OPTIMIZACIÓN DE LA ETAPA O Y Op EN LOS PROCESOS DE BLANQUEO DE PASTAS QUÍMICAS DE KENAF

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1 PTIMIZACIÓN DE LA ETAPA Y p EN LS PRCESS DE BLANQUE DE PASTAS QUÍMICAS DE KENAF A. de la Rosa, T. Vidal, J.F. Colom España. Departamento de Ingeniería Textil y Papelera. Escuela Técnica Superior de Ingeniería. Industrial de Terrassa. Universidad Politécnica de Cataluña. C/Colom, Terrassa. Barcelona. Tel: Fax: colom@etp.upc.es Resumen El kenaf es comparado en calidad a ciertas especies madereras, como fuente de obtención de pastas de papel. Es una materia prima ideal para papel prensa, impresión y escritura, aunque tambien se puede utilizar en la mayoría de calidades de papel, sola o en combinación con otras fibras. En los estudios recientes del blanqueo de pastas químicas de kenaf, se ha puesto especial atención en las secuencias TCF. Siguiendo con esta línea de blanqueo, se ha establecido como primera etapa de la secuencia total, una deslignificación con oxígeno, acompañada o no de peróxido de hidrógeno. Con el objetivo de optimizar y comparar estas dos etapas, se ha confeccionado un plan experimental en el que se han escogido las siguientes variables de proceso: dosis de NaH, tiempo y temperatura, para la etapa. En el caso de la etapa p, las variables seleccionadas han sido: dosis de NaH, dosis de peróxido de hidrógeno y temperatura, siendo el tiempo un valor fijo. Las respuestas modelizadas han sido la blancura, el índice kappa y la viscosidad. Palabras Clave: Kenaf, Hibiscus Canabinus, no maderera, TCF, blanqueo, oxígeno, peróxido de hidrógeno. Introducción El Kenaf (Hibiscus Canabinus) es una planta no maderera, anual dicotiledónea, originaria de centro Africa (1). Sus plantaciones se han extendido por todo el mundo, debido a su rápido y renovado crecimiento, a las modestas cantidades de productos químicos que requieren sus cultivos y a la amplia variedad de productos que se puede obtener a partir del vegetal. Dentro de la industria papelera se han realizado diversas experiencias con esta materia prima. El kenaf procesado por el método kraft o al sulfito neutro ha dado propiedades superiores a las de pasta comercial de maderas duras, excepto en resistencia al desgarro, que fue comparable a maderas blandas kraft y superior a maderas blandas al sulfito (). En el campo del blanqueo se están aplicando medidas para reducir los consumos de cloro, debido a la elevada toxicidad que sus efluentes contienen. Algunos de los productos químicos que se utilizan en la actualidad para reemplazar al cloro y a sus derivados son el oxígeno, el peróxido de hidrógeno y el ozono (3). Metodología El kenaf utilizado en el proceso de deslignificación con oxígeno, es de procedencia industrial y ha sido obtenido mediante un proceso a la sosa antraquinona. Las características iniciales de la pasta cruda, medidas en el laboratorio son las siguientes: 1

2 - Blancura: 3 %IS - Indice kappa: 14 - Viscosidad: 68 ml/g Previamente a la deslignificación con oxígeno se ha realizado un lavado de la pasta en medio ácido (La), con la finalidad de eliminar los cationes metálicos perjudiciales para el blanqueo. Las condiciones aplicadas en este proceso han sido las siguientes: - Consistencia: 1.5% - Tiempo: 3 min - Acido oxálico: 4% sps - Temperatura ambiente Las condiciones utilizadas en las etapas y p se han fijado de acuerdo con un plan de experiencias secuencial. El intervalo de trabajo de las diferentes variables, se ha escogido a partir de valores conocidos de experiencias previas, realizadas con otras materias primas. En el plan se han realizado un total de 11 experiencias: 3 =8 (de niveles y 3 variables) experiencias para el factorial más 3 experiencias en el centro. Los cálculos estadísticos se han llevado a cabo con la hoja de cálculo excel. Las gráficas presentadas, se han realizado con el programa Maple 5.1. Todas las experiencias se han llevado a cabo en orden aleatorio con 5 g de pasta. En cada una de ellas se ha medido el índice kappa, la viscosidad y la blancura, respuestas que se han modelizado posteriormente. Con la finalidad de facilitar el tratamiento estadístico de los datos, las variables se han codificado tal y como se muestra a continuación en la tabla 1: Tabla 1. Codificación de variables X 1 X Etapa %NaH 1.6 =.6 t 6 = 3 T - 5 X 3 = Etapa p %NaH- X 4 = 1 X 5 %H = T - 1 X 6 = - 3 En la tabla se muestran los diferentes niveles en los que se han codificado las variables escogidas, en la etapa y p. Tabla. Niveles plan experimental Etapa Etapa p NaH(%) 1 1,6, NaH(%) 1 3 t (min) H (%) Tª(ºC) Tª(ºC) 9 1 Las condiciones fijadas en la deslignificación con oxígeno se muestran a continuación: - Consistencia: % - Presión : 6 kg/cm - Dosis de MgS 4 :.5% sps

3 Las condiciones seleccionadas para la etapa p se describen en los siguientes puntos: - Consistencia: % - Presión : 6 kg/cm - Dosis de MgS 4 :.5% sps - Dosis DTPA: 1% sps - Tiempo: 9 minutos Resultados Las experiencias realizadas y resultados obtenidos en la deslignificación con oxígeno se muestran en la tabla 3. Tabla 3. Resultados de las experiencias de la etapa Etapa Viscosidad Blancura Indice X 1 X X 3 (ml/g) (%IS) Kappa , , , , , , , , , Los datos correspondientes a las experiencias realizadas en la etapa p se pueden observar en la tabla 4, así como los resultados medidos de viscosidad, índice kappa y blancura. Tabla 4. Resultados de las experiencias de la etapa p Etapa p Viscosidad Blancura Indice X 4 X 5 X 6 (ml/g) (%IS) Kappa ,8 9, , , ,4 8, ,6 9, , 8, ,9 8, ,6 7, ,8 8,5 97 6,8 8, ,7 8,9 En las tablas 3 y 4 se puede observar que las respuestas obtenidas oscilan entre los siguientes valores: 3

4 Etapa : - Indice kappa: Viscosidad: ml/g - Blancura: % IS Etapa p: - Indice kappa: Viscosidad: ml/g - Blancura: % IS Los modelos a los que se ha llegado despues de la realización del estudio estadístico son: Modelos etapa : Y k = X 1 (p-value=.886) Y b = X 1 (p-value=.4763) Y v = X X X 1X 3 (p-value=.464) Modelos etapa p: Y k = X 4.677X 5.375X 5X 6 (p-value=.86) Y b = X X X 5 (p-value=.1615) Y v = X X 6 (p-value=.4381) Blancura % (IS) a) b) c) Indice kappa Viscosidad (ml/g) X 1 X 1 X X 1 Figura 1. Modelos etapa. (a) Índice kappa, (b) blancura y (c) viscosidad (X 3 = -1). 4

5 Indice kappa Blancura % (IS) a) b) Viscosidad (ml/g) c) X 5 X 4 X 6 X 4 X 5 X 4 Figura. Modelos etapa p. (a) Índice kappa (X 6 = 1), (b) blancura y (c) viscosidad. Con la intención de comparar la respuesta de las dos etapas a condiciones análogas de concetración de NaH y temperatura, se ha fijado el tiempo a 9 minutos y se han tomado los modelos a dos concentraciones diferentes de peróxido de hidrógeno. Con diversos valores de las variables descritas, se ha calculado el valor estimado de índice kappa, viscosidad y blancura en ambas etapas. Tabla 3. Comparación modelos y p (t = 9 min; [H ] = 1% sps). Condiciones Etapa Etapa p %NaH T(ºC) I. kappa %IS ml/g I. kappa %IS ml/g , 41, 9,5 5, , 41, 14 9,8 5, , 41, 1 9,9 5, , , 43, , 53, ,6 5 11, 43, ,5 53, ,6 1 11, 43, ,6 53,6 98 7, 95, 46,6 97 8,9 54, , 5, 46, , 54,8 9 9, 1, 46,6 95 9,3 54,8 88 Comparación de modelos: En ambos casos el tiempo fijado es de 9 minutos. La comparación de la figura 3 se ha realizado con un 1% de H en la etapa p, mientras que en la comparación de la figura 4 se ha utilizado un 3.8% de H en la etapa p (correspondiente a la máxima blancura). El resto de condiciones se muestra en las tablas 3 y 4. Indice kappa p Figura 3.1. Comparación índice kappa modelos y p (t = 9 min; [H ] = 1% sps) 5

6 Viscosidad (ml/g) p Expe rie ncia Figura 3.. Comparación viscosidad modelos y p (t = 9 min; [H ] = 1% sps) Blancura (%IS) p Figura 3.3. Comparación blancura modelos y p (t = 9 min; [H ] = 1% sps) Tabla 4. Comparación modelos y p (t = 9 min; [H ] = 3.8% sps) Condiciones Etapa Etapa p %NaH T(ºC) I. kappa %IS ml/g I. kappa %IS ml/g , 41, 9,3 61, , 41, 14 9, 61, , 41, 1 9,1 61, , , 43, , 6, ,6 5 11, 43, ,9 6, ,6 1 11, 43, ,8 6,5 98 7, 95, 46,6 97 8,7 63, , 5, 46, ,6 63,7 9 9, 1, 46,6 95 8,5 63,7 88 Indice kappa p Figura 4.1. Comparación índice kappa modelos y p (t = 9 min; [H ] = 3.8% sps) 6

7 Blancura (%IS) p Figura 4.. Comparación blancura modelos y p (t = 9 min; [H ] = 3.8% sps) Discusión bservando los modelos obtenidos, se puede deducir que en todos los casos existe una clara influencia de la dosis de NaH, en las diferentes respuestas. Al aumentar la concentración de NaH, como es lógico, el índice kappa disminuye, la blancura aumenta y la viscosidad disminuye. En la etapa, la viscosidad se ve afectada por las tres variables, ejerciendo todas un descenso de esta respuesta al aumentar su valor. En la etapa p, el índice kappa está influenciado por las tres variables, mientras que la blancura y la viscosidad únicamente se ven afectadas por dos de ellas. En el caso de la blancura intervienen la dosis de NaH y de H. En lo que respecta a la viscosidad, un aumento de la temperatura y del NaH, hace disminuir esta característica, mientras que la dosis de peróxido no afecta su valor. Conclusiones La dosis de NaH es una variable influyente en todas las respuestas. Las comparaciones realizadas entre ambas etapas ( y p), muestran una clara influencia de la dosis de peróxido de hidrógeno en las respuestas obtenidas. En las figuras 3 y 4, se observa como al aumentar la dosis de H, el índice kappa disminuye y la blancura aumenta. En cambio la viscosidad se mantiene inalterable, ya que esta variable no está presente en el modelo de la viscosidad. Agradecimientos Proyecto FEDER FD C-1 Referencias 1. García Hortal, J.A.. Constituyentes fibrosos de pastas y papeles, Ed. UPC. Especialidad Papelera y Gráfica. ETSEIT. (1993). Myers, G.C., Bagby, M.. Feasibility of using kenaf chemithermomecanical pulp in printing and writing paper, Tappi Journal, vol.78, num.5, pp (1995) 3. Chen, H. A study of chlorine-free bleaching for high brightness of kenaf stem soda-aq pulp, International Pulp Bleaching Conference. Tappi Proceedings. pp (1996) 7