blanqueo con ácido peracético y peróxido de hidrógeno de pastas

Transcripción

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.
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AGRADECIMIENTOS
Los autores agradecen a la empresa Ecopapel S.L. (Écija, Sevilla) la colaboración prestada y a la
DGICyT la concesión del proyecto de investigación CTQ2004-06564-C04-02.

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