben poco efficace come coagulante.  Per ulteriori informazioni sulla chimica dell’allume si vedano i riferimenti [2] e [3].  I coagulanti organici di sintesi sono efficaci in un ampio intervallo di pH, tipicamente esteso da 4,0 a 9,0.  Sono polimeri a peso molecolare basso, fra 40.000 e 200.000 e fortemente cationici.  L’impiego di un coagulante si impone quando l’impasto è ricco di sostanze anioniche.

 

L’uso di fogliacci patinati incrementa fortemente l’anionicità di un impasto.  Punti d’iniezione tipici per i coagulanti sono le tine di miscela e di macchina e il silos delle acque bianche, o anche altri punti più a monte.  L’aggiunta del coagulante precede sempre quella del flocculante.

 

Flocculazione

È la seconda fase del processo di ritenzione.  I flocculanti sono polimeri poliacrilammidici altomolecolari, con pesi da 500.000 a decine di milioni che possono essere cationici, anionici o non ionici.  L’aggiunta del flocculante segue quella del coagulante e lega insieme, per ponteggio, le particelle neutralizzate dal coagulante.  Il polimero si attacca alla superficie di fibre o cariche

con legame idrogeno, o di accoppiamento ionico o per attrazione elettrostatica.  Stendendo la sua catena nel mezzo acquoso, è in grado di catturare altre fibre, cariche e fini formando agglomerati facilmente ritenibili.

 

I flocculanti vanno diluiti allo 0,5-1,0% per realizzarne l’inversione, poi diluiti ancora allo 0,01% o meno per una buona distribuzione nell’impasto.  La loro efficacia è fortemente influenzata dal tempo e/o dalle forze di taglio.  Per forze di taglio eccessive e tempi troppo lunghi prima dell’arrivo sulla tela le catene aderiscono totalmente alla superficie delle fibre e, in assenza di “code” libere nel mezzo acquoso, l’azione di ponteggio diviene impossibile.  Una turbolenza eccessiva ha gli stessi effetti, anche a partire da fiocchi già formati, con il risultato netto di uno scadimento della ritenzione.

 

Flocculazione con microparticelle

La silice colloidale consiste in una dispersione di particelle di SiO2 di circa 4 micron, fortemente anioniche.  È in grado di aumentare significativamente la ritenzione dei fini formando forti legami ionici con gli additivi cationici o con i coagulanti adsorbiti sui componenti dell’impasto.  La silice forma dei “microfiocchi” [4] secondo un meccanismo non ben noto.  Si ritiene che la differenza fra la microflocculazione e la flocculazione convenzionale risieda nella capacità della prima di avvenire nuovamente a valle di una turbolenza mentre i fiocchi convenzionali non si riformano una volta rotti.

 

La riflocculazione su scala micro conferisce al foglio un’ottima permeabilità che favorisce l’allontanamento dell’acqua tanto nella fase di drenaggio libero (tela) quanto in quelle di pressione ed evaporazione. [5]

 

I microfiocchi possono distribuirsi nel foglio in modo più omogeneo, perciò anche la distribuzione delle cariche nello spessore risulta più omogenea.  Il cartaio può sfruttare le maggiori capacità drenanti dell’impasto sia aumentandone la diluizione per migliorare la formazione, sia accelerando la continua per aumentare la produzione.  Come conseguenza ai miglioramenti di ritenzione e distribuzione della carica si ottengono anche vantaggi nel campo della qualità: migliorano opacità, grado di bianco, porosità, doppio viso.  La formazione più chiusa permette una più facile pressatura e una maggiore adesione ai cilindri della seccheria con conseguenti risparmi nel consumo di vapore.

 

 

Scelta del programma

Molte variabili vanno considerate nella scelta di un programma di ritenzione.  Il coagulante da scegliere deve dimostrare la sua efficacia sull’impasto reale abbassandone la carica con il costo minore rispetto ai suoi omologhi.

Analogamente il flocculante va scelto in base ai risultati di prove sperimentali condotte con il Britt Jar e con vari sistemi di valutazione del drenaggio.  La selezione avviene all’interno di una vasta gamma, entro la quale variano il tipo chimico, il peso molecolare e la densità di carica.  Solo così è possibile individuare il trattamento più efficace in ciascun caso particolare, poiché non esistono il coagulante o il flocculante migliori in assoluto.  Tipicamente il coagulante viene dosato a monte, ad esempio in tina di macchina o nel silo delle acque bianche; il flocculante e la silice colloidale rispettivamente all’ingresso e all’uscita degli epuratori a castello.  Il cartaio deve essere disponibile a provare aggiustamenti nel punto di alimentazione e nel dosaggio e arrivare a un buon controllo della chimica della parte umida e degli effetti che i vari additivi possono avere

sulla carica del suo sistema [6].  È a questo punto che diventa possibile fruire dei vantaggi relativi all’aumento del percento di ceneri che si intendeva effettuare.

 

Case studies

Cartiera A

Patinata senza legno da 60-80 g/m2

Continua: Fourdrinier /240 TPD

Impasto: Fibra lunga kraft/fibra corta kraft/fogliacci

 

 

Programma

Coagulante cationico + flocculante

Coagulante cationico + flocculante + silice colloidale

% di carica

20%

28%

Ritenzione totale

83%

85%

Ritenzione ceneri

66%

77%

Velocità macchina

270 m/min

330 m/min

 

Vantaggi: drenaggio, formazione, produzione, ritenzione carica

 

Cartiera B

Supporto da patinare

Macchina: Top wire former, 750 T/g

Impasto: Fibra lunga/fibra corta/Fogliacci

 

 

Programma

Amido, Silice, Allume

Coagulante cationico + flocculante + silice

Ritenzione totale

75%

85%

Ritenzione ceneri

45%

65%

% di carica

14%

17%

Velocità macchina

855 m/min

930 m/min

 

Vantaggi: runnability, ritenzione fibre e cariche

 

Cartiera C

Naturale senza legno 45 g/m2

Macchina: Fourdrinier

Impasto: cellulosa al solfito

 

 

Programma

Flocculante cationico + amido cationico + allume

Coagulante cationico + flocculante anionico + amido + silice

FPR

75%

87%

FPAR

45%

67%

% di carica

26%

26%

Velocità

393 m/min

426 m/min

 

Vantaggi: ritenzione fibre e ceneri, runnability

 

Riassunto

Le esigenze della fabbricazione alcalina hanno spinto allo sviluppo di programmi di ritenzione comprendenti l’uso di microparticle.  La combinazione coagulante-flocculante-silice colloidale offre oggi al cartaio lo strumento necessario per realizzare gli aumenti di ceneri desiderati.  Le stesse combinazioni si sono dimostrate valide anche nella fabbricazione acida tradizionale.  L’uso di un polimero di sintesi come coagulante permette di far fronte ad esigenze di ritenzione che variano col variare dei livelli di carica, di fogliacci patinati o di fibra di riciclo, semplicemente impostando il dosaggio opportuno del coagulante. I coagulanti sintetici sono efficaci in un ampio intervallo di pH, laddove l’allume lavora bene solo fra pH 4,5 e 5,2.

 

Il flocculante alto molecolare consente valori di ritenzione ceneri superiori a quelli tradizionali, quali sono necessari per realizzare gli incrementi di carica desiderati.  I microfiocchi generati dalla silice aiutano la ritenzione mantenendo e migliorando la formazione.  Questo approccio a più componenti offre al cartaio un controllo più completo delle situazioni particolari del suo impianto, specificamente gli offre la flessibilità necessaria per far fronte alle variazioni del sistema semplicemente aggiustando i dosaggi del programma.  Gli consente di sfruttare i vantaggi economici e di qualità intrinseci della fabbricazione alcalina, con ritorni economici eccellenti sull’investimento costituito dal programma stesso.

 

Riferimenti

1. Edwards, K. R., “Retention the Key to Efficient Papermaking,” TAPPI Wet End Operations Course (1989), pp. 425-426.

2. Arnson, T. R., “The Chemistry of Aluminum Salts in Papermaking,” TAPPI, Vol. 65, No. 3, pp. 125-130 (1982) March.

3. Wortley, B. H. “Papermakers Alum,” TAPPI Rentention and Drainage Seminar Notes 21-27 (1979).

4. Dunn, R. R., “A Retention Strategy for Improving Alkaline-Coated Base Sheet Quality,” Nalco Chemical Company (1989).

5. Lindstrom T. L., “Microparticle Technique – The New Megatrend,” Svensk Paperstiding No. 1, 1987 pp. 24-25.

6. Roop, M. J., “The Development of an alkaline fine paper retention strategy – a continuous process,” TAPPI 1989 Papermakers Conference.

 

 

Originally presented at the 1990 TAPPI Neutral/Alkaline Papermaking Short Course, Orlando, Florida, October 16-18, 1990, @TAPPI 1990.

Riprodotto con l’autorizzazione della NALCO ITALIANA S.P.A. VIALE DELL'ESPERANTO 71 • 00144 ROMA, ITALIA