EL EFECTO DEL ENVEJECIMIENTO DEL PAPEL SOBRE LA ELIMINACIÓN DE TINTA POR FLOTACIÓN

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1 EL EFECTO DEL ENVEJECIMIENTO DEL PAPEL SOBRE LA ELIMINACIÓN DE TINTA POR FLOTACIÓN Susanna Presta, Pere Sarquella, Pere Mutjé, M.Àngels Pèlach. Grupo LEPAMAP, Escola Politècnica Superior, Universitat de Girona, Campus Montilivi Girona (España). Tel , Fax , RESUMEN Tanto las fibras vírgenes como las fibras recuperadas son esenciales en el ciclo de formación del papel. Aproximadamente un 15% del papel que se utiliza no puede reciclarse por distintos factores, la mayoría relacionados con su uso final. La mayor parte del incremento de papel recuperado presente en los circuitos papeleros se debe a la recogida selectiva. Sin embargo, el incremento de contenedores específicos para dicha recogida no asegura una mejora en los circuitos finales de reutilización del papel viejo. Una forma de optimizar esta reutilización está en incrementar la eficiencia de los sistemas de recogida, comportando un ahorro económico y energético importante. Un factor clave radica en el tiempo que transcurre desde la impresión del papelote hasta su reincorporación en un circuito de destintado. El trabajo que se presenta analiza el efecto del envejecimiento del papel tanto sobre las propiedades físicas, empezando por la resistencia a la desintegración, como sobre las propiedades ópticas obtenidas después de un proceso de eliminación de tinta por flotación. La metodología de trabajo se ha diseñado para establecer el efecto del envejecimiento según norma TAPPI T 453 sp-97 sobre tres tipos diferentes de papel impreso: papel revista tipo LWC, papel revista tipo SC y papel fotocopia. Los principales resultados señalan que no se obtiene una correcta desintegración y en consecuencia, un buen desfibrado cuando el tiempo de envejecimiento es superior a las 72 horas. A medida que el papelote envejece, además de necesitar un proceso de desintegración más agresivo para superar un índice de Somerville superior al 0.1%, disminuye la resistencia a la tracción. Esta pérdida de resistencia se estabiliza con el tiempo en papeles muy viejos. Respecto a las propiedades ópticas de los papeles sometidos a procesos de envejecimiento acelerados, la concentración efectiva de tinta residual (ERIC) aumenta con el tiempo de envejecimiento, obteniéndose cada vez formetas con mayor concentración de tinta. La eficacia del proceso puede disminuir desde un 12% hasta un 74% después de 384 horas de envejecimiento del papel. La blancura de la hoja final sufre las mismas consecuencias que la concentración efectiva de tinta residual, disminuyendo a medida que se incrementa el tiempo entre su producción/impresión y su reentrada en un proceso de recuperación. PALABRAS CLAVES Envejecimiento acelerado, desintegración, flotación, grado desfibrado, resistencia a la tracción, eficacia destintado, papel revista, papel estucado calidad, papel fotocopia. INTRODUCCIÓN Es un tema bien conocido que la facilidad para eliminar la tinta en un papel recuperado depende enormemente del tipo de impresión al que ha sido sometido y principalmente, al proceso de secado de dicha tinta. A medida que aumenta el tiempo que pasa desde la impresión de un papel, su recuperación y posterior incorporación en un sistema de destintado la cohesión entre tinta y fibras (o capa de estucado en su caso) es superior dificultando el desprendimiento y la eliminación de este contaminante. La eficacia del proceso disminuye. La exposición del papel impreso a una degradación fuerte como puede ser algún tipo de radiación, elevadas temperaturas o ataque químico durante un periodo de días u horas puede darnos

2 información sobre los cambios naturales que puede sufrir un tipo de papel o bien, puede permitir clasificar distintas calidades del papel recuperado en función de su comportamiento ante un tiempo de envejecimiento. En la literatura existen numerosas incoherencias relativas a los fundamentos y a los resultados obtenidos utilizando el envejecimiento acelerado para el análisis de estos comportamientos. Los resultados son siempre relativos, independientemente del método (calor seco o húmedo) utilizado. Así pues, los objetivos de este trabajo se centran en comparar tres tipos de papel recuperado que llegan fácilmente a los circuitos de destintado ante un proceso de envejecimiento acelerado aplicando calor seco. Tanto las propiedades mecánicas (resistencia a la tracción) como las propiedades ópticas serán debidamente analizadas. EXPERIMENTAL El método por el cual se envejecen las muestras de papel está basado en la norma TAPPI T 453 sp- 97 Efecto del calor seco sobre las propiedades del papel y el cartón. Este método especifica el procedimiento para el tratamiento con calor seco así como el procedimiento general para comprobar los materiales tratados con calor. El propósito es obtener, a través de una prueba acelerada de envejecimiento, unas conclusiones respeto a las variaciones en la calidad del papel. Dicha calidad se evaluará en función de propiedades ópticas (blancura y concentración efectiva de tinta residual) y físicas (índice de Somerville de la fracción desintegrada y resistencia a la tracción). El índice de Somerville representa el porcentaje de pasta no desintegrada. Se considera una desintegración eficiente cuando el índice de Somerville es inferior al 0,1%. Las muestras de papel para someter a análisis fueron suministradas por HOLMENPAPER Papelera Peninsular, S.L.. de Fuenlabrada, Madrid, conjuntamente con material procedente de desecho del servicio de fotocopias de la UdG. Se analiza un papel revista tipo LWC (papel 1), papel revista tipo SC (papel 2) y papel fotocopia (papel 3). El papel tipo 1 es el papel utilizado para la propaganda de grandes superficies comerciales. El papel tipo 2 es un papel de calidad superior utilizado en la producción de revistas de la prensa del corazón. El papel tipo 3 es papel blanco fotocopiado (80 g/m 2 ). Las muestras de papel, debidamente identificadas y enumeradas, que deben someterse a proceso de envejecimiento se introducen en un horno con ventilación forzada a un temperatura uniforme de 105 ± 2º. Las muestras no tratadas no pueden estar expuestas a la luz solar y se recomienda guardar a temperatura de 23ºC y un 35% de humedad relativa. Cada muestra de papel se divide en 7 partes, que estarán sometidas a diferente tiempo de envejecimiento, tal como muestra la siguiente tabla. Tabla 1: Horas de envejecimiento a las que se someterán cada tipo de papel analizado Número de muestra Horas de envejecimiento ± 0, ± 0, ± 0, ± 1, ± ± 4 A medida que se cumple el tiempo previsto de envejecimiento, las distintas muestras de papel se someten a un proceso de desintegración en presencia de los reactivos químicos tradicionales utilizados en el destintado de mezclas de papelote industrial: 1,56% de silicato sódico; 1,42% de peróxido de hidrógeno; 0,18% de hidróxido sódico; tensioactivo aniónico (34 L/tm de pasta). El tiempo de desintegración necesario se determina a partir del índice de Somerville. La consistencia de desintegración es del 3% debido a las dimensiones del púlper de laboratorio y la temperatura de desintegración de 70ºC.

3 Una vez finalizada la desintegración, se somete la suspensión a una etapa de flotación cuyo objetivo primordial es la separación de la tinta de las fibras celulósicas. La consistencia de flotación se mantiene constante al 1%, la velocidad de agitación del rotor en 650 rev/min y el caudal de aire aplicado es de 1 l/h. El tiempo de flotación total se fija en 12 minutos. Finalizada la etapa de flotación se calcula el rendimiento en sólidos del proceso. Tanto de la etapa de desintegración como de la etapa de flotación se realizan las hojas de ensayo o formetas sobre las cuales se determinarán las propiedades ópticas y mecánicas. Todos los ensayos se realizan por duplicado. Sobre cada una de las formetas obtenidas se realizan los siguientes ensayos: - Determinación de la concentración efectiva de tinta residual (ERIC). Norma TAPPI T 567 pm-97 - Blancura según norma TAPPI T Factor de destintabilidad, basado en medidas de ERIC o medidas de blancura. Calculado según la expresión: (ERICD ERICF ) Factordestintabilidad = 100 ERICD - Ensayo de tracción, según norma UNE Este ensayo es interesante para determinar la resistencia de las fibras que puede verse influenciada por la calidad del papel, humedad, temperatura, cargas aplicadas, duración del ensayo, El valor obtenido es el índice de ruptura (I r, N/g)), calculado según la expresión: F I = r r g donde, F r = fuerza de ruptura (N) g = gramaje de la formeta (g) RESULTADOS Y DISCUSIÓN Los resultados del índice de Somerville para los distintos tipos de papeles, en función de las revoluciones aplicadas y del tiempo de envejecimiento se muestran en la tabla 2. Teniendo en cuenta que el desintegrador mantiene una velocidad constante de 3000 rev/min, se puede obtener el tiempo de desintegración necesario para cada caso en particular. Tabla 2: Valores del índice de Somerville obtenido para el papel tipo 1 (propaganda) en función del tiempo de envejecimiento (h) y de las revoluciones aplicadas (rev). Tiempo envejecimiento (horas) Revoluciones (rev) Índice Somerville (%) , , , , , , , , , ,48 PAPEL 1

4 La representación gráfica de los resultados puede verse en la figura 1. Puede observarse que cuando se incrementa el tiempo de envejecimiento, aumenta la dificultad para desintegrar el papelote, es decir, augmenta la resistencia a la desintegración. Este comportamiento se repite para todos los tipos de papelote utilizados. Para el papel tipo 1, un envejecimiento de 72 horas implica un incremento del 15% sobre el tiempo necesario para obtener una buena desintegración. Para tiempos de desintegración elevados (i.e., 288 horas) y con el desintegrador utilizado no se consigue una pasta pulpeada en condiciones. 20,00 Índice Somerville (%) 18,00 t=288h 16,00 t=72h 14,00 t=0h 12,00 10,00 8,00 6,00 4,00 2,00 0, Revoluciones Figura 1: Índice de Somerville en función de las revoluciones aplicadas al desintegrador, para el papel tipo 1, a distintos tiempos de envejecimiento. En el caso del papel tipo 2 o papel revista, la representación gráfica de los resultados obtenidos se muestra en la figura 2. Índice Somerville (%) 2,10 1,90 1,70 1,50 1,30 1,10 0,90 t=288h 0,70 t=72h 0,50 0,30 0, Revoluciones Figura 2: Índice de Somerville en función de las revoluciones aplicadas al desintegrador, para el papel tipo 2, a distintos tiempos de envejecimiento. Igual que para el papel tipo 1, la tendencia del índice de Somerville para el papel recuperado aumenta notablemente con el tiempo de envejecimiento. Analizando los distintos valores obtenidos y considerando que el índice de Somerville que se corresponde con una buena desintegración debe ser

5 inferior al 0.1%, se obtienen los distintos tiempos de desintegración para cada tipo de papelote en función del envejecimiento al que se someten. La tabla 3 muestra los resultados finales. Tal como puede observarse, los tres tipos de papel se comportan distintos ante el proceso de desintegración, siendo también altamente significativo el proceso de envejecimiento al que son sometidos. Tabla 3: Tiempos de desintegración necesarios para los distintos tipos de papel recuperado, en función del envejecimiento al cual se someten. Tiempo envejecimiento Tiempo de desintegración fijado (min) (horas) PAPEL 1 PAPEL 2 PAPEL Finalizada la etapa de flotación, el total de sólidos eliminados durante el proceso nos permite conocer el rendimiento de la operación. Los resultados obtenidos para los distintos tipos de papeles en función del tiempo de envejecimiento se representan en la figura 3. Rendimiento (%) papel 3 papel 2 papel Tiempo envejecimiento (h) Figura 3: Variación del rendimiento en sólidos del proceso de flotación en función del tiempo de envejecimiento para los tres tipos de papelote utilizados. El tipo de papelote que proporciona un rendimiento superior es el papel tipo 3 (fotocopia), oscilando siempre alrededor del 90%. Los papeles tipo 1 y 2 muestran rendimientos parecidos y del orden del 70%. El rendimiento del proceso aumenta ligeramente a medida que se incrementa el tiempo de envejecimiento. En los tres casos, los valores correspondientes a 48 horas de tratamiento con calor no siguen la misma tónica que los demás puntos. Una vez obtenidas las distintas formetas correspondientes a la desintegración y flotación, los resultados del ensayo mecánico de tracción se muestran en la figura 4.

6 Índice ruptura (N/g) DESINTEGRACIÓN paper Tiempo envejecimiento (h) Índice ruptura (N/g) FLOTACIÓN paper Tiempo envejecimiento (h) Figura 4: Índice de ruptura en función del tiempo de envejecimiento y de los distintos tipos de papelote, para las formetas de desintegración y flotación. El índice de ruptura disminuye con el tiempo de envejecimiento, estabilizándose a partir de las 144 horas, es decir, la pérdida de resistencia se estabiliza con el tiempo en papeles viejos. Los índices de ruptura para las formetas de desintegración están por debajo de los valores correspondientes a las formetas de flotación. El papel una vez flotado, es más difícil de romper con un esfuerzo de tracción. Durante la etapa de flotación no se añade ningún reactivo químico al proceso, únicamente se eliminan los contaminantes presentes en la suspensión papelera. Las cargas minerales que se eliminan durante la flotación permiten una mejor formación de la hoja de ensayo dando unos resultados de índice de ruptura superiores. El papel tipo 3, constituido por fibras celulósicas de mejor calidad, que no han sido recicladas previamente presenta unos índices de ruptura superiores tanto finalizada la operación de desintegración como de flotación. A continuación se presenta la discusión de las propiedades ópticas de las formetas obtenidas, así como los índices de destintabilidad descritos en el apartado anterior. En la gráfica de la figura 5 se representan los factores de destintabilidad en función del tiempo de envejecimiento para los tres tipos de papelote utilizados. Cabe recordar que en el factor de destintabilidad intervienen los ERICs de desintegración y de flotación. Un mayor factor de destintabilidad representará una mejor eliminación de tinta en el proceso global. Factor de destintabilidaderic (%) Tiempo envejecimiento (h) paper 1 Figura 5: Factor de destintabilidad basado en medidas de ERIC en función del tiempo de envejecimiento para los tres tipos de papelote utilizados. Tal como se observa en la figura 5, el factor de destintabilidad disminuye a medida que aumenta el tiempo de envejecimiento para todos los tipos de papelote tratados. La eliminación de tinta es más eficiente cuanto menos tiempo transcurre desde su impresión. La eficacia del proceso disminuye desde un 12% para el papel tipo 2, hasta un 74% para el papel tipo 3. Los valores de concentración efectiva de

7 tinta residual tanto para las formetas de desintegración como de flotación muestran comportamientos paralelos, incrementándose ligeramente para tiempos de envejecimiento elevados. El balance final es una disminución de la eficacia del proceso debido a la elevada fragmentación de las partículas de tinta en el proceso de desintegración más agresivo. El papel impreso en fotocopiadora es el que presenta una eficacia de proceso menor. Hay que tener en cuenta que dicho papel está impreso con tintas tóner, a diferencia de los otros dos papeles. Este tipo de tintas se eliminan adecuadamente por flotación cuando la etapa de desintegración las fragmenta adecuadamente. Tal como se ha apuntado al principio, el papel tipo 3 es el que necesita de un proceso de desintegración más agresivo para conseguir un índice de Somerville aceptable y, sin embargo, los diámetros de partícula de tinta obtenidos no pueden ser eliminados debidamente mediante un proceso de flotación clásico. Finalmente se analizan los resultados de blancura obtenidos a partir de las formetas de desintegración y flotación, así como el factor de destintabilidad correspondiente. Si comparamos los valores de blancura para los distintos tipos de papel, obtenemos las gráficas de la figura 6. Blancura (%) DESINTEGRACIÓN paper Tiempo de envejecimiento (h) Blancura (%) FLOTACIÓN paper Tiempo de envejecimiento (h) Figura 6: Valores de blancura de las formetas de desintegración y flotación en función del tiempo de envejecimiento para los distintos tipos de papelote. La eliminación de tinta durante el proceso de flotación supone un aumento de la blancura que se refleja en los valores globales de la figura de la derecha en comparación con los de la desintegración, representados en la parte izquierda de la figura 6. Si se observa la evolución de los valores de blancura con el tiempo de envejecimiento, estos disminuyen ligeramente para todos los tipos de papel, representando en término medio una disminución del 15% respecto los valores iniciales correspondientes a tiempos de envejecimiento de 0 horas. Estos resultados corroboran la pérdida de eficacia del proceso de destintado con el paso del tiempo para el papelote que debe tratarse. El papelote recuperado, con el tiempo de envejecimiento muestran mucha más resistencia a la desintegración, disminuyendo la fragmentación de las partículas de tinta y dificultando así la eliminación por flotación. Este mayor tamaño de las partículas de tinta puede comprovarse visualmente. El factor de destintabilidad basado en la blancura se comporta de forma muy similar al factor de destintabilidad obtenido en función del ERIC. El factor de destintabilidad disminuye con el tiempo de envejecimiento. La pérdida de eficacia del proceso de flotación a medida que envejece el papelote es muy superior para el papel tipo 1 o de propaganda, que se corresponde con el papel de menor calidad. CONCLUSIONES Las principales conclusiones obtenidas en este estudio se resumen a continuación: Los resultados del índice de Somerville muestran que no se consigue una correcta desintegración ni un buen desfibrado en cuanto el tiempo de envejecimiento supera las 72 horas. Sería necesario

8 utilizar un equipo de desintegración más agresivo (alta consistencia y rotor helicoidal) para mejorar las condiciones de desintegración. A medida que el papel envejece pierde resistencia a la tracción. Esta pérdida de resistencia se estabiliza con el tiempo. El análisis de la concentración efectiva de tinta residual muestra un aumento de ésta con el tiempo de envejecimiento. Para las formetas de desintegración, la deficiencia en el pulpeado genera grumos de tinta mayores y más difíciles de eliminar por flotación, aumentando los valores absolutos del ERIC y disminuyendo el factor de destintabilidad para los tres tipos de papelote analizados. La blancura final del papel reciclado disminuye a medida que aumenta el tiempo de envejecimiento. Un envejecimiento de la materia primera en los procesos de producción de pasta destintada provoca un incremento del coste importante, tanto en energía como en pérdida de propiedades. BIBLIOGRAFÍA Bansa, H, Accelerated ageing of paper: some ideas on its practical benefit Restaurator, 23(2), (2002). Norma TAPPI T 453 sp-97 Effect of dry heat on properties of paper and board (1997). Norma TAPPI T 567 pm-97 Determination of effective residual ink concentration by infrared reflectance measurement (1997). Norma UNE Determinación de las características físicas de hojas de ensayo de laboratorio. F. Carrasco, P. Mutjé, M.A. Pelach, F. Vilaseca, Cuantificación de la eficacia del destintado de papel mediante medidas de blancura y de concentración efectiva de tinta residual Investigación y Técnica del Papel, 34(134), (1997). P. Mutjé, S. Presta, M.A. Pèlach, F. Vilaseca, J.Labidi Cinética de desintegración de papel fotocopia recuperado Ingeniería Química 34(394), (2002). G. Pepelnjak, M. Cerni-Letnar, G. Novak Ageing Resistance of Coated and Uncoated Printing Papers" Papier, 49(2), (1995). AGRADECIMIENTOS Los autores quieren expresar su agradecimiento a la empresa HOLMENPAPER Papelera Peninsular, S.L.. de Fuenlabrada (Madrid), por el suministro de materias primas; a Ll. Parés por su trabajo en el laboratorio y al Ministerio de Ciencia y Tecnología por la financiación a través del proyecto PPQ C03-01.