RAZISKAVE IN RAZVOJ Papir za notranjost revije PAPIR je prispevala papirnica Vipap Videm Krško d.d., VIPRINT 80 g/m 2 Papir za notranjost revije PAPIR je prispevala papirnica Vipap Videm Krško d.d., VIPRINT 80 g/m 2 RAZISKAVE IN RAZVOJ Raziskujemo in razvijamo Raziskujemo in razvijamo | november 2019 | 22 | XLVII | november 2019 | 22 | XLVII Janez KOSEL 1 , Andrej ŠINKOVEC 2 , Matevž DULAR 3 ROTACIJSKI GENERATOR HIDRODINAMSKE KAVITACIJE ZA FIBRILACIJO DOLGIH VLAKEN IGLAVCEV ROTATIONAL CAVITATION GENERATOR FOR THE FIBRILLATION OF CONIFER FIBRES oblika kavitacije se je v primerjavi z ultra- zvočno kavitacijo izkazala za bistveno bolj učinkovito v smislu energetske učinkovi- tosti, širšega področja generiranja kavi- tacije, enostavne integracije v industrijski kontinuirni sistem ter bistveno nižjih stro- škov v opremi [2]. Zato smo v naši raziskavi kavitirali ce- lulozno suspenzijo iglavcev z uporabo novega rotacijskega generatorja hidrodi- namske kavitacije (RGHC), opremljenega z rotorjem in nasprotujočim si statorjem, ki imata posebej izoblikovane zobe, na katerih se generirajo agresivni kavitacijski mehurčki. EKSPERIMENTALNI DEL Pripravili smo mešanice beljenih kratkih celuloznih vlaken evkaliptusa (Santa Fe) in beljenih dolgih sulfatnih vlaken iglavcev (Orion Poels). Za vzorec celuloze za eno- stavno mletje (VER) smo pripravili 1,57 % celulozno suspenzijo, sestavljeno iz 80 % vlaken evkaliptusa in 20 % vlaken iglav- cev. Suspenzija je bila pripravljena v vodi UVOD Zaradi tržne konkurence in visokih ener- getskih stroškov je papirna industrija pri- morana v iskanje in razvoj okolju prijaznih in energetsko učinkovitih strategij. Proces proizvodnje papirja je sestavljen iz nasled- njih korakov: proizvodnja celuloze, mle- tje, odvodnjavanje s stiskanjem, sušenjem in glajenjem. Zimzeleni iglavci (mehki les), ki se jih za- radi njihovih daljših vlaken preferenčno uporablja v proizvodnji papirja, predsta- vljajo izziv, saj je treba njihova dolga vla- kna mleti z nižjo intenziteto [1]. Posle- dično je poraba energije veliko večja v primerjavi z obdelavo kratkih vlaken hitro rastočih rastlin. Potemtakem bi lahko izboljšan postopek mehanskega mletja znatno znižal energetske stroške in stro- ške porabljene vode v proizvodnji papirja na osnovi celuloznih vlaken iglavcev. Hidrodinamska kavitacija se tvori ob na- stanku in rasti parnih mehurčkov in je posledica povečanja hitrosti teka tekočine in hkratnega znižanja statičnega tlaka. Ta in je bila predhodno mehansko mleta z uporabo standardnega laboratorijskega mlina Valley (standard ISO 5264–1). Pred poskusi smo dodali primerno količino vode ali jo ustrezno odstranili skozi filter, da smo pridobili želeno koncentracijo suspenzije (1, 2 ali 3 %). Za pripravo re- alnega industrijskega vzorca (RIV), ki ga je težje mleti, smo 50 % evkaliptusovih vlaken in 50 % vlaken iglavcev razpustili v vodi do želene delovne koncentracije (1, 2 ali 3 %). Stopnjo mletja (°SR) smo določili po ISO 5267–1, testne liste papirja pa smo prip- ravili po ISO 5269–2. Določili smo nasled- nje fizikalne lastnosti izdelanih laborato- rijskih papirnih listov: natezni indeks (ISO 1924–2), razpočni indeks (ISO 2758), gramaturo (ISO 536), debelino (ISO 534), specifično gostoto (ISO 534) in prepust- nost zraka (ISO 5636–3). Kot alternativo mehanskemu mletju smo razvili nov rotacijski generator hidrodi- namske kavitacije (RGHC) [3]. Za naše ek- sperimente smo RGHC vgradili v modelni vodni sistem, ki je prikazan na sliki 1. IZVLEČEK Mletje celuloznih vlaken je počasen in energetsko drag postopek v proizvodnji papirja, vendar je ključno za njegovo kakovostno izdelavo. Zahtevnost tega postopka je še zlasti očitna pri obdelavi dolgih vlaken iglavcev, ki sicer predstavljajo prednostni vir vlaken v industriji in dajejo papirju njegovo jakost in mehansko odpornost. Zato smo v tej študiji testirali nov rotacijski generator za hidro- dinamsko kavitacijo za mletje celulozne suspenzije z visokim deležem iglavcev. Glede na naše rezultate smo pokazali, da se v pred- stavljeni napravi tvorijo intenzivne strižne sile in številna območja razvite kavitacije in da z njenim tretmajem učinkovito povečamo stopnjo mletja celulozne suspenzije. Iz obdelane suspenzije smo proizvedli papir višje kakovosti z večjim nateznim indeksom (50,5 Nm/g) in razpočnim indeksom (3 kPam 2 /g). Dobljene fizikalne lastnosti so bile zadostne za izdelavo grafičnega papirja in karto- na. Dodatno smo ugotovili, da je laboratorijski rotacijski generator energetsko bolj učinkovit v primerjavi z rutinsko uporabljanimi laboratorijskimi dezintegratorji. Po našem vedenju, je to prvi primer uporabe hidrodinamske kavitacije za mletje celuloze iglavcev s standardno industrijsko koncentracijo. Ključne besede: Rotacijski generator hidrodinamske kavitacije, hidrodinamska kavitacija, stopnja mletja, natezni indeks, razpočni indeks, celulozna vlakna v papirni industriji ABSTRACT The refining of cellulose pulp is important for obtaining high-quality paper. However, refining is slow and costly especially for longer conifer fibres, which give paper its strength and are thus preferred in paper production. In thisresearch/study?, we have applied a rotation generator of hydrodynamic cavitation for treating conifer rich pulp samples. Our results show that this device generates intense shear forces and multiple zones of developed cavitation, and is therefore successful in elevating drainability. The paper produced from the refined pulp was of higher quality and had an increased tensile index (50.5 Nm/g) and burst index (3 kPam 2 /g). This paper was of sufficient quality for printing paper and other types of paperboard quality manufacture. Finally, our rotation generator proved to be economically more efficient than the routinely employed laboratory refiners. According to our knowledge, we are the first to employ hydrodynamic cavitation for the refining of conifer rich pulp of standard industrial consistency. Keywords: rotational cavitation generator, hydrodynamic cavitation, drainability, tensile index, burst index, papermaking fibres RGHC je zasnovan na osnovi modifici- rane centrifugalne črpalke, ki v svojem ohišju vsebuje nazobčan rotor in stator (slika 2). Osnovna struktura rotacijskega generatorja še vedno omogoča prečr- pavanje tekočine, kar pomeni, da je RGHC enostaven za vgradnjo v konti- nuirni industrijski sistem, pri čemer ne potrebujemo nobene dodatne zunanje črpalke. En kavitacijski prehod vzorca smo definirali kot prehod celotnega vo- lumna vzorca celulozne suspenzije (2 L) skozi RGHC. REZULTATI Z DISKUSIJO Za vizualizacijo razvoja kavitacije smo RGHC očistili in ga napolnili z vodo ter ga poganjali pri 1000, 5400 in 6000 vrt/ min. S snemanjem s hitro kamero (0,2 ms intervali) smo razvito kavitacijo opa- zili šele pri vrtilnih frekvencah, ki so bile enake ali višje od 5400 vrt/min (slika 3). S teh slik je razvidno, da so se za vsako konico zoba rotorja tvorili kavitacijski Slika 1. RGHC vgrajen v modelni vodni sistem z merilnimi napravami in z izmenjevalcem toplote Figure 1: The RGHC device integrated into a model water system equipped with measurement devices and a heat exchanger Slika 2: Rotor in stator v RGHC Figure 2: The rotor and stator of the RGHC device Slika 3. Hidrodinamske značilnosti RGHC in pojav kavitacije pri različnih delovnih pogojih. A–B: pogoji brez razvoja kavitacije; razvita kavitacija pri vrtilni frekvenci 5400 vrt/min (C–D) ali pri 6000 vrt/min (E–F) Figure 3: Hydrodynamics of the RGHC and the generation of cavitation at different operating conditions: noncavitating conditions (A–B); cavitating conditions at a rotation frequency of 5,400 rpm (C–D) or 6,000 rpm (E–F) mehurčki, ki so se malo za tem ločili in se porazgubili v okolico. Naši rezultati (slika 4) so pokazali, da je bil RGHC uspešen pri mletju 1 % celu- lozne suspenzije, pri čemer so daljši časi kavitiranja vplivali na povečanje stopnje mletja celuloze (večja fibrilacija). S po- večanjem vrtilne frekvence (iz 1000 vrt/ min na 5400 vrt/min ter iz 5400 vrt/ min na 6000 vrt/min) in strižne hitrosti znotraj RGHC smo še dodatno povečali stopnjo mletja obdelane suspenzije. To je veljajo tako za vzorce VER kot tudi za vzorce RIV. Za fibrilacijo in za prekinitev vodikovih vezi med celuloznimi vlakni so najverjetneje odgovorne zelo visoke strižne hitrosti (pri 6000 vrt/min), ki so se tvorile med zobmi rotorja in med tekočino, ki kroži po površini rotorja in statorja [5, 6]. Ko smo pri konstantni vrtilni frekvenci (6000 vrt/min) povečali koncentracijo suspenzije z 2 % na 3 %, se je stopnja mletja povečala (Slika 5). To je veljalo RAZISKAVE IN RAZVOJ Papir za notranjost revije PAPIR je prispevala papirnica Vipap Videm Krško d.d., VIPRINT 80 g/m 2 Papir za notranjost revije PAPIR je prispevala papirnica Vipap Videm Krško d.d., VIPRINT 80 g/m 2 RAZISKAVE IN RAZVOJ Raziskujemo in razvijamo Raziskujemo in razvijamo | november 2019 | 22 | XLVII | november 2019 | 22 | XLVII Slika 4: Vpliv treh vrtilnih hitrosti (1000, 5400 in 6000 vrt/min) RGHC-ja na stopnjo mletja vzorcev 1 % suspenzi- je VER (A) in RIV (B) Figure 4: The effect of 3 intensity cavitation treatments (1,000 rpm, 5,400 rpm and 6,000 rpm) of the RGHC on the drainage rate of VER (A) and RIV (B) samples tako za VER kot tudi za RIV celulozno suspenzijo. To opažanje se ujema z ugotovitvami predhodnih raziskav, ki so dokazale, da je kavitacija naključni pojav, pri čemer velja, da več kot je tarč (vlaken) na določen volumen, večje bo število kavitiranih tarč (vlaken) [6]. Čeprav smo na splošno po obdelavi z RGHC za vzorce VER dosegli višje stop- nje mletja (52°SR), pa je bila raven mle- tja, ki smo jo dosegli z RGHC, pri obeh vrstah vzorcev relativno podobna (za 3 % VER se je povečala za 24°SR in za 3 % RIV se je povečala za 20°SR). Lah- ko rečemo, da je RGHC približno enako učinkovit tudi za rafiniranje vzorcev RIV, ki so težavnejši za fibrilacijo (niso pred- hodno mleti z laboratorijskim mlinom Valley) in vsebujejo večje količine dolgih vlaken iglavcev. Vzorce VER in RIV s 3 % koncentracijo smo najprej kavitirali z vrtilno frekvenco 6000 vrt/min (najučinkovitejša kavitacija za fibrilacijo), nato pa smo iz njih prip- ravili laboratorijske liste in jim določi- li naslednje fizikalne lastnosti: natezni indeks, razpočni indeks, gramaturo, de- belino in specifični volumen. Ne glede na vrsto kavitiranega vzor- ca celulozne suspenzije (VER ali RIV) smo z uporabo RGHC znatno izboljšali najpomembnejše fizikalne lastnosti la- boratorijskih listov (natezni in razpočni indeks ter gostoto papirja). Glede na naše rezultate kavitiranja 3 % suspenzi- je RIV in glede na uveljavljene standarde [7], so bile za proizvodnjo grafičnega papirja ali kartona dosežene zadostne vrednosti nateznega (50,5 Nm/g) in raz- počnega indeksa (3 kPam 2 /g) (Slika 6). Nadalje nam je s kavitiranjem celulozne suspenzije na RGHC uspelo zmanjša- ti zračno prepustnost papirja, vendar je bila uspešnost tega znatno večja za vzorce VER. Slika 5: Vpliv koncentracije (1 %, 2 % in 3 %) na stopnjo mletja vzorcev VER (brez črt) in vzorcev RIV (navpične črte) po kavitaciji pri 6000 vrt/min Figure 5: The effect of pulp sample concentration (1 %, 2 % and 3 %) on the drainage rate of VER (no pattern) and RIV samples (vertical lines) after cavitation treatment at 6,000 rpm Za konec je naša ekonomska analiza pokazala (Tabela 1), da je za podobno vrsto (mešanica mehkega lesa iglavcev) in koncentracijo okoli 1 %, RGHC po- rabil polovico manj električne energije v primerjavi s standardnim laboratorijskim mlinom Valley [8]. 4. ZAKLJUČEK V tem delu smo z uporabo RGHC us- pešno mleli celulozno suspenzijo iglav- cev in listavcev, pri čemer je izdelan papir dosegal zadostno kakovost za proizvodnjo grafičnega papirja ali kar- tona. Glede na ekonomsko analizo se je RGHC v primerjavi s standardnim la- boratorijskim mlinom Valley izkazal za energetsko učinkovito napravo. Na pri- mer, geometrija zoba rotorja in statorja je zasnovana tako, da tvori ponavlja- joče se padce tlaka, kar ima za posle- dico znatno nižje tlačne izgube [32]. Dodatno RGHC samostojno deluje tudi kot črpalka za prečrpavanje celulozne suspenzije in je posledično neodvisen od morebitnih zunanjih črpanj. Čeprav smo povečano pilotno različico RGHC že uspešno aplicirali za razgra- dnjo 1 m 3 aktivnega blata iz čistilne naprave [4], pa še ni znano, ali bi bila ta različica uspešna tudi za razvlaknjeva- nje večjih količin celulozne suspenzije. V skladu s tem se naša ekipa pripravlja na naslednjo fazo eksperimentalnih del, ki bodo vključevala poskuse kavitiranja večjih količin celulozne suspenzije. LITERATURA [1] EL-SHARKAWY, H., KOSKENHELY, K., PAU- LAPURO, K. Tailoring softwood kraft pulp proper-ties by fractionation and refining, TAP- PI Journal 7, 2008, 15–22. [2] FRANC, J.-P . Physics and Control of Cavita- tion, 2006. [3] PERDIH, T. S., SIROK, B., DULAR, M. Influ- Slika 6: Fizikalne lastnosti papirnih listov, ki so bili pripravljeni iz 3 % vzorca VER in 3 % vzorca RIV po kavitaciji pri 6000 vrt/min Figure 6: Physical properties of cellulose paper sheets prepared from 3 % VER and 3 % RIV samples after cavitation treatment at 6,000 rpm ence of hydrodynamic cavitation on intensifi- cation of laundry aqueous detergent solution preparation, Journal of Mechanical Engineer- ing 63, 2017, 83–92. [4] PETKOVŠEK, M., MLAKAR, M., LEVSTEK, M., STRAŽAR, M., ŠIROK, B., DULAR, M. A novel rotation generator of hydrodynamic cavitation for waste-activated sludge disinte- gration, Ultrasonics Sonochemistry 26, 2015, 408–414. [5] PETKOVŠEK, M., ZUPANC, M., DULAR, M., KOSJEK T., HEATH E., KOMPARE B., ŠIROK B. Rotation generator of hydrodynamic cavita- tion for water treatment, Separation and Puri- fication Technology 118, 2013, 415–423. [6] BADVE M.P ., GOGATE P .R., PANDIT A.B., CSOKA L. Hydrodynamic cavitation as a novel approach for delignification of wheat straw for paper manufacturing, Ultrasonics Sonochemistry 21 (2014) 162–168. [7] CAULFIELD D.F., GUNDERSON D.E. Pro- ceedings of the paper preservation, Sympo- sium 66, in: 1988: pp. 31–40. [8] ATIC C., IMMAMOGLU S., VALCHEV I. De- termination of specific beating energy-applied Tabela 1: Energetska učinkovitost RGHC v primerjavi s standardnim laboratorijskim mlinom Valley [8] Table 1: Energy efficiency of the RGHC in comparison to the standardly applied laboratory-scale Valley beater [8] on certain pulps in a valley beater, Journal of the University of Chemical Technology and Metallurgy 40, 2005, 199–202. [9] ZUPANC M., KOSJEK T., PETKOVŠEK M., DULAR M., KOMPARE B., ŠIROK B., BLAŽE- KA Ž., HEATH E. Removal of pharmaceuticals from wastewater by biological processes, hydrodynamic cavitation and UV treatment, Ultrasonics Sonochemistry 20, 2013, 1104– 1112. [10] FRANKE M., BRAEUTIGAM P ., WU Z.-L., REN Y., ONDRUSCHKA B. Enhancement of chloroform degradation by the combination of hydrodynamic and acoustic cavitation, Ul- trasonics Sonochemistry 18, 2011, 888–894. 1 Zavod za varstvo kulturne dediščine Slovenije, Poljanska cesta 40, 1000 Ljubljana 2 Inštitut za celulozo in papir, Bogišićeva ulica 8, 1000 Ljubljana 3 Fakulteta za strojništvo Univerze v Ljubljani, Aškerčeva cesta 6, 1000 Ljubljana Naprava Suspenzija Koncen- tracija (%) Čas (h) Poraba elektrike (kW) V (m 3 ) Začetna stopnja mletja (°SR) Končna stopnja mletja (°SR) EEO (kWh/m 3 / log 10 ) Cena (€/m 3 ) Mlin Valley Kraft belj. cel. vlakna 1.5* 0.25* 1.030* 0.02* 12* 17* 87.1* 8.7* RGHC 1:1 iglavci in evkaliptus (beljeni) 1.0 0.10 0.295 0.002 11 25 41.4 4.1 2.0 0.11 0.297 0.002 11 24 50.8 5.1 3.0 0.15 0.306 0.002 11 25 58.4 5.8 *Rezultati iz Atic in sod. [8].