blanqueo con ácido peracético y peróxido de hidrógeno de pastas
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blanqueo con ácido peracético y peróxido de hidrógeno de pastas
BLANQUEO CON ÁCIDO PERACÉTICO Y PERÓXIDO DE HIDRÓGENO DE PASTAS DE OLIVO A LA ETANOLAMINA Pérez I., de la Torre M.J., Ramos, E., Angulo, V., Gutiérrez,J. C. y Calatrava, S. F. Ingeniería Química. Universidad Pablo de Olavide. Ctra. Utrera km. 1,41013 Sevilla. España. Tlf:+34954348521, fax: +34954349151, [email protected] RESUMEN En este trabajo se ha realizado el estudio de la influencia de diferentes variables de operación, como son la concentración de ácido peracético y peróxido de hidrógeno (2-6 % y 1-4% sps respectivamente), temperatura (55-85 ºC), pH inicial (9-11) y tiempo (30-150 min.), sobre las características (rendimiento, índice Kappa, viscosidad y blancura) de las pastas blanqueadas. Para este estudio se han utilizando pastas de podas de olivo mediante el proceso etanolamina-sosaantraquinona. Se han establecido las ecuaciones que relacionan las variables del proceso con las características de las pastas mediante un diseño factorial central compuesto centrado en las caras, lo que permite obtener de forma satisfactoria las condiciones óptimas de operación. Las ecuaciones así calculadas reproducen los resultados experimentales con errores menores del 8%. Se deduce que para obtener la pasta con buenas características se requiere operar a elevado tiempo, concentración de peróxido y pH. Operando con elevadas concentraciones de ácido peracético a alta temperatura se obtiene una mayor blancura (73,63%), sin embargo las pastas presentan un rendimiento y viscosidad que se desvían del valor optimo en 3 y 18,6% respectivamente. Para obtener pastas con mayor rendimiento y viscosidad se recomienda operar con una baja concentración de ácido peracético (3,66%), una temperatura intermedia (74 ºC), obteniendo pastas con una blancura del 69,15%. PALABRAS CLAVES Blanqueo, etanolamina, olivo, TCF, peracético, peróxido de hidrógeno. ABSTRACT This work aim is study the relation between peracetic acid (2 to 6%), hydrogen peroxide (1 to 4%) concentration, temperature (55 to 85 ºC), initial pH (9 to 11) and time (30 to 150 minutes) over the bleached pulp characteristic (yield, Kappa Index, viscosity, brightness and viscosity/Kappa relation) and the reactive consumption. This study uses ethanolamine-soda-antraquinone pulps from olive tree wood. A central composite face centered experimental design is used to determinate relationship between pulp characteristics and process variables. This equations allow us calculate optimum operation conditions. Equations relating the dependent variables with the operational variables of the bleaching process were derived that reproduced the former with errors less than 8%. Recommended operation conditions are high values for time (150 min.), hydrogen peroxide concentration (4%) and pH (11) in all cases. Higher brightness (73,63%) is obtained operating at high peracetic acid concentration (6%) and temperature (85ºC); however, these condition origins a yield and viscosity lose from its optimum value (3 and 18,6% respectively). In order to avoid this lose an intermediate temperature (74 ºC) and a low peracetic acid concentration (3,66%) can be used, obtaining 69,15% brightness pulp. KEYWORDS Bleaching, ethanolamine, olive, TCF, peracetic, hydrogen peroxide. INTRODUCCIÓN El empleo de madera, desde hace más de un siglo, para la fabricación de papel ha permitido que las cantidades elaboradas de pastas para papel crecieran progresivamente con el transcurso de los años, con un consumo de madera de la misma magnitud que el de petróleo. En efecto, la producción de papel ha crecido en los últimos veinticinco años a razón del 3,2% anual, siendo las previsiones de crecimiento futuras, hasta el año 2010, por lo menos del 2,8% anual (1). El espectacular aumento de la utilización de la madera, que además es la materia prima más utilizada (90-95% del total de las materias primas), está conduciendo a un problema de abastecimiento de materias primas, que se agudiza con el tiempo, provocando además la desforestación de suelos, con los problemas medioambientales que ello conlleva. Por esta razón, muchos de los trabajos de investigación realizados en los últimos años se han centrado en la búsqueda de nuevas materias primas. Particularmente, las podas de olivo son muy abundantes en España, y concretamente en Andalucía. España produce una gran cantidad de residuos de la tala del olivar (más de 2 millones de toneladas al año), contribuyendo Andalucía con más del 60% a esta cifra (2-3). Estos residuos no tienen aplicaciones específicas en la actualidad, por lo que, por lo general, se queman in situ, sobre los propios terrenos de cultivo del olivar, acarreando problemas derivados de la polución del aire, riesgos de incendios, etc. Estudios previos sobre las características de estos residuos, en concreto sobre su posible utilidad en la obtención de pastas celulósicas, demuestran que la madera de olivo tiene una bondad intermedia entre la de los residuos agrícolas (paja de trigo, tallos de girasol, sorgo y algodonera, etc.) y las maderas de pino y eucalipto (4). También, hay que resaltar, que en la cocción de materias primas para la obtención de pastas se producen grandes cantidades de lejías residuales de alto poder contaminante, principalmente si se utilizan los procesos convencionales que emplean sulfito y sulfato. Una solución a este problema consiste en la separación de las fibras y la lignina mediante disolventes orgánicos. Aunque desde hace mucho tiempo se conoce la posibilidad de aplicar estos disolventes, hasta hace poco no se han puesto a punto este tipo de procesos en plantas piloto, y aún no se han desarrollado definitivamente a escala industrial (5). Se han estudiado multitud de disolventes, destacando los alcoholes (6) y ácidos orgánicos de bajo peso molecular (7), el medio ácido aportado o el conseguido en la deslignificación provoca un cierto daño en las fibras celulósicas, con la consiguiente pérdida de calidad de las hojas de papel obtenidas con estas pastas; ello podría evitarse con la utilización de disolventes como la etanolamina en medio básico. Por otra parte, en el blanqueo de las pastas se producen lejías residuales de alto poder contaminante, principalmente si se emplean procesos de blanqueo que utilizan cloro y sus derivados. Por eso, en el blanqueo de las pastas se han estudiado diferentes sistemas ECF (sin cloro elemental) y TCF (totalmente libres de cloro), aunque la aplicación práctica es estos últimos dista de ser una total realidad, por lo que puede ser interesante profundizar en el estudio del blanqueo de pastas celulósicas para papel utilizando reactivos distintos al cloro y sus derivados, como el ácido peracético y el peróxido de hidrógeno (8). El ácido peracético, debido a su poder oxidante y a su gran selectividad hacia la lignina, ha sido, desde hace tiempo, utilizado en el blanqueo de diferentes pastas, ya que según las condiciones de trabajo pueden presentar solamente propiedades blanqueantes o además deslignificantes (9). Esto es así por las características particulares de enlace peróxido. En medios acuosos y con un pH ácido (entre 1-6), este enlace actuaría de forma electrófila atacando al anillo de lignina (10) y con pH básico (superior a 8) la forma favorecida del ácido peracético es el anión peracetato con fuerte carácter nucleófilo, atacando preferentemente a los grupos cromóforos de la cadena alifática de la estructura de la lignina. El peróxido de hidrógeno se utiliza en la industria papelera en el destintado de papel viejo, como reactivo químico de cocción y como agente de blanqueo de pastas, solo o en secuencias ECF (libres de cloro elemental) o TCF (totalmente libres de cloro) (8, 11-12). En el blanqueo de pastas cuando las condiciones de operación son suaves, el peróxido de hidrógeno, puede carecer de efecto deslignificante, lo que lo hace atractivo para el blanqueo de pastas de alto rendimiento (mecánicas y semiquímicas), puesto que se consiguen buenos niveles de blancura con unas mínimas perdidas de rendimiento. En cambio, cuando las condiciones son más severas actúa como deslignificante, pudiéndose aplicar a pastas químicas, consiguiendo pastas de blancura elevada, muy estables y poco degradadas. EXPERIMENTAL Materia Prima Se utiliza podas de olivo procedentes de una explotación agrícola local, con la siguiente composición: 10,4% de contenidos en extraíbles en etanol-benceno, 61,5% de holocelulosa, 35,7% de alfa-celulosa y 19,7% de ligninas. Caracterización de la materia prima y de las pastas celulósicas Para la caracterización de la materia prima se siguen los métodos: TAPPI 204 para la determinación del contenido en extraíbles en etanol-benceno, TAPPI 211 para las cenizas, Wise et al. (13) para la holocelulosa, TAPPI 203 os-61 para la alfa-celulosa y TAPPI 222 om-98 para las ligninas. La determinación del índice kappa, blancura y viscosidad de las pastas crudas y blanqueadas se determinan según las normas TAPPI 236, UNE 57-062 y UNE 57-039 respectivamente. Proceso de pasteado Se utiliza un reactor cilíndrico discontinuo de 15 litros de capacidad, envuelto por una camisa constituida por un sistema de resistencias eléctricas para la calefacción. El conjunto está calorifugado adecuadamente. El sistema anterior está unido, mediante un eje rotatorio, a la unidad de control, donde existe un motor para accionar la agitación del reactor, mediante volteo, y los instrumentos de medida y control de la temperatura y la presión. Completa la instalación una válvula de seguridad, acoplada al reactor, y una válvula convencional de expansión. El olivo troceado en astillas de 2 cm se introduce en el reactor. La relación líquido/sólido se ajusta a 4:1 adicionando etanolamina al 70% e hidróxido sódico al 1% (s.m.p.s.), como aditivo se adiciona antraquinona al 0.5% (s.m.p.s.). La cocción se lleva a cabo a 185 ºC durante 30 minutos. Después de la cocción se filtra el contenido del reactor y se lava el sólido resultante con agua, pasando después por un desfibrador de materiales cocidos, un refinador de discos (Sprout-Waldron), un separador de fibras e incocidos, un separador de fibras y agua, y finalmente se seca al aire. La pasta así obtenida presenta las siguientes características: Índice Kappa 38, viscosidad 796 mL/g y blancura 33,60%. Diseño de experimentos Para realizar este estudio se ha utilizado un diseño de experimentos factorial compuesto centrado en las caras, que para las cinco variables estudiadas (temperatura, tiempo, pH, concentración de ácido peracético y concentración de peróxido de hidrógeno) origina 27 condiciones de operación (14). Los valores de las variables independientes se normalizan entre -1 y 1 según se muestra en la tabla 1. Los resultados experimentales que corresponden a estas condiciones se tratan mediante el programa estadístico BMDP mediante una regresión múltiple cuadrática, eliminado los términos no significativos mediante el método de “Stepwise” (15). Tabla 1: Valores absolutos y normalizados de las variables de operación utilizados en el diseño de experimentos empleado en el blanqueo de las pastas. E Te (ºC) ti (min) pH P (%) PA (%) XTe Xti XpH XP XPA 1 85 150 11 4 6 1 1 1 1 1 2 85 150 11 1 2 1 1 1 -1 -1 3 85 150 9 4 2 1 1 -1 1 -1 4 85 150 9 1 6 1 1 -1 -1 1 5 85 30 11 4 2 1 -1 1 1 -1 6 85 30 11 1 6 1 -1 1 -1 1 7 85 30 9 4 6 1 -1 -1 1 1 8 85 30 9 1 2 1 -1 -1 -1 -1 9 55 150 11 4 2 -1 1 1 1 -1 10 55 150 11 1 6 -1 1 1 -1 1 11 55 150 9 4 6 -1 1 -1 1 1 12 55 150 9 1 2 -1 1 -1 -1 -1 13 55 30 11 4 6 -1 -1 1 1 1 14 55 30 11 1 2 -1 -1 1 -1 -1 15 55 30 9 4 2 -1 -1 -1 1 -1 16 55 30 9 1 6 -1 -1 -1 -1 1 17 85 90 10 2,5 4 1 0 0 0 0 18 55 90 10 2,5 4 -1 0 0 0 0 19 70 150 10 2,5 4 0 1 0 0 0 20 70 30 10 2,5 4 0 -1 0 0 0 21 70 90 11 2,5 4 0 0 1 0 0 22 70 90 9 2,5 4 0 0 -1 0 0 23 70 90 10 4 4 0 0 0 1 0 24 70 90 10 1 4 0 0 0 -1 0 25 70 90 10 2,5 6 0 0 0 0 1 26 70 90 10 2,5 2 0 0 0 0 -1 27 70 90 10 2,5 4 0 0 0 0 0 E: número de ensayo; Te, ti, pH, P y PA: valores absolutos de temperatura (ºC), tiempo (min.), pH y concentraciones de peróxido de hidrógeno y de ácido peracético; XTe, Xti, XpH, XP y XPA: valores normalizados de temperatura, tiempo, pH y concentraciones de peróxido de hidrógeno y de ácido peracético. Proceso de blanqueo La pasta junto con los reactivos de blanqueo se introduce en bolsas de plásticos transparente resistentes al calor y se sumergen en un baño termostático. En todos los casos se mantiene constantes la consistencia (10%) y se adicionan las mismas cantidades de sulfato de magnesio (0,2%) y DTPA (0,5%). Para cada experimento se varían la temperatura y tiempo de blanqueo, se añaden concentraciones distintas de ácido peracético y peróxido de hidrógeno y se varia el pH, ajustándolo con hidróxido sódico, según la tabla 1. RESULTADOS Y DISCUSIÓN Los resultados obtenidos para las variables que caracterizan a las pastas celulósicas blanqueadas (rendimiento, blancura, índice kappa y viscosidad), para cada uno de los experimentos considerados, se presentan en la tabla 2. Para el estudio de la influencia de las variables del proceso de blanqueo con ácido peracético y peróxido de hidrógeno (temperatura, tiempo, pH y concentración de reactivos) sobre las variables que caracterizan a las pastas blanqueadas, se aplica un análisis de regresión múltiple, considerando como variables independientes las cinco variables de operación de la tabla 1, esas mismas variables al cuadrado y sus interacciones dos a dos, a la vez que se aplican los datos experimentales de las variables dependientes de la tabla 2. Tabla 2: Valores experimentales de las características de las pastas blanqueadas. E RE (%) BL (%) IK VI (mL/g) 1 92,64 73,06 12,84 688,38 2 93,76 63,74 19,03 839,04 3 92,50 61,87 20,56 795,06 4 92,33 69,22 16,60 679,53 5 94,43 65,43 18,32 781,63 6 94,22 62,96 17,33 819,57 7 93,51 58,47 21,76 842,83 8 92,95 55,80 23,58 843,06 9 95,61 63,50 19,09 879,58 10 96,02 66,68 16,95 835,80 11 92,45 63,32 20,87 726,45 12 95,18 55,83 20,37 856,98 13 94,01 63,96 23,80 859,33 14 96,21 56,27 22,72 863,62 15 96,96 53,89 24,12 886,03 16 94,70 57,31 23,19 846,10 17 94,57 62,50 21,60 857,57 18 94,58 56,69 23,44 798,00 19 94,29 60,18 21,91 863,33 20 94,28 55,32 23,39 830,14 21 95,53 64,44 18,72 842,91 22 93,33 60,27 21,62 834,52 23 94,70 58,93 21,80 842,46 24 93,07 58,93 22,18 878,05 25 92,49 58,16 22,42 822,44 26 95,74 56,15 24,54 873,48 27 94,77 60,56 23,03 845,30 RE: Rendimiento (%); BL: Blancura; IK: Índice kappa; VI: Viscosidad (mL/g) La selección de los términos estadísticamente significativos se realiza con el criterio de poseer un valor de F (de Snedecor) mayor que 4. Se tiene en cuenta además que los intervalos de confianza al 95% para los coeficientes de cada variable o parámetro constante de los modelos, no incluyan al cero. Las ecuaciones encontradas para las distintas variables dependientes, relacionadas con las características de las pastas, son las siguientes: RE = 94.2528 - 0.8226 XTe + 0.4741 XpH - 0.6095 XPA (1) 2 BL = 58.6012 + 1.9785 XTe + 2.6661 X ti + 2.4482 XpH + 0.8719 XP + 2.2593 XPA + 3.3988 XpH + 1.0019 X ti XPA + 1.0564 XpH XP - 0.6497 XP XPA ( 2) 2 2 IK = 22.7112 - 1.2745 XTe - 1.6664 X ti - 1.3259 XpH - 0.9193 XPA - 2.5877 XpH - 0.7678 XP2 + 0.7215 XPA + 0.2867 XTe X ti - 0.5630 XTe XpH - 0.4810 XTe XP - 0.7179 XTe XPA - 0.5696 X ti XPA - 0.347 XpH XP + 0.5511 XP XPA (3 ) VI = 848.0706 - 22.5133 XTe - 22.6761 X ti - 27.6696 XPA - 31.4839 X2Te + 17.4158 X ti XpH - 27.1238 X ti XPA ( 4) Donde RE representa el rendimiento (%), BL la blancura, IK el índice kappa, VI la viscosidad (mL/g), XTe la temperatura normalizada, Xti el tiempo de proceso normalizado, XpH el pH normalizado, XP la concentración de peróxido de hidrógeno normalizada y XPA la concentración de ácido peracético normalizada. En la tabla 3 se presentan los valores de F de Snedecor, los mayores de p, los menores de t de Student y r múltiple para las ecuaciones anteriores. Tabla 3: Valores de parámetros estadísticos para las ecuaciones que relacionan las variables dependientes de las pastas blanqueadas con las variables de operación. Variable dependiente RE (%) BL (%) IK VI (cm3/g) Parámetros estadísticos T de P< Student > 0,0390 2,19 0,0601 2.01 0,0409 2,29 0,0346 2,27 F de Snedecor 9,05 34,81 56,90 9,66 R mult. 0,7357 0,9739 0,9926 0,8623 Los valores estimados mediante las ecuaciones anteriores reproducen los resultados experimentales de las distintas variables dependientes consideradas para las pastas, con errores menores del 2% para el rendimiento, del 5% para la blancura y para el índice kappa y del 8% para la viscosidad. Como puede observarse en las gráficas de las figuras 1 y 2, obteniéndose gráficas similares para las demás variables. ÍNDICE KAPPA BLANCURA, (%) 75 25 73 24 23 71 22 67 Valores calculados Valores calculados 69 +5% 65 63 61 -5% 59 21 20 +5% 19 18 -5% 17 16 15 57 14 55 13 12 53 53 55 57 59 61 63 65 67 69 71 73 75 Valores experimentales Figura 1: Blancura de las pastas blanqueadas calculados mediante la ecuación 2 frente a los experimentales. 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 Valores experimentales Figura 2: Índice Kappa de las pastas blanqueadas calculados mediante la ecuación 3 frente a los experimentales. Para determinar que valores de las variables independientes proporcionan resultados óptimos de las variables dependientes de las pastas, se ha aplicado la programación no lineal múltiple (16) siguiendo el método de More y Toraldo (17). En la tabla 4 se presentan los valores óptimos y los correspondientes valores requeridos para las variables independientes, encontrados al utilizar la programación no lineal múltiple, mediante el método de More y Toraldo señalado antes. En la figura 3 puede visualizarse la variación de la blancura con la temperatura y el pH, manteniendo el tiempo y las concentraciones de peróxido de hidrógeno y ácido peracético en valores altos y en la figura 4 la variación de la viscosidad con las concentraciones de peróxido y peracético, manteniendo la temperatura en un valor medio bajo y el tiempo y pH en valores altos, siendo éstas las condiciones de operación para obtener los valores óptimos de las variables dependientes consideradas. Tabla 4: Valores de las variables de operación en el blanqueo, para obtener valores óptimos para las variables dependientes relacionadas con las pastas blanqueadas. Valor Variable óptimo de la dependiente variable dependiente 96,16 max. RE (%) 73,63 max. BL (%) 13,05 min. IK 901,63 max. VI (cm3/g) Valores normalizados de las variables independientes para obtener valores óptimos de las variables dependientes XTe Xti XpH XP XPB -1 1 1 -0,36 1 1 1 1 1 1 1 1 1 -0,67 -1 1 1 -1 Te = -0,36, ti = 1 y pH = 1 ti = 1, P = 1 y PA = 1 76 920 74 60 0,5 -0,5 0,0 pH -0,5 -1,0 Te m 0,0 pe ra 0,5 62 -1,0 Figura 3: Variación de la blancura de las con la temperatura y el pH, manteniendo el tiempo y las concentraciones de peróxido y peracético en valores altos. ep eró xid o 1,0 64 860 1,0 840 0,5 820 800 0,0 780 nd 66 880 Co nce nt r aci ó 68 tu ra Blancura, % 70 , ml/g Viscosidad 900 72 -0,5 -0,5 Conce 0,0 ntració n 0,5 de pera 1,0 cético -1,0 Figura 4: Variación de la viscosidad con las concentraciones de peróxido y peracético, manteniendo la temperatura en un valor medio bajo y el tiempo y pH en valores altos. CONCLUSIONES En el caso de operar en las condiciones más enérgicas se obtienen pastas con una elevada blancura (73,63 %) y un bajo valor de índice Kappa (13,05), que corresponden con los óptimos señalados en la tabla 4, desviándose el rendimiento y la viscosidad en un 3% y un 18,6% respectivamente de sus valores óptimos. Hay que tener en cuenta que al operar así se requiere un elevado consumo de reactivo y gasto energético. Para el supuesto de operar a valores medio alto de temperatura (74 ºC), tiempo (150 min.), pH (11) y concentración de peróxido (4%) altos y concentración de peracético medio bajo (3,66%), mejoramos el rendimiento (94.60%) y la viscosidad (846,15 mL/g) desviándose sólo en un 1,62% y un 6,08% respectivamente de sus valores óptimos, pero nos desviamos de los valores óptimos de la blancura (69.15%) e Índice kappa (15.65) en un 6,46% y un 20,01% respectivamente. En este segundo supuesto disminuimos los gastos requeridos para el calentamiento al utilizar menor temperatura y los gastos de consumo de ácido peracético. Este modo de operar repercute favorablemente en el coste del proceso de blanqueo. BIBLIOGRAFÍA (1) McNutt, J.A. y Rennel, J. (1997). The future of fiber in tomorow's world. Pulp and Paper International, 39 (2), 48. (2) Jiménez, L.; Navarro, E.; Pérez, I.; Maestre, F. (1997). “Disponibilidad, Almacenamiento y Caracterización de Residuos Agrícolas para la Fabricación de Pastas Celulósicas para Papel”. Investigación y Técnica del Papel. 131, 130-152. (3) Morimoto, M., (2001). Nonwood plant resources. The status quo and their feasibility to paper industry. TAPPI Journal, 55 (7): 49-63. (4) I. Pérez. (1998). “Fabricación de papel a partir de madera de olivo”. Tesis doctoral. Departamento de Ingeniería Química. Universidad de Córdoba. (5) Asiz S.; Sarkanen, K. (1989). Organosolv Pulping. A review. TAPPI JOURNAL. 72, 3, 169-175. 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(Écija, Sevilla) la colaboración prestada y a la DGICyT la concesión del proyecto de investigación CTQ2004-06564-C04-02.