La ritenzione. di Falchetti Daniele. XIV corso di Tecnologia per Tecnici Cartari edizione 2006/2007

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1 XIV corso di Tecnologia per Tecnici Cartari edizione 2006/2007 La ritenzione di Falchetti Daniele Scuola Interregionale di Tecnologia per Tecnici Cartari Il corso è realizzato grazie al contributo di: Camera di Commercio, Industria, Artigianato e Agricoltura di Verona.

2 INDICE 1. Introduzione - Premessa 2. Definizione specifica della ritenzione - Che cos è la ritenzione 3. Ritenzione meccanica - Analisi della lavorazione della tavola piana - Gli organi drenanti - I benefici della ritenzione meccanica 4. Ritenzione chimica - La caratteristica della lavorazione e i benefici - Analisi chimica della lavorazione - I coagulanti (analisi e caratteristiche) - I flocculanti (analisi e caratteristiche) 5. Il cambiamento di ritenzione delle cartiera Miliani stabilimento di Pioraco - Il passaggio dalla Poliacriammina cationica come vecchio ritentivo a una combinazione tra la Silice colloidale e Amido cationco 6. Conclusioni Falchetti Daniele - La ritenzione - 1

3 1. INTRODUZIONE La mia tesina è focalizzata sulla RITENZIONE. Dapprima cercherò di chiarire cosa intendiamo con ritenzione. Si tratta certamente di un aspetto determinante nella fabbricazione della carta e molti sono i vantaggi economici che possono derivare dall ottimizzazione di questo parametro. In un secondo momento presenterò l influenza della ritenzione sia sotto l aspetto della parte meccanica che di quella chimica del processo di lavorazione. Infine parlerò delle recenti modifiche, per quanto attiene la ritenzione, apportate alle Cartiere Miliani nello stabilimento di Pioraco. Falchetti Daniele - La ritenzione - 2

4 2. DEFINIZIONE SPECIFICA DELLE RITENZIONE La ritenzione misura la quantità di solidi che restano sul foglio di carta e che, quindi, non drenano nelle acque del sottotela, rispetto alla quantità alla quantità totale d impasto che fuoriesce dalla cassa d afflusso. Conc. Cassa d afflusso Conc. Sotto tela RITENZIONE = X 100 Conc. Cassa d afflusso. La ritenzione non viene valutata esclusivamente come valore assoluto ricavato dalla formula sopradescritta, ma nella realtà deve essere un giusto compromesso tra la ritenzione vera e propria, una buona formazione del foglio e un conveniente drenaggio sulla tavola piana. L insieme dei fenomeni che danno origine alla formazione del foglio è molto complesso; consiste nel depositare su una tela fibre che si intrecciano e soprappongono tra loro, mano a mano che l acqua viene drenata per gravità attraverso le maglie della tela stessa, costituendo in un primo momento un sottilissimo feltro che via via aumenta di consistenza diminuendo progressivamente il drenaggio dell acqua. Ciò rende necessario regolare accuratamente la preparazione dell impasto e tutti i dispositivi che drenano via l acqua dall impasto in modo tale che il foglio di carta arrivi alla fine della tavola piana con un basso contenuto di acqua, e di trattenere sulla tela stessa il maggior numero possibile di fibre, cariche minerali, e tutti componenti chimici che caratterizzano la produzione della carta e, in particolar modo di dare al foglio le caratteristiche tipiche di una buona produzione di carta (speratura, doppio viso, ecc.). Se in una tavola piana di una macchina continua tali processi non avvengono; le conseguenze sono di sicuro: una bassa qualità della carta, un elevato deposito di elementi fini nelle acque del sotto tela, un mal funzionamento della macchina continua, un accumulo di fanghi all impianto di depurazione, una perdita di materia prima, perdita di produzione e riduzione del guadagno per la cartiera stessa. Falchetti Daniele - La ritenzione - 3

5 3. RITENZIONE MECCANICA Con il termine ritenzione meccanica si intende la corretta regolazione di tutte le variabili presenti nel ciclo che possono modificare la capacità del sistema fibroso di fare filtrazione meccanica trattenendo così le particelle solide sospese con dimensione maggiore di 1-2 micron. La tipologia delle fibre e la raffinazione sono già la base di partenza per avere l effetto di filtrazione meccanica. La misurazione della raffinazione ci insegna infatti che un feltro fibroso chiuso aumenta la capacità di fare filtrazione meccanica aumentando la ritenzione e diminuendo la scolantezza. La formazione del foglio nella macchina continua è una lavorazione molto complicata; essenzialmente consiste nel depositare su una tela (mono, doppio o triplo strato) l impasto fibroso e man mano drenare via l acqua attraverso le maglie della tela stessa. Ciò avviene dapprima per forza gravitazionale, formando in un primo momento un sottilissimo feltro fibroso che, nel percorso che compie sulla tavola piana, aumenta progressivamente di consistenza. Ciò provoca inevitabilmente una crescente difficoltà al drenaggio dell acqua per sola forza gravitazionale. Si rende perciò necessario una sempre più intensa azione di aspirazione dell acqua dalla tela. Solo così si riuscirà a proseguire nell azione di estrazione dell acqua dal feltro fibroso. Molte caratteristiche del futuro foglio di carta (speratura, distribuzione omogenea di fini e delle cariche) si impostano nella prima fase di drenaggio. L impasto arriva dalla cassa di afflusso molto diluito, perciò quando il getto raggiunge la tela si tende ad avere un intenso passaggio attraverso le maglie della tela stessa di tutti gli elementi di dimensioni minuscole (fini, cariche e micro particelle), causando quindi la perdita di materie prime e l inquinamento delle acque drenate. Una cattiva ritenzione può essere causa di numerosi difetti sul prodotto finito; le difettosità più comunemente riscontrabili sono: pessimo doppio viso, imbarcamento del foglio, speratura non omogenea, ecc. Un fenomeno da non sottovalutare nella dinamica della formazione del foglio è la il formarsi di fiocchi. Si tratta di agglomerati di varie dimensioni di materiale fibroso che tende a formarsi nella cassa di afflusso. Sono le fibre che si aggrovigliano e attorcigliano su se stesse. Il sistema costruttivo delle casse di afflusso deve tenere conto di questa tendenza e, creando turbolenza controllata nell impasto, deve contrastare la formazione dei fiocchi o romperli e diminuirne la consistenza. Tuttavia sulla tela di formazione il feltro di fibre si forma in assenza di turbolenze e di forze di taglio, perché la turbolenza impressa dalla cassa di afflusso si smorza rapidamente sulla tela di formazione. Ciò può portare alla ricostituzione dei fiocchi di fibre. Si contrasterà la loro formazione facendo in modo il feltro di fibre nasca il più vicino possibile alla cassa di afflusso. Falchetti Daniele - La ritenzione - 4

6 Gli organi drenanti La formazione del foglio di carta avviene sulla tavola piana che costituisce la prima fase di lavorazione della carta nella macchina continua. La tavola piana è costituita da più organi che aiutano la formazione del nastro di carta. La cassa di afflusso è il primo organo che compone la tavola piana; successivamente troviamo la tela di formazione che trasporta l impasto fibroso; sotto di essa troviamo il cilindro capotela, il forming board, i listelli drenanti o foils, gronde di raccolta delle acque prime, il cilindro ballerino, le casse aspiranti e il cilindro aspirante. Inoltre la Tavola Piana è composta di vari rulli che guidano la tela di formazione, mantenendola tesa e ben orientata verso il cilindro capo tela, e da un sistema di spruzzi d acqua che assicurano la giusta pulizia e lubrificazione alla tela stessa prima che essa ritorni al trasposto dell impasto. Disegno tavola piana La cassa d afflusso È il primo componente della macchina continua. Essa ha il compito di ricevere l impasto fibroso dalla tina di macchina e di immetterlo in modo controllato sulla tavola piana dove avverranno le successive lavorazioni di drenaggio dell acqua e della formazione del foglio di carta. Alcuni aspetti che caratterizzano il lavoro della cassa di afflusso sono: eliminare le turbolenze che si vengono a creare nell impasto; fare in modo che l impasto lasci la cassa di afflusso con una pressione uniforme; eliminare i fiocchi di fibre che si vengono a creare; assicurare che ci sia un flusso regolare dell impasto per tutta la lunghezza del labbro. Falchetti Daniele - La ritenzione - 5

7 La cassa di afflusso è composta di: collettore piastra forata rulli forati spruzzo rotante regolatore di profilo labbro di uscita. La tela di formazione La tela di formazione non è altro che una larga cinghia chiusa ad anello, la cui larghezza determina il formato della carta prodotta dalla macchina continua stessa. In passato le tele erano intessute con fili di bronzo che ora sono stati sostituiti da fili sintetici che permettono di produrre tele mono, doppio o triplo strato, che sono utilizzate in funzione del tipo di carta da produrre. Le tele con maglie più fini sono utilizzate nelle carte molto sottili come ad esempio le carte per sigarette; le tele con maglie più larghe, invece, sono utilizzate per la produzione di carte aventi grammature più elevate, come ad esempio i cartoncini. La tela di formazione è il supporto sul quale il nastro di carta viene a formarsi ed ha il compito di portare l impasto verso la lavorazione successiva della macchina continua (la sezione presse). Falchetti Daniele - La ritenzione - 6

8 Cilindro capotela Il cilindro capotela serve a far cambiare direzione alla tela al termine del percorso di ritorno. Esso è posizionato sotto il labbro inferiore della cassa di afflusso, in modo tale che la tela sia sostenuta al momento dell impatto del getto di impasto. Il cilindro ha inoltre un movimento oscillatorio assiale che imprime uno scuotimento alla prima parte della tavola piana favorendo un orientamento più casuale delle fibre che tenderebbero, a motivo dell alta velocità di avanzamento del nastro, a distribuirsi in modo prevalentemente lineare. Il forming board Il forming board ha il compito di sostenere la tela nella zona più critica del drenaggio; infatti, in questa sezione si rischierebbe che le parti fini, gli additivi, ecc. vadano direttamente a trapassare la tela e quindi a disperdersi nelle acque del sottotela. Il forming board è costituito da listelli in materiale sintetico o in ceramica, aventi uno smusso rivolto verso la cassa di afflusso su cui scorre la tela. Per effetto idrodinamico, creano un alternanza di vuoto e pressione ed hanno quindi un effetto importante sulla formazione e drenaggio dell impasto. Listelli drenanti - foils I foils, questo è il nome con il quale sono più comunemente conosciuti, lavorano complessivamente con lo stesso principio del forming board; di diverso hanno la forma che si presenta come un piano leggermente inclinato che toccando la tela forma una depressione proprio sullo spigolo del foil. L impulso di drenaggio è meno forte, ma la sua durata è maggiore e può variare secondo la larghezza del listello stesso. Falchetti Daniele - La ritenzione - 7

9 Immagine della lavorazione Geometria del listello Foils Casse aspiranti Mano a mano che il feltro fibroso di carta si compatta sulla tavola piana, esso offre sempre maggior resistenza a cedere l acqua che ancora contiene. Per aumentare la disidratazione del foglio in formazione sarà necessario servirsi delle casse aspiranti. Esse sono costituite da un cassone chiuso con la faccia superiore forata che può essere di materiale sintetico o di ceramica. Sono poste sotto la tela di formazione, subito dopo i listelli drenanti, a sostegno della tela stessa che strisciando sul coperchio forato lo sigilla. All interno della cassa è praticato il vuoto ottenuto collegando la cassa stessa, tramite tubi di scarico, con una gamba barometrica e successivamente con le pompe che generano un basso vuoto che può essere variato in funzione della quantità d acqua che si vuole estrarre. In questa zona, per opera delle casse aspiranti, si elimina dal mantello fibroso il velo continuo d acqua in eccesso e attraverso il foglio in formazione inizia a passare l aria e la carta comincia a solidificarsi aumentando i legami interfibra. Falchetti Daniele - La ritenzione - 8

10 Il cilindro ballerino È lo scheletro di un cilindro rivestito da una rete metallica. Nella Cartiera Miliani di Pioraco dove sono prodotte carte filigranate, il cilindro ballerino è costituito da una tela di rame che è lavorata con specifiche forme tridimensionali punzonate o saldate sulla tela stessa; esse imprimono sul foglio la caratteristica della filigranatura. Il ballerino è posizionato sopra la tela di formazione in quella zona della tavola piana dove il foglio di carta si è quasi formato, ma dove non ha ancora perso del tutto l acqua in eccesso. Esso lavora appoggiato sulla carta premendo quanto basta sul feltro fibroso in modo da imprimere sul foglio la filigrana di cui è portatore. Il ballerino, oltre ad imprimere la filigrana, favorisce la separazione dell acqua e il compattamento dell impasto e della superficie della carta. Falchetti Daniele - La ritenzione - 9

11 Il cilindro aspirante Al termine della tavola piana troviamo il cilindro aspirante. La sua funzione è di togliere ulteriormente acqua alla carta in modo che essa possa, seppur non ancora del tutto asciugata, essere successivamente staccata dalla tela di formazione e (grazie al cilindro pick-up) trasferita alla sezione presse. Il cilindro aspirante è l organo motore che traina la tela di formazione. È costituito da un mantello in bronzo o acciaio forato attraverso al quale avviene l aspirazione dell acqua dalla carta. L interno del cilindro è suddiviso in tre casse aspiranti collegate all impianto del vuoto. Falchetti Daniele - La ritenzione - 10

12 Nella zona sottostante la tavola piana troviamo un sistema di cilindri che guidano e tendono la tela di formazione e degli uggelli che permettono la necessaria pulizia della tela. Vi sino inoltre le gronde di raccolta delle acque drenate che si suddividono in acque prime e in acque seconde che, mantenute separate, sono destinate a differenti riutilizzi. Le acque prime sono ricche di fibre, sostanze di carica e fini e sono riutilizzate per la diluizione dell impasto nel processo di lavorazione. Le acque seconde invece, meno ricche di fibre, cariche e fini, sono utilizzate per i vari lavaggi degli impianti idrici di pulizia della tela. Il riutilizzo differenziato delle acque del sotto tela consente un notevole risparmio di acqua fresca e quindi una chiusura dei cicli, portando vantaggi ecologici ed economici. I benefici della ritenzione meccanica Dopo aver dato una spiegazione di cosa è una ritenzione meccanica e della struttura della tavola piana possiamo dire in conclusione che in questa parte di macchina dobbiamo drenare il foglio garantendo una buona formazione per avere le caratteristiche ricercate e ritenere sulla tela di formazione il maggior quantitativo di solidi che compongono l impasto. All interno della cassa d afflusso la concentrazione di secco dell impasto e di circa lo 0,8% e alla fine del processo di lavorazione della tavola piana la sua concentrazione può arrivare a un secco di circa il 18,5%. Nelle figure sottostanti possiamo osservare il processo di drenaggio dell acqua nel processo di lavorazione della tavola piana, e la variazione di concentrazione che subisce l impasto. Falchetti Daniele - La ritenzione - 11

13 tabella n. 1 tabella n. 2 Falchetti Daniele - La ritenzione - 12

14 4. LA RITENZIONE CHIMICA Come abbiamo detto la ritenzione è la misura della quantità di solidi che restano nel foglio di carta in confronto alla quantità degli stessi che esce dalla cassa di afflusso. Durante la formazione del foglio gli elementi fini dell impasto, siano essi fibrosi che minerali, tendono a passare attraverso l intreccio fibroso e le maglie della tela di formazione dando origine al fenomeno del Doppio viso, cioè ad una distribuzione no uniforme degli elementi fini nella direzione dello spessore del foglio stesso. I fattori che possono influenzare la ritenzione sono molti come ad esempio: la velocità della macchina continua, un aspirazione non omogenea nella zona di formazione del foglio. Una bassa ritenzione causa quindi un accumulo di elementi fini nelle acque del sottotela che va a pesare negativamente non solo sulle prestazioni della macchina, ma anche sull impianto di depurazione delle acque, ma soprattutto induce costi maggiori per la Cartiera stessa. Per fare in modo di contenere questi inconvenienti, oltre che ad una corretta gestione del drenaggio meccanico, si fa ricorso a prodotti chimici che usati come additivi all impasto favoriscono una buona ritenzione. Analisi chimica della lavorazione Le materie prime usate per la fabbricazione della carta sono portatrici di forze elettrocinetiche di segno opposto (anionica o cationica). Durante la fase di formazione del foglio sulla tela di formazione miriamo a far sì che l impasto costituisca un intreccio ben legato in modo tale che riesca a resistere alle forze di drenaggio meccanico dell acqua. Allo scopo cercheremo di sfruttare le forze cinetiche rappresentate dalle cariche anioniche e cationiche potenziandole, all occorrenza, mediante adittivi chimici che, allo scopo aggiungeremo nell impasto. I coagulanti Riducono le forze di repulsione di carica tra le particelle e le parti fini mediante un meccanismo basato sulla neutralizzazione della carica dei materiali. I flocculanti Agiscono dopo i coagulanti e il loro scopo è di formare dei ponti di legame tra le fibre e le particelle fini, le cariche e gli additivi dando al nastro di carta un elevata resistenza. L utilizzo di questi prodotti ha portato vantaggi sia nel drenaggio sulla tavola piana che nel miglioramento dell asciugamento della carta e ciò tanto nella sezione presse che nella seccheria. La coagulazione La coagulazione agisce principalmente a favore dell unificazione delle particelle colloidali che hanno diametro inferiore a quello delle fibre. Ritenere sulla tela questi componenti senza un legame è impossibile, perciò si deve utilizzare un elettrolita che ha il compito che ha il compito di Falchetti Daniele - La ritenzione - 13

15 neutralizzare le forze di repulsione che ci sono all interno dell impasto o più specificatamente diminuire il potenziale Z (il potenziale Z misura la carica superficiale delle fibre e degli altri componenti dell impasto) il quale per una buona coagulazione deve avvicinarsi il più possibile allo zero. I coagulanti hanno la caratteristica di avere carica opposta rispetto ai componenti dell impasto.il solfato di alluminio (allume) e il policloruro di alluminio (PAC) sono i più utilizzati nel mondo cartario. I coagulanti possono essere di origine organica (basso peso molecolare e un alta carica canonica) e di origine inorganica (allume, PAC). Il solfato di alluminio lavora bene con un ph tra il 5 e il 7, ha un ottima ritenzione dei fini e delle cariche. Il policloruro di alluminio ha un potere coagulante più elevato e lavora con un inrvallo di ph maggiore (tra 5 10). La flocculazione Nel processo di coagulazione le particelle fini e ultrafini (la cui carica naturale è anionica) sono ben legate tra loro grazie ad un legame cationico che fa sì che si formi un primo legame. I flocculanti perciò hanno il compito di formare dei ponti di legame tra le particelle e le fibre formando dei fiocchi che vengono ben ritenuti sulla tela di formazione. Lo scopo del polimero flocculante è quello di agire sulle particelle neutralizzate e coagulate in modo tale che vengano flocculate grazie alla struttura ramificata della catena molecolare stessa, la quale ha la caratteristica di avere una carica ionica. Falchetti Daniele - La ritenzione - 14

16 C è da dire che affinché il flocculante possa agire bene bisogna rispettare alcuni parametri fondamentali come ad esempio: una elevata quantità d acqua che garantisce la formazione dei ponti i ponti di legame sono caratterizzati e influenzati dalla lunghezza molecolare del polimero e da quanta carica possiede il polimero stesso più è grande la carica del polimero e più resistenza ha il fiocco. Quando il flocculante agisce bene si avranno risultati ottimali nel processo di ritenzione. I prodotti utilizzati come flocculanti I flocculanti che sono utilizzati appartengono a due principali tipi di polimeri organici: sintetici e naturali. Falchetti Daniele - La ritenzione - 15

17 I punti di applicazione degli additivi ritentivi Il punto di immissione dei ritentivi e degli altri additivi chimici è spesso indicato dai fornitori dei prodotti stessi. I punti di immissione dei prodotti possono variare tra la tina di macchina e la cassa di afflusso. Si può dire che il punto di immissione dei prodotti ritentivi è influenzato principalmente dal tempo effettivo che impiega l additivo stesso ad agire con l impasto in modo tale che all uscita dalla cassa d afflusso i ritentivi abbiano svolto e completato il loro lavoro. Un altra variabile della quale si dovrà tenere conto è rappresentata dall assorbimento dei polimeri; la capacità, cioè, dei polimeri stessi di fissarsi alle fibre: le caratteristiche del polimero, linearità e flessibilità delle molecole; il numero di aree disponibili da parte della fibra per l assorbimento del polimero; l ambiente fisico: forza di taglio o turbolenza, consistenza dell impasto. Il punto d immissione è importante anche per avere una giusta regolazione dei dosaggi da utilizzare. In genere spetta al fornitore decidere i punti di immissione per un giusto dosaggio del ritentivo. Falchetti Daniele - La ritenzione - 16

18 5. IL CAMBIAMENTO DI RITENZIONE NELLO STABILIMENTO DI PIORACO DELLE CARTIERE MILIANI Lo Stabilimento di Pioraco delle Cartiere Miliani, negli ultimi anni, ha effettuato dei cambiamenti nel processo di ritenzione. In tempi passati la ritenzione veniva controllata con la sola poliacrilammina cationico, il PAC veniva utilizzato solo per specifici dosaggi di additivi della carta stessa, ora si è passati ha una combinazione formata dalla silice colloidale più amido cationico come floculante e come coaugulante viene utilizzato il policloruro di alluminio (PAC). Il cambiamento è stato fatto necessariamente per un cambiamento di produzione delle tipologie di carte prodotte che richiedono un maggior quantitativo di ceneri al loro interno, per un aumento delle velocità delle macchine stesse e per maggior risparmio economico. La poliacrilammide usata come agente di ritenzione non era più sufficiente per garantire acque del sotto tela pulite, quindi ad avere un alta efficienza degli additivi per le qualità della carta (cariche, collanti, colori, ecc.). Cosi dopo varie prove la scelta è caduta su un sistema di ritenzione fatto con silice colloidale coadiuvata d amido cationico. Nelle seguenti tabelle vengono elencate alcuni esempi delle ritenzioni prima e dopo il cambiamento. Risultati prima del cambiamento MP1 MP2 Tipo di Carta Disegno FA4 / L Copy 2 Grammatura gr /m Velocità m/min Produzione t/h 1,64 3,3 Ritenzione Totale % 96,3 82,6 Ritenzione Ceneri % 93 62,4 Falchetti Daniele - La ritenzione - 17

19 Risultati dopo il cambiamento MP1 MP2 Tipo di Carta Disegno FA4 / L Copy 2 Grammatura gr/m Velocità m/min Produzione t/h 2,64 4,03 Ritenzione Totale % 97,3 92,6 Ritenzione Ceneri % 93,6 80,3 L impiego del sistema silice più amido ha consentito di ottenere: una migliore regolazione della ritenzione dell impasto sulla tela di formazione; possibilità di regolare la ritenzione secondo il tipo di carta da produrre; la qualità della carta è rimasta costante; diminuzione dei fanghi nel processo di depurazione delle acque. Il sistema si è dimostrato particolarmente vantaggioso nella produzione delle carta filigranata in quanto consente di regolare in modo molto fine il rapporto acqua-fibra nel punto di contatto tra la tela di formazione e il cilindro della filigrana. Falchetti Daniele - La ritenzione - 18

20 6. CONCLUSIONI Ho steso volentieri queste semplici note al fine di dare il mio personale contributo ad illustrare il complesso mondo della fabbricazione della carta. Sono lieto di aver affrontato questi argomenti con i miei colleghi del 14 Corso di tecnologia per Tecnici Cartari. Falchetti Daniele - La ritenzione - 19

21 BIBLIOGRAFIA Appunti e dispense del corso di tecnologia cartaria del professor Paolo Zaninelli Dispense del prof. Francesco Gurzoni Materiale fornito sul cambiamento del ritentivo da Giuliano Passeri (Nalco) Un ringraziamento personale va a Gabrielli Adriano (responsabile del laboratorio chimico) e a Marco Tavolini (responsabile del reparto di produzione) Falchetti Daniele - La ritenzione - 20