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(2002-2005)
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Chercheurs du LGP2 (EFPG, INPG, CNRS, CTP)
(Novembre 2006)
 
Documents extraits du
"Rapport d'activité scientifique du Laboratoire de Génie des Procédés Papetiers  - UMR 5518
Grenoble - France
Janvier 2002 - Novembre 2005"

I - Génie papetier et de l'environnement

I - 2 - Interdépendance de la floculation des fibres et de la rétention des éléments fins dans une suspension papetière
Patrick Huber, Jean-Claude Roux, Évelyne Mauret, Naceur Belgacem, Bruno Carré, Mark Martinez

Ce travail de thèse a été réalisé dans le cadre d'une convention CIFRE regroupant le Laboratoire de Génie des Procédés Papetiers (LGP2) et le Centre Technique du Papier (CTP). Les synergies issues des relations entre trois équipes du LGP2 (génie papetier, physique des structures fibreuses et matériaux), des chercheurs du CTP tournés vers les préoccupations industrielles et le département Génie Chimique de l'Université de Colombie Britannique à Vancouver (UBC) ont donné une dynamique originale à ce projet, alliant recherche de base et applications pratiques.

La floculation de la pâte dans les circuits de tête conditionne en grande partie la qualité de la formation de la feuille de papier sur la machine. Les compositions papetières industrielles sont constituées de fibres cellulosiques, d'éléments fins issus de fibres, de charges minérales et d'adjuvants chimiques, l'ensemble de ces éléments donnant lieu à diverses interactions, tant physico-chimiques que mécaniques. Afin de retenir ces fines particules dans la feuille, des agents de rétention physicochimiques sont indispensables. Ces agents de rétention sont performants mais non sélectifs : en plus de la fixation souhaitée des éléments fins sur les fibres, ils provoquent la floculation non désirée des éléments fins entre eux, et la floculation des fibres. Ils nuisent donc aux propriétés optiques et mécaniques du papier. L'objectif de cette étude est d'estimer dans quelle mesure la rétention des éléments fins et la floculation des fibres sont liées dans le processus de fabrication de la feuille, de façon à maximiser la rétention tout en limitant la floculation.

Nous avons cherché, dans un premier temps, à décrire la floculation "mécanique" des fibres, en l'absence d'agents de rétention. Dans ces conditions, la floculation est déterminée à la fois par l'encombrement des fibres au sein de la suspension (concentration adimensionnelle tenant compte de la morphologie de la fibre) et l'énergie turbulente appliquée. Deux méthodes ont été développées afin d'étendre la notion de facteur d'encombrement, à des suspensions fibreuses présentant une distribution de longueur de fibre. Nous avons ensuite utilisé cette approche pour décrire des mesures expérimentales de la floculation acquises avec le dispositif de la [Figure 1]. L'influence de la concentration et de la vitesse d'écoulement sur la floculation de mélanges de fibres courtes et fibres longues a été étudiée. Une expression a été proposée pour relier le facteur d'encombrement de la distribution de longueur de fibre à l'indice de floculation, intégrant l'effet de la vitesse d'écoulement de la suspension [Figure 2].

Implémentation du capteur de floculation des fibres dans la boucle de circulation de pâte et exemple de mesure de l'indice de floculation   Test de la validité de l'expression donnant l'indice de floculation en fonction du facteur d'encombrement et de la vitesse d'écoulement de la pâte dans la veine de mesure du capteur
Figure 1 - Implémentation du capteur de floculation des fibres dans la boucle
de circulation de pâte et exemple de mesure de l'indice de floculation
 
  Figure 2 - Test de la validité de l'expression donnant l'indice de floculation
en fonction du facteur d'encombrement et de la vitesse d'écoulement
de la pâte dans la veine de mesure du capteur

Ce résultat confirme la pertinence d'utiliser le facteur d'encombrement pour décrire la floculation des fibres. Enfin, nous avons montré que les distributions de taille de flocs pouvaient être caractérisées par une loi de Weibull, sur un large domaine de conditions papetières, en présence d'agents de rétention et de charges ou non. Une relation entre l'indice de floculation et les paramètres de la distribution de Weibull modèle a été établie. Puis la formation de feuille correspondante est prédite selon le modèle de Farnood et al. La relation floculation/formation ainsi calculée n'est pas linéaire: la formation est particulièrement sensible aux faibles indices de floculation, et ce à une échelle d'inspection de l'ordre de 3 mm [Figure 3].

Dans un deuxième temps, nous nous sommes intéressés à la floculation physico-chimique des fibres, en étudiant l'effet de polyélectrolytes sur des suspensions industrielles (de type impression-écriture) contenant des charges minérales. Nous avons comparé le comportement floculant de 5 systèmes de rétention : ATC+CS, ATC+CS+ASI, ATC+ASI+CS, ATC+CS+APAM et ATC+CS+CPAM (où ATC=coagulant, CS= amidon cationique, ASI=microparticule, APAM=polyacrylamide anionique et CPAM = polyacrylamide cationique). La tendance à faire floculer les fibres varie nettement d'un système à l'autre. Le système à micro-particules ATC+CS+ASI présente la plus faible sensibilité à la floculation (principal avantage pour des fabrications impression-écriture), à un coût de fonctionnement comparativement très élevé. A rétention égale, le système polyelectrolyte ATC+CS+APAM semble économiquement plus rentable [Figure 4]. Cependant, lorsque l'on cherche à favoriser l'égouttage dans le même temps, son compromis floculation/rétention est fortement dégradé, et le coût de fonctionnement double.

Sensibilité de la formation à la floculation   Compromis coût/floculation pour les différents systèmes de rétention étudiés
Figure 3 - Sensibilité de la formation à la floculation
(zones de sensibilité maximale en foncé)
  Figure 4 - Compromis coût/floculation pour les différents systèmes de rétention étudiés
(la valeur numérique de l'indice de floculation est reportée à chaque point
de fonctionnement, et l'égouttage est repéré par les codes de couleur)

Finalement, dans le but d'extrapoler nos résultats de laboratoire à une partie humide de machine à papier, nous avons modélisé l'enrichissement des circuits en éléments fins provoqué par la re-circulation des eaux de process. L'effet des éléments fins sur la floculation des fibres a été étudié. Des mesures de floculation fibreuse sur boucle pilote montrent que des éléments fins constitués d'un mélange un tiers fines de cellulose et deux tiers charges de carbonate de calcium, n'interagissent pas mécaniquement avec les fibres.
Cependant, ils provoquent une nette augmentation de la floculation des fibres en présence d'un système de rétention composé d'amidon cationique et de polyacrylamide anionique [Figure 4]. Nous avons estimé que la fraction maximale d'éléments fins étudiée sur la boucle (43 %) pouvait être observée en caisse de tête pour une rétention de 63 %. Il est donc probable que l'effet néfaste des éléments fins sur la floculation des fibres soit amplifié sur machine à papier. Il semble souhaitable de maintenir un bon niveau de rétention des éléments fins sur machine pour optimiser la formation de feuille.

Ce travail a permis de montrer l'intérêt d'une mesure de la floculation des suspensions fibreuses, fondée sur la distribution de taille des flocs et peu sensible à la présence de charges minérales. L'étude des différents systèmes de rétention, très largement représentatifs des additifs employés en industrie, a montré qu'ils affectaient de façon importante la floculation des fibres. Elle a permis de valider certaines pratiques industrielles et propose une méthode pour le choix d'un système de rétention en fonction du triple compromis floculation/rétention/égouttage.

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