Estudio de La Floculación en La Fábricación de Papel

/1

UNIVERSIDAD COMPLUTENSE DE MADRIDFACULTAD DE CIENCIAS QUIMICAS

DEPARTAMENTO DE INGENIERA QUIMICA

!MOS5311!UNIVERSIDAD COMPLUTENSE

ESTUDIO DE LA FLOCULACION ENLAFABRICACION DE PAPEL

M. ANGELES BLANCO SUAREZ

Abril 1994

MemoriaDoctor en

cp.ae para optar al grado deCiencias Qumicas presenta:

M ANGELES BLANCO SUAREZ

Titulo:

ESTUDIO DE LA FLOCULACIONFABRICACION DE PAPEL

ENLA

Director:

JULIO TIJERO MIQUELCatedrtico de Universidad

Abril, 1994

Sae OtaS.t/s a e4i tec&~a4 cinC tqai&uaeaa 4 9a~eaat~sZamea dc a ~acata 4 ea~

* aa004

INDICE GENERAL

Indice general

1.- Introduccin2.- Antecedentes .3.- Composicin de las suspensiones de pasta de papel

3.1.- Fibras3.2.- Finos

3.3.- caractersticas de las fibras y tinos imp

la qumica del proceso de fabricacin de3.4.- cargas3.5.- Aditivos de retencin, drenaje y floculac

3.5.1.- Floculantes inorgnicos3.5.2.- Floculantes naturales

3.5.3.- Polmeros orgnicos sintticos...

ortantes

papel.

in

en

273036384041

3.5.4.- Modo de accin de los aditivos de

retencin3.6.- Agua de proceso

4.- Comportaniento de las suspensiones durante la fabricacin del

papel4.1.- Estudio de las propiedades elctricas de las

suspensiones de pasta de papel

4.1.1.- La doble capa elctrica4.1.1.1.- Distribucin de las cargas en la

capa elctrica4.1.1.2. Distribucin de los potenciales

4.1.1.3.

doble

en la

doble capa elctrica.

Teora electrocintica.4.1.1.4.- Sistemas de medida de la carga

elctrica de suspensiones de pasta.condiciones de estabilidad de las suspensiones

Mecanismo de desestabilizacin de las suspensiones.Propiedades reolgicas de las suspensiones de pasta..4.4.1.- Modelos reolgicos

4.4.2.- Variables reolgicas4.4.3.- caractersticas reolgicas de las suspensiones

5.- Resultados y discusin5.1.- caracterizacin de las materias priTnas

5.1.1.- caracterizacin de las pastas5.1.1.1.- Estudio biomtrico

5.1.1.2.- Estudio tsico5.1.1.3.- Estudio qumico

5.1.2.- Seleccin y caracterizacin de la carga5.1.3.- Seleccin y estudio de los floculantes.

5.2.- Estudio de la evolucin del proceso de floculacin....5.2.1.- Descripcin de los equipos experimentales

4.2.-

4.3.4.4.

Pg18

212226

43

46

50

5356

57

6470

85

9398

108109116

117124

125126126131

135136138145

146

Indice general

5.2.2. - Procedimiento experimental

5.2.3.- Optimacin de la tcnica de medida5.2.4.- consumo de polmero por diferentes tipos de

suspensiones de pasta5.2.5.- Optirnacin de la dosis de polmero5.2.6.- Influencia de la conductividad en el consumo

de polielectrolitos5.3.- Estudio electrocintico

5.3.1.- Descripcin de los equipos experimentales5.3.1.1.- Mtodos de microelectroforesis5.3.1.2.- Mtodos de transporte de materia

5.3.2.- Seleccin del mtodo de medida5.3.3.- Efecto de las caractersticas de las

suspensiones de pasta

5.3.4. Efecto del tipo de floculante

5.3.4.1. Influencia de los distintos tipos de

floculantes5.3.4.2.- Influencia de la concentracin salina.

5.4.- Estudio reolgico5.4.1.- Diseo del equipo experimental

5.4.2.- calibracin del viscosmetro5.4.3.- caracterizacin reolgica de las suspensiones

de pasta de papel

5.4.3.1.- caracterizacin del comportamientoreolgico de las suspensiones de pasta

5.4.3.2.- Influencia de las caractersticas delas suspensiones de pasta

5.4.3.3.- Influencia de los distintos tipos de

floculantes5.4.3.4.- Influencia de la salinidad

6.- Aplicacin industrial6.1.- Aplicacin de los equipos experimentales6.2.- Aplicacin del estudio de los distintos floculantes.6.3.- Aplicacin de los estudios del aumento de la salinidad

6.4.- control del proceso de floculacin a escala industrial7.- Conclusiones8.- BibliografaAnexo 1. Indice de tablas.

Anexo 2. Indice de figuras.

Anexo 3. Nomenclatura.

Anexo 4. Plano de la clula electrofortica LR.Anexo 5. Plano de la clula electrofortica ENTA.Anexo 6. Plano del viscosmetro.

Pg

157

158

166

172

170

223

224

226

228

234

245

257

258

268

273

273

279

287

287

302

340

346

360

361

362

362

362

369

376

y-

1.- INTRODUCCION

Introduccin 1

La fabricacin del papel es una de las industrias que ha

experimentado, en los ltimos aos, las mayores exigencias en calidady en uniformidad de sus productos, en costes, en consumos energticose hdricos ms reducidos y en contaminacin ambiental cada vez menor.

Para alcanzar estos objetivos con mtodos de fabricacin que, ensus aspectos fundamentales, son iguales a los empleados hace dcadas,es necesario mejorar todas y cada una de las etapas, mediante elcontrol en lnea del proceso.

Introduccin 2

En tanto las variables fsicas y qumicas, que admiten una medidadirecta, son fcilmente controlables con la tecnologa actual, existenfenmenos fsicoqumicos complejos, de gran influencia sobre losfactores de proceso citados anteriormente de calidad, consumoenergtico y vertidos hdricos, cuyo control se efecta a travs de las

propiedades del producto acabado. Hay, por tanto, una considerable

demora entre la medida de la propiedad en el papel final y las accionesde control que han de acometer los operadores que, adems, dada lacomplejidad de este sistema, son iterativos: tras producirse unadesviacin en las propiedades finales del papel, o en el valor de losparmetros de operacin que rigen estos fenmenos, la recuperacin delos valores de los parmetros o de la calidad final del producto se

alcanza en pasos sucesivos. Teniendo en cuenta la alta velocidad defabricacin, se producen importantes cantidades de papel fuera de lasespecificaciones o bien, hay en ese tiempo un aumento apreciable en el

vertido de contaminantes o en el consumo energtico.

La fabricacin de papel, independientemente del tipo de mquinaque se emplee, consiste en la formacin de la hoja a partir de unasuspensin diluida de pasta de papel. Para ello la suspensin sedeposita en una tela o malTa, con el fin de que los slidos quedenretenidos sobre la tela y el lquido drene a su travs. Posteriormente,la hoja hmeda pasa a la seccin de prensado y secado y, en algunosdasos, a La seccin de acabado.

- La formacin de la hoja puede ser, por tanto, considerada comoel resultado de cinco etapas diferentes: dispersin de las fibras,filtracin, consolidacin, compactaciny, finalmente, evaporacin delagua en la zona de secado. En trminos papeleros, se designa comoformacin la deposicin homognea de las fibras y cargas sobre la malTao tela. As pues, una buena formacin, supone una distribucinhomognea de las fibras y las cargas.

Uno de los principales problemas existentes en la parte hmedade la mquina de papel es la tendencia que presentan las suspensionesde pasta a formar redes tridimensionales estables o flculos, porentrecruzamiento mecnico de las fibras.

La existencia de agregados de fibras incrementa la heterogeneidadde las suspensiones. La floculacin tiene lugar en diversas fases dela fabricacin del papel, siendo uno de los fenmenos mas importantes

Introduccin 3

en la parte hmeda de la mquina de papel. La influencia de estefenmeno se extiende a la formacin de la hoja, retencin y drenaje,resistencia inicial en hmedo y, por ltimo, a la calidad final delpapel. Asimismo, afecta a las aguas blancas y a la recuperacin defibras, finos o cargas por flotacin o sedimentacin.

Por lo tanto, el proceso de floculacin afecta tanto a lafabricacin como a la calidad final del papel tal y como se resume enla figura 1.1.

PLOCULACION

CALIDAD DEL PRODUCTO EFICACIA DEL PROCESO

RESISTENCIA FORMACION POROSIDAD RETENCION DRENAJE

Figura 1.1.- Influencia de la floculacin en la fabricacin del papel

La investigacin que se presenta en esta memoria tiene como

objetivo el estudio de los fenmenos fsico-qumicos que tienen lugarpor interaccin entre las fibras, finos y cargas inorgnicas y

floculantes durante la formacin del papel.

El proceso de floculacin en la fabricacin del papel consisteen la formacin de agregados en suspensiones acuosas de las fibras,finos y cargas que, junto con los aditivos, constituyen la alimentacinde la mquina de papel.

Si bien la presencia de flculos es importante desde el punto devista de la retencin, su tamao debe de estar controlado si se quiereconseguir una buena formacin. Desde el punto de vista del mecanismode floculacin y de las fracciones de alimentacin a la mquina que seven ms afectadas se pueden considerar, en trminos generales, dostipos de floculacin;

- Floculacin de las fibras.- Floculacin de finos y aditivos.

Introduccin 4

La floculacin de las fibras se debe principalmente a procesosmecnicos, teniendo gran influencia sobre la uniformidad en laformacin de la hoja. Sin embargo, la floculacin de finos y aditivos,es el resultado de la interaccin de las cargas elctricas de laspartculas en suspensin y de las fibras, por lo que influyeprincipalmente sobre la retencin. Por ltimo, puede considerarse quela adhesin y oclusin de finos y aditivos en la red tridimensionalformada por el entrecruzamiento de fibras, afecta fundamentalmente aldrenaje. La floculacin es, por tanto, una combinacin de procesosfsicos y qumicos, como puede observarse en la figura 1.2.

Figura 1.2.- Slecanismos de floculacin.

Existen numerosas variables que afectan al estado de floculacinde las suspensiones de las pastas de papel. As por ejemplo, el gradode floculacin es funcin de la longitud de las fibras, siendo estainfluencia ms acusada cuando aumenta la consistencia de la suspensin.Por otro lado, a partir de ciertos valores, la flexibilidad de las

fibras disminuye la estabilidad de los flculos formados porentrecruzamiento mecnico.

Otro tanto cabe sealar en relacin a la naturaleza de lasuperficie de las fibras. Las propiedades superficiales de las fibras

estn determinadas por la materia prima (tipo de pasta, especiemaderable empleada, proceso de fabricacin, severidad de coccin,etc.) y por el grado de refino. El grado de refino tiene granimportancia en la floculacin de finos y aditivos, ya que determina elgrado de fibrilacin (fibras secundarias o microfibras), as como elnmero, tipo y distribucin de grupos funcionales cargados.

Las fuerzas de cizalla originadas en el seno de la suspensin,a lo largo de su evolucin en la mquina de papel son el resultado de

PROCESOS INTERACCIONES

MECANICOS ELECTRICAS

PIaRAS ~zr FLOCULaS ~z FINOS Y ADITIVOS

Introduccin 5

la diferente velocidad de flujo entre las fibras y el agua. Cuandoaumenta la turbulencia el grado de floculacin disminuye hasta unmnimo. En este estado de mnima floculacin los flculos permanecenen equilibrio dinmico respecto a las fuerzas de cizalla. Si laturbulencia continua aumentando, se originan flculos pequeos pero msdensos, y aumenta nuevamente el grado de floculacin. Una vez sealcanza un rgimen de alta turbulencia, cuando sta disminuye se puedellegar a producir la re-floculacin de la pasta. Fijada una geometradel sistema de flujo, y para una determinada pasta, la velocidad a laque tiene lugar la refloculacin depende de la consistencia. Enpresencia de aditivos, el efecto de las fuerzas de cizalla disminuye

en general el tamao del flculo, rompiendo irreversiblemente losflculos cuando se utilizan floculantes lineales de alto pesomolecular.

El efecto de los aditivos es muy variado, segn el productoqumico utilizado, en algunos casos favorecen la floculacin mientrasque, por ejemplo, los aditivos que favorecen la formacin, la reducen.Los agentes que mejoran la retencin y el desgote, favorecen el gradode floculacin y la estabilidad de los flculos formados, modifican lacarga elctrica de la suspensin y la superficie de las fibras,favoreciendo la formacin de enlaces.

La temperatura, el pH y la conductividad tienen efectosprcticamente despreciables en la floculacin mecnica de las fibras,sin embargo, han de tenerse en cuenta cuando se considera la

floculacin de finos y aditivos, aunque es poca la informacinexistente en la actualidad sobre este tema.

Por tanto, se puede considerar que el proceso de la floculacindel papel depende de las caractersticas de las materias primas, de las

propiedades fsico-qumicas de la suspensin y de los fenmenos deturbulencia originados por la mquina de papel. De este modo, dado elgran nmero de variables que intervienen en el proceso, el control delestado de floculacin de las suspensiones de pasta durante lafabricacin de papel es un tema muy complejo. Dicha complejidad se veincrementada debido a las diferentes materias primas utilizadas en lasdistintas fbricas de papel, con tipos de mquinas, asimismodiferentes, que operan en condiciones muy variadas.

Introduccin 6

El presente trabajo tiene como objetivo realizar un estudiodetallado de los fenmenos de floculacin que tienen lugar en elproceso de fabricacin de papel. Dicho estudio es la base para poderllegar a plantear, en un futuro, el control del estado de floculacin,en lnea, en una mquina de papel.

Para poder llegar a identificar y caracterizar los fenmenosmecnicos y qumicos que tienen lugar durante la floculacin de las

suspensiones de pasta y establecer la influencia de las variables quelos determinan se han establecido los siguientes objetivos parciales:

- Caracterizacin de las suspensiones de pasta de papel con el finde establecer la influencia de las caractersticas de las fibras,cargas, agentes floculantes y condiciones de operacin sobre losfenmenos de floculacin que determinan los procesos deretencin, drenaje y formacin en la fabricacin de papel. Elestudio se ha llevado a cabo bajo los siguientes puntos de vista:

- Fsico.- Qumico.- Electrocintico.- Mecanismo de floculacin.- Reolgico.

- Estudio de la influencia de la salinidad sobre los procesos defloculacin, para ello se ha realizado un estudio del:

- Consumo de floculantes.

- Comportamiento electrocintico.- comportamiento reolgico.

en funcin de la concentracin salina del medio.

El estudio realizado permite profundizar en los mecanismos de

floculacin que tienen lugar en la mquina de papel en funcin de lascondiciones de operacin y, por tanto, en la seleccin del tipo y dosisde floculante en funcin de los objetivos finales requeridos.

Asimismo, el estudio reolgico realizado permitira, una vezconocida la relacin entre la formacin y el ndice de floculacin dela suspensin y entre dicho ndice y la viscosidad, establecer las

Introduccin 7

variables necesarias para su control en el caso de las suspensionesestudiadas y la determinacin del grado de turbulencia necesario parala disgregacin del entramado formado por las fibras. Dato quefacilitara la seleccin del actuador necesario para el controlmecnico del proceso de floculacin en lnea.

2. - ANTECEDENTES

Antecedentes 8

El papel fue inventado en China por Tsai Lun, quien hizo

artesanalmente el primer papel. La fabricacin artesanal, hoja a hoja,tiene todava una relativa importancia en algunos pases Orientales,

pero en Europa y Amrica slamente se utiliza en casos muy concretos,generalmente para soporte de creaciones artsticas, debido a laspropiedades especiales de textura, resistencia, etc, que presenta.

Con las salvedades mencionadas, el papel se fabrica en la

actualidad a alta velocidad, en mquinas de papel integradas, lascuales se pueden clasificar dependiendo de la configuracin de la partehmeda que presenten: fourdinier, de doble tela, multitela y decilindros.

Antecedentes 9

Todas ellas constan de un sistema de distribucin de las materiasprimas, de una tela de formacin sobre la cual se forma la hoja depapel, de una seccin de prensas, de una seccin de secado finalconsistente en secadores por vapor y, en algunas ocasiones, de una

seccin de acabado y calandrado.

En la mquina de papel tienen lugar operaciones diferentes:dispersin de las fibras, filtracin, consolidacin, compactacin yevaporacin del agua en la zona de secado. Estas operaciones estnrelacionadas con las distintas secciones de la mquina de papel queson: la caja de alimentacin, la mesa de formacin, la zona deprensado, la zona de secado y la zona de acabado.

El proceso de fabricacin de papel consiste en la formacin deuna hoja a partir de una suspensin diluida de pasta de papel. Lasuspensin se deposita sobre la tela de formacin de tal manera que lamayor parte del agua drene a travs de la tela. El drenaje se favorecemediante la aplicacin de vaco, mientras que la fase slida seconsolida sobre la tela formando una hoja hmeda. Dicha hoja setransfiere a la seccin de prensado donde contina la prdida del agualibre y la hoja es compactada. Posteriormente la hoja pasa a la seccinde secado para eliminar el exceso de agua.

La consistencia inicial de la suspensin en la caja dealimentacin suele ser del 0.2 al 1%, el papel pasa a la zona deprensas con una consistencia entre el 18 y el 23%, en esta zona de

prensado se alcanza un 33-50% y, finalmente, despus de la zona desecado se obtiene un 92-96%.

Las lneas de innovacin tecnolgica en la industria defabricacin del papel, se orientan hacia los siguientes puntos:

- El aumento de la velocidad de las maquinas de papel- La tendencia a aumentar el grado de recirculado de las aguas

blancas del proceso.

- El uso cada vez mayor de materiales no fibrosos.- La reduccin del gramaje del papel fabricado.- El aumento en el uso de pastas mecnicas y qumico-mecnicas.- La tendencia hacia la fabricacin del papel en medio alcalino.

En todos ellos, adquiere gran importancia el control de laretencin, drenaje, floculacin, formacin de la hoja, formacin de

Antecedentes 10

depsitos y espumas, etc, y, por tanto la influencia de los fenmenosfsico-qumicos que se producen durante la fabricacin est siendoobjeto de numerosos estudios.

El contexto en que se centra la presente investigacin, secomprende mejor si se parte de la descripcin simplificada delfuncionamiento de una mquina de papel:

- A lo largo de la lnea de preparacin, antes de entrar en lacaja de alimentacin de la mquina de papel, se mezclan losdiferentes componentes de la suspensin acuosa fibras decelulosa, cargas y aditivos. Hay que tener en cuenta que lasfibras celulsicas han sido sometidas previamente a un

tratamiento de refino, que depender del tipo de fibrasutilizadas (fibra larga, fibra corta) y del tipo de papel afabricar.

- La suspensin obtenida en el tanque de mezcla llega, a travsde la lnea de preparacin, a la caja de alimentacin, dondeexisten unos dispositivos mecnicos que crean un estado deturbulencia que favorece la homogeneizacin de la suspensin depasta, rompiendo los flculos, para conseguir una buena

formacin.

- Posteriormente, se distribuye la suspensin sobre la tela atravs de la rendija formada entre el distribuidor y una pieza

superior, labio, cuya posicin es regulable verticalmente. Laaltura del. labio determina la apertura de una rendija adecuadapara la obtencin del gramaje deseado, a partir de unadeterminada consistencia de alimentacin, y con una velocidad deformacin dadas. Las condiciones de salida, velocidad, geometra,

etc, existentes en la rendija han de producir la turbulencianecesaria para mantener un grado adecuado de dispersin en lassuspensiones de fibras, en relacin al originado por losdispositivos mecnicos que actuan en el interior de la caja dealimentacin.

- La suspensin de pasta depositada sobre la tela es sometida adiferentes fuerzas mecnicas originadas por el traqueo odesplazamiento transversal de la mesa de formacin, los rodillosdesgotadores, los foils, etc. , con el fin de facilitar el drenaje

rl

Antecedentes 11

y favorecer la distribucin uniforme de las fibras, evitando larefloculacin, hasta alcanzar la consolidacin de la hoja.

La parte de la mquina de papel comprendida entre la caja dealimentacin y la seccin de secado es tambin conocida como wet-end.Tambin se define como wet-end el proceso de formacin de una hojade papel hmeda en la mesa de formacin a partir de una suspensin depasta diluida que se distribuye sobre la tela desde la caja dealimentacin.

La floculacin por lo tanto se puede considerar un fenmeno quese produce cono consecuencia de la tendencia de las fibras a formaragregados, cuando cesa o decrece la accin dispersante de los elementosmecnicos existentes a lo largo de las lneas de preparacin y mezcla.El estado de floculacin alcanzado en la mesa de formacin es, endefinitiva, el que determina las caractersticas finales de formacinde la hoja de papel.

La figura 2.1 es un esquema de la parte hmeda de la mquina depapel donde se representan las principales variables que intervienen

en el proceso.

Los primeros estudios llevados a cabo sobre el proceso defloculacin en los procesos papeleros datan de finales de los aostreinta . En estos trabajos se estudi la evolucin de las fibras a travsde tuberas de cristal mediante fotografas. Durante la Segunda GuerraMundial prcticamente no hubo publicaciones en relacin a este tema yno fue hasta la dcada de los cincuenta cuando recibi nuevamenteatencin. En estas investigaciones se considera que la floculacin estcausada por el entrecruzamiento mecnico de las fibras en suspension.En la lnea de floculacin mecnica destacan los estudios que llev acabo Mason (Mason SO. a> 1950; Masori 5. 0., b> 1950; Hubley cE., y col, 1950;Mason 5.0., a> 1954; Mason 5. 0., b) 1954; Robertson A. A. y Mason SC., 1956; RobertsonA. A. y Nasos 5. 0., 1957>

Antecedentes 12

DRENAJECararterlstlcas de los tioculosGramal.ConsistenciaTe mpe rstursViscosidadTipo de folaTipo de telaVelocidad de la telaContenido de are de la suspension

Tipo de cajas de vacioNumero de cajas de vacioVelocidad de la telaEstructura de la hojaTemperaturaVIscosidad

FLOCULOS

LJL~JAGUA

FINOS/CARGAS

RETENCIONCaractersticas de ios floculo.Turbulo nc la

FORMACIONCaracteristicas de los floculosTu rbule oca

Figura 2 .1. - Esquema de la parte hmeda de una mquina de papel.

Erspamer

Antecedentes 13

de la fsico-qumica de los coloides, debido a la existencia de equipos

con los cules era relativamente fcil la medida de las cargassuperficiales (medidores del potencial zeta) , lo que hizo posibleestudiar la influencia de las cargas sobre la floculacin de los finos(Britt Y., 1973, 1974, 1977 al y b> , 1979>

Britt, que desarrolla un amplio trabajo en este rea, define conterminologa propia, la floculacin como la adhesin de cargas y finosa las fibras. Segn esta definicin hay una gran influencia de lascargas elctricas. En consecuencia, los polielectrolitos y lospolmeros cargados son esenciales en este proceso de floculacin.

As pues, se puede considerar la floculacin como la interaccinentre los finos, fibras y partculas, tendente a la formacin de gruposms o menos definidos o consolidados. En tal sentido, de acuerdo conBritt cabe distinguir tres tipos de floculacin:

- Floculacin de fibras- Floculacin de cargas y finos- Adhesin de cargas y finos a las fibras.

Cada uno de estos tipos de floculacin es diferente tanto desdeel punto de vista del mecanismo de floculacin como de lasconsecuencias que produce en el proceso papelero. La floculacin de lasfibras est causada principalmente por procesos mecnicos mientras que-la floculacin de cargas y finos se debe principalmente a procesosqumicos coloidales. Por ltimo, en la adherencia de cargas y finos alas fibras participan tanto fenmenos qumicos como mecnicos.

La utilizacin de polmeros naturales modificados como goma dekaraya diacetilada, pone de manifiesto la diferencia entre los dos

mecanismos, por una parte la disolucin de polmero aumenta laviscosidad del medio, y por tanto, se observa, en primer lugar uncambio en las caractersticas del flujo de la suspensin, que dificultala formacin de redes tridimensionales de fibras, por otra parte, seobserva un aumento de las interaciones elctricas que favorece lafloculacin de cargas minerales (Hubley cE. y col., 1950>

Otros estudios (Hemstrom 0. 1971; Miller c. y Kallmes 0. 1978; Terpal 5.y Renner Y., 1979) muestran la influencia de la floculacin en laformacin. Se observa que la uniformidad de la hoja aumenta cuando

Antecedentes 14

disminuyen el tamao de los flculos y su densidad. Sin embargo, hayque tener en cuenta que los flculos pequeos son desfavorables parael drenaje

Antecedentes 15

los flculos formados por entrecruzamiento de fibras mejorando el gradode formacin sin disminuir el grado de retencin.

Desde el punto de vista de la floculacin qumica, existennumerosos estudios sobre los mecanismos de floculacin en presencia dedistintos tipos de aditivos, de cmo el grado de turbulencia afectara dichos mecanismos y, por ltimo, del estado de refloculacin que sealcanza cuando las fuerzas de cizalla disminuyen. Cuando se emplean

polmeros, dependiendo de su naturaleza, de su peso molecular y de sudensidad de carga, la floculacin se desarrolla con predominio de undeterminado mecanismo, formndose flculos de diferentescaractersticas (walkush S.L. y Williams D.C., 1974; La Mer UY. y Healy T.W.,

1963)

De acuerdo al comportaminto de los flculos bajo la accin defuerzas de cizalla, Britt (1973) los clasific en hardflocs oflculos duros y softflocs o flculos blandos. Los flculos durosrequieren altos niveles de turbulencia para ser rotos y una vez que se

han dispersado la refloculacin prcticamente no tiene lugar. Sinembargo los flculos blandos son fciles de romper pero una vez quecesan las fuerzas de cizalla se refloculan fcilmente.

En la tabla 2.1 se resumen las correlaciones cualitativas entredistintos aspectos de los flculos y el proceso de produccin.

Tabla 2.1.- correlaciones cualitativas entre los flculos y la fabricacin de papel.

Influencia Favorable Desfavorable

A. - PROCESODrenaje (foils>Drenaje (vacio)Drenaje (presin>Retencin

Flculos grandesFlculos pequeosFlculos blandosFlculos fibra-carga

Flculos pequeosFlculos grandesFlculos durosFlculos homogneos

E. - PRODUCTOForTnacionPorosidadResistencia

Flculos pequeosFlculos pequeosFlculos pequeos

Flculos grandesFlculos grandesFlculos grandes

Se observa que tanto en la calidad del papel, como en el drenajey en la retencin, influyen el grado de floculacin de la suspensinde pasta y el tipo de flculos formados. Por tanto el control delproceso de floculacin permitira mejorar la calidad del producto final

Antecedentes 16

y tener un mejor control general sobre el proceso. En la tabla 2.2 semuestra de forma resumida las ventajas derivadas del control de lafloculacin.

Tabla 2.2.- Ventajas del control de la floculacin

La figura 2.2 describe de forma simplificada las interacciones

que tienen lugar en el proceso de floculacin. Asimismo, en la partesuperior del diagrama se muestran las diferentes variables que influyensobre dicho proceso.

La floculacin es un fenmeno complejo que se ve afectado pornumerosas variables. Existe una extensa bibliografa dedicada al

estudio de la influencia de algunas de estas variables. A continuacin,se efectua una revisin de los trabajos ms relevantes.

Materias primas

Todos los autores coinciden en que el grado de floculacin esproporcional a la longitud de las fibras. Jokinen (1985), porejemplo, estableci que el cambio relativo en el grado de floculacines proporcional al cambio relativo en la longitud de las fibras. Laconstante de proporcionalidad es funcin de la consistencia. As, porejemplo, para una consistencia del 0.4 % el factor de proporcionalidades 0,95, para una consistencia del 0,6 % es de 1,2 y para el 0,8 % es

de 1,35.

La flexibilidad de las fibras tiene poca influencia sobre el

grado de floculacin, aunque afecta a la estabilidad de los flculos

A. - PRODUCTO

- Mejor calidad general- Formacin ms homognea- Mayor resistencia en hmedo: menos roturas en el papel

E.- PROCESO

- Ahorro de aditivos Ahorro de materias primas- Ahorro de energa- Aumento de la velocidad de la mquina

c . MATERIAS PRIMAS

- Posibilidad de usar materias primas ms baratas

Antecedentes 17

formados (campbell W. 5., 1946; Swerin A. y col., 1990) . La estabilidaddisminuye cuanto menor es la flexibilidad de las fibras.

LongitudTipo de libreRe? no

RigidezTipo de fibraRefinoTenper st ura

Carga superficialTipo de fibrapH1.mp .,at u rsconduotividad

Concentracin

Grado de turbulenciaEscala

Mlcrolu rbu,noi ati scroturbui.ncia

Tipo de floculantePaso moinularO arga

TemperaturapHConductividadConcentracin

Carga superficialTipo da cargaspHTemPC r st uraconductividad

Concentracin

PROCESOS INTERACCIONESMECANICOS ELECTRICAS

FIBRAS . FLOCULOS _____________ FINOS Y ADITIVOS

Figura 2.2.- Factores que afectan al proceso de floculacin.

La naturaleza de la superficie de las fibras celulsicas adquieregran importancia en la floculacin de las cargas y finos. El nmero degrupos cargados as como la distribucin de los mismos sobre lasuperficie de la fibra, es tambin de gran importancia en lafloculacin qumica. El desarrollo de microfibras (fibrilacin)favorece las uniones entre fibras, aumentando la resistencia de la

hoja.

Antecedentes 18

Turbulencia

Las fuerzas de cizalla se generan debido al flujo del lquido.Resultan del gradiente de velocidad existente entre los distintospuntos del sistema durante el flujo del lquido. Cuando en el flujoexisten un gran nmero de remolinos (alta turbulencia) el gradiente develocidad, transversal o longitudinal, es elevado y por tanto, lasfuerzas de cizalla son muy grandes.

El estudio de la influencia de las fuerzas de cizalla sobre elfenmeno de floculacin ha sido el objetivo de los trabajos deRobertson y Mason (1956) en los que se pone de manifiesto su efectotanto sobre la formacin como sobre la rotura de los flculos. Enausencia de turbulencia la suspensin de pasta flocula y sedimenta. Elaumento de la turbulencia reduce el indice de floculacin hasta unmnimo, a partir del cul aumenta nuevamente debido a la formacin deflculos pequeos pero muy densos.

Kerekes (1985) diferenci dos tipos de flculos de fibras, losflculos transitorios que estaban presentes en el punto de mnimafloculacin, existiendo un equilibrio dinmico entre su formacin yruptura, como se observa en la figura 2.3, y los flculos coherentesms pequeos y densos que aparecan si las fuerzas de cizallacontinuaban aumentando crundstrom K. 5. y col.1973>. Remolinos pequeos, generan microturbulencias que favorecen la

obtencin de flculos ms pequeos. Por otro lado el tiempo durante elcul la suspensin est sometida a la accin de las fuerzas de cizallatambin afectar al grado de floculacin (Kerekes R. J., 1983>

Una vez que la suspensin de pasta abandona el labio pasa atravs de la zona de contraccin de flujo y entra en la zona de menorturbulencia en la que se produce la refloculacin. El tiempo derefloculacin es inversamente proporcional a la consistencia.

Antecedentes 19

Las fuerzas de cizalla tambin tienen gran influencia sobre lafloculacin de cargas y finos. Cuando se utilizan floculantes linealesde alto peso molecular, los flculos formados son difciles de romper,pero una vez rotos difcilmente vuelven a reflocular. Sin embargo, enpresencia de floculantes de bajo peso molecular y alta densidad decarga la ruptura de los flculos es reversible.

Uno de los problemas en el estudio de la influencia de la

turbulencia sobre el grado de floculacin es la determinacin delcarcter de la turbulencia generada, dicho problema aumenta en un mediotan heterogneo como las suspensiones de pasta. Artculos recientesdescriben el modelo de flujo de suspensiones de fibras de vidrio atravs de una tubera usando un anemmetro de efecto Doppler de laser(LDA) , sin embargo no ha resultado posible la determinacin del modelode flujo de suspensiones de fibras celulsicas >steer, M., 1989>

Efecto de los aditivos

Los aditivos de formacin se usan para disminuir el grado defloculacin en las suspensiones de pasta, especialmente en las de fibralarga. Este efecto se puede producir usando ciertos tipos de

polisacridos (Roos A. s., 1958> o poliacrilamidas aninicas de alto pesomolecular

Antecedentes 20

Los aditivos de retencin y drenaje favorecen la formacin deflculos de cargas y finos. Sin embargo a dosis normales depoliacrilamida catinica se produce tambin un aumento del 3 al 4% enel grado de floculacin de las fibras con respecto a la situacin sindicho aditivo

3.- COXPOSICION DE LAS SUSPENSIONES DEPASTA DE PAPEL

composicin de las suspensiones de pasta de papel 21

Una suspensin de pasta de papel est constituida principalmente

por fibras, finos, pigmentos y cargas, aditivos para mejorar el procesode fabricacin, aditivos para mejorar las propiedades finales delpapel, etc. y su composicin depender principalmente del tipo de papelque se desee fabricar. Al estudiar el comportamiento de las

suspensiones tambin es necesario considerar la calidad del agua deproceso utilizada puesto que influye sobre la disolucin de losaditivos, la hidratacin y fibrilacin de las fibras durante el refino,las interacciones qumicas, etc. Asimismo, sera necesario considerar

el grado de recirculacin de las aguas blancas con el fin de considerarel efecto de sustancias, generalmente de naturaleza aninica, que sedisuelven a lo largo del proceso, cuya acumulacin llega a interferircon la accin posterior de los aditivos qumicos, sin embargo este tipode sustancias queda fuera de nuestra investigacin.

A continuacin se va a hacer un breve resumen sobre elcomportamiento de las fibras, finos, cargas y aditivos de retencin queson los que van a constituir la suspensin de pasta de nuestro sistema.

rl


3.1.- FIERAS

tina discusin detallada de las propiedades de las fibrasutilizadas para la fabricacin de papel se sale de los objetivos delpresente trabajo, por lo que el estudio se va a centrar en lamorfologa y en las propiedades qumicas de las fibras que tienen un

papel importante en la qumica del proceso papelero.

Las caractersticas morfolgicas ms importantes d las fibrasson la longitud y el dimetro. Las fibras de conferas son fibraslargas, de 3 a 5 mm, lo cul contribuye a la gran tendencia quepresentan este tipo de fibras a flocular cuando se encuentran

suspendidas en agua. Su dimetro se encuentra comprendido entre 20 y50 ~impor lo que entran dentro del rango de las partculas coloidales,aspecto importante en el estudio de las caractersticas superficiales

de las fibras.

Las fibras de frondosas son fibras m~s cortas, presentan una

longitud de 1 a 2 mm, pero todava tienen una gran tendencia a

flocular. Su dimetro, de 10 a 40 iim tambin entra dentro del rango delas partculas coloidales. A diferencia de las fibras de conferas lasde frondosas tienen un alto contenido en constituyentes no fibrosos.Entre estos constituyentes se incluyen segmentos de vasos y de la pared

celular que afectan tanto a la fabricacin del papel como a laspropidades finales de la hoja. El mayor efecto de los constituyentesno fibrosos lo ejercen los finos primarios, tema que se tratar en elsiguiente apartado.

Muchas de las propiedades de las fibras y finos son debidas a su

composicin qumica. Las pastas de fibras de madera contienen celulosa,hemicelulosa y lignina dispuestas en una mezcla compleja en la paredcelular. Asimismo, despues del proceso de separacin de las fibras apartir de la madera pueden permanecer compuestos orgnicos, como laesencia de trementina, resinas solubles (sobre todo en lcalis)alry. dones, azcares, materiales grasos y sustancias extractivas que nohan sido totalmente eliminados durante la fabricacin de la pasta y quevan a influir considerablemente sobre el proceso de fabricacin delpapel. Las cantidades relativas de estos compuestos en la madera son:40-50% de celulosa, 20-30% de hemicelulosa, 20-30% de lignina y 1-10%de compuestos extractivos.


La figura 3.1.1 muestra un corte transversal de la maderamostrando la disposicin de las fibras as como las distintas capas queforman una fibra.

- a> seccin trasversal de la madera mostrando la disposicin de fibras.b) Seccin trasversal de una fibra mostrando su estructura.

M: laminilla mediaP: capa primariaS: capa secundaria primeraS2: capa secundaria segunda53: capa secundaria tercera1.: lumen

La composicin qumica vara desde la superficie de la fibra

hacia el centro, as el contenido en celulosa aumenta desde un 0% hasta

el 55%. El contenido de hemicelulosa va desde un 10 a un 40%, y elcontenido en lignina disminuye desde el 90 al 5%. De este modo las

caractersticas qumicas de la superficie de una fibra depende delproceso de tratamiento qumico y/o mecnico al que se haya sometido.

Algunos de los procesos de obtencin de las pastas pueden romperla estructura de la pared exterior y las propiedades qumicas quepredominan son las de la capa S2. Sin embargo, los procesos mecnicoso los qumicos ligeros dejan una gran parte de la capa primariaintacta, la cul controla las propiedades superficiales de las fibras.

Pigura 3.1.1

Composicin de las suspensiones de pasta de papel 24

Las cadenas de celulosa existentes en la superficie de las fibrascontienen grupos hidroxilo que participan en la formacin de puentesfibra-fibra en el papel. Los grupos hidroxilo celulsicos tanto de lasuperficie de las fibras como del interior de la pared celular tambininteraccionan con el agua y tienen gran influencia en el fenmeno dehinchamiento de las fibras asociado al proceso de refino.

El contenido en hemicelulosa tambin influye en el hinchamientode las fibras durante el refino debido a las grandes interacciones quepresenta con el agua, lo cual favorecer la formacin de puentes fibra-fibra en la hoja de papel.

La lignina residual influye negativamente sobre la capacidad delas fibras para formar puentes entre fibras, inhibe el hinchamiento delas fibras en agua y contribuye a la formacin de una voluminosa tortasobre la mquina de papel.

Por ltimo, la presencia de sustancias extractivas


producindose cadenas polimricas de menor peso molecular y quecontienen grupos carboxilo y carbonilo, cuya influencia en el procesoveremos posteriormente.

La hemicelulosa, a su vez, es disuelta, deacetilada ehidrolizada durante el proceso de obtencin de la pasta. En este tipode procesos la mayora de las sustancias extractivas pueden serrecuperadas, lo cual es importante debido a su valor econmico, sinembargo la fraccin no recuperada entra dentro del proceso papelerooriginando numerosos problemas. Por ltimo, durante el tratamientoqumico la mayor parte de la lignina se disuelve. La lignina remanentepresenta grupos oxidados en mayor o menor extensin dependiendo delproceso de obtencin de la pasta.

El proceso de refino de las fibras celulsicas permite unadegradacin mecnica de las fibras y un cambio en su estructura por loque es importante tener en cuenta el efecto que se produce en lafabricacin del papel. Como resultado de la fibrilacin interna yexterna tiene lugar un aumento de la superficie de las fibras.Asimismo, el corte de las fibras afecta a la distribucin en lalongitud de las fibras y al contenido en finos.

De forma general, los efectos producidos durante el refino sepueden dividir en efectos primarios y secundarios. Los efectosprimarios son aquellos que permiten distinguir una fibra refinada deotra sin refinar. Los efectos secundarios incluyen todos los cambiosque se producen en el comportamiento de la pasta y que difcilmentepueden ser relacionados con cambios individuales en las fibras (MoblinV.~. y Miller 5., 1992; Jonna 3., 1992)

Los efectos primarios producen cambios en el volumen especfico,superficie especfica y flexibilidad de las fibras, sin embargo noafectan a su densidad. Dentro de estos efectos cabe destacar:

- Fibrilacin interna. Se produce por la ruptura de puentes dehidrgeno dentro de la propia fibra. Aumenta la flexibilidad dela fibra y la posibilidad de contacto y formacin de puentes dehidrgeno con otras fibras.


- Fibrilacin externa. Las fuerzas de cizalla ejercidas sobre lasuperficie de las fibras durante el refino produce la fibrilacinde las clulas externas. Favorece la flexibilidad y la formacinde puentes con otras fibras.

- Formacin de finos. Se produce un aumento en el contenido enfinos que son restos de la pared celular primaria destruidamediante el refino. Los finos tienen una gran influencia sobreel drenaje. Su influencia sobre las propiedades mcnicas delpapel difieren de acuerdo con el tipo de refino, tipo de pasta,tamao de las partculas y fraccin de finos producida.

- Corte de las fibras. El efecto de corte depende principalmentedel tipo de refino utilizado. Existen refinos cortantes yengrasantes. En estos ltimos el efecto cortante es muy pequeo.

La resistencia a fluir que presenta una suspensin depende de losefectos primarios producidos por el refino, de tal forma que puedenoriginarse efectos opuestos por condiciones de refino diferentes o

bien, con iguales condiciones de refino sobre diferentes tipos depasta. El efecto de acortamiento de las fibras por el refino reduce laviscosidad pero hay que considerar otros factores, ya que elhinchamiento producido durante el refino tiende a aumentar laresistencia al flujo. Tambin se han de considerar las interaccionesentre las fibras, incluso a bajas concentraciones, y la compresibilidadde las redes tridimensionales que forman.

3.2.- FINOS

La mayora de las pastas papeleras contienen trozos pequeos defibras denominados finos. La definicin de finos es arbitraria ydepende de los diferentes autores. Por ejemplo, Jaycock (Jaycock Mi.,1978) define los finos como toda materia soluble o coloidal presente enla suspensin de pasta. Otros autores definen los finos como todomaterial que pasa a travs de una malla de 60-mesh (Hinton A- 3. y QuinnM., 1964) . Ms recientemente se han definido los finos como aquellaparte de la suspensin que pasa a travs de una malla de 75 pm (200mesh) (Britt KW. y Unbehend 5, E., 1976; Htun A- 5., y Ruvo A-, 1978)

Y! -


Los finos tienen una morfologa muy variada, si bien a menudopresentan forma alargada, son material fibrilar, generalmentesemicristalino, con una anchura de 0,1 a 0.5 ~m y una longitud quepuede alcanzar varias decenas de micromnetros. Aunque la mayorproporcin de finos se origina en el proceso de obtencin de la pasta,o en su refino, los finos tambien pueden estar presentes de formanatural, especialmente en las fibras de frondosas, donde pequeaspartculas de forma rectangular, que son restos de parnquima y de lapared celular, estn presentes en cantidad considerable. De acuerdo conla bibliografa es posible llevar a cabo la clasificacin de los finosde la siguiente manera (Scott W.E., 1992)

- Finos primarios: Finos que estn presentes de forma natural enlas pastas de fibra de madera, estos incluyen parnquima yfragmentos de vasos celulares.

- Finos secundarios: Finos generados durante el refino de la pasta,suelen ser por tanto partculas fibrilares alargadas junto controzos de las diferentes capas de la pared celular.

- Finos terciarios: Finos que se generan durante el flujo delmaterial no retenido en la mesa de formacin pasando a formarparte del sistema de aguas blancas alrededor de la mquina depapel. Se pueden generar debido a la turbulencia creada por lasbombas, la agitacin de los tanques, etc. Este tipo de finostambin tiene su origen en el fraccionamiento de la pasta quetiene lugar en la tela durante la formacin de la hoja.

Existen numerosos autores que afirman que los finos presentan lasmismas propiedades qumicas que las fibras en sistemas binariosfibra/agua. Sin embargo no es este el caso que se produce en lasfbricas de papel, donde la pasta es un sistema muy complejo yheterogneo, en el que se producen numerosas interacciones quedeterminan las propiedades finales del sistema.

3.3.- CARACTERSTICAS DE LAS FIBRAS Y FINOS IMPORTANTES EN LA qUMICADEL PROCESO DE FABRICACION DE PAPEL

Los fenmenos qumicos de la fabricacin del papel relacionadoscon las fibras y los finos estn, a su vez, directamente relacionados


con sus propiedades superficiales y con la qumica coloidal. Suscaractersticas mas importantes son: la capacidad de adsorcin, lacapacidad de hinchamiento y las propiedades de intercambio de iones con

el medio. Estas caractersticas estn controladas por el reasuperficial, la carga superficial, y la composicin qumica superficialde las fibras y finos.

Cuando el agua es absorbida durante el refino de las fibras, la

superficie interna y externa de las fibras aumenta. Al mismq tiempo laestructura interna de las fibras cambia, as como sus propiedadesmecnicas y qumicas. La afinidad de las fibras por el agua depende dela capacidad de las unidades de glucosa para formar puentes dehidrgeno. Esta facilidad de la celulosa para formar puentes dehidrgeno depende de las sustancias hidroflicas que contenga.

El agua absorbida puede estar directamente unida a los gruposhidroflicos pero tambin puede unirse indirectamente a traves depuentes de hidrgeno entre distintas molculas de agua como se muestraen la figura 3.3.1 Por lo tanto, el agua unida indirectamente es msfcil de eliminar. Cuanto menor es el contenido en agua ms difcil essu eliminacin, ya que afectara a la primera capa monomolecular queest unida por puentes de hidrgeno a los grupos hidroxilo de lacelulosa y, por tanto, fuertemente adsorbida y de muy difcilliminacin.

H H H H

H H H -H H H

I~ H H H H Il H H H H AGUAADSORBIDA

19 19 19 II H II H H H HO O O O O O O O O O1 SUPERF~UE

CELULOSA SOLIDA

Figura 3.3.1.- Unin de las molculas de agua a la celulosa.

nj


Cuando el espesor de la capa de molculas de agua aumenta, eltamao de los poros en las fibras tambin aumenta debido alhinchamiento de la celulosa. Lo cul favorece la penetracin de msagua. A altas presiones de vapor este agua se condensa gradualmente enlos capilares formados en el interior de las fibras. La figura 3.3.2representa los lugares en los que se encuentra presente el agua en unasuspensin de fibras.

Debido al pequeo tamao de las partculas, los finos tienen unrea muy grande por unidad de peso. Marton (Marton 3., y I4arton T., 1926)afirma que la superficie especfica de los finos es de 5 a 8 vecesmayor que la de las fibras, por lo que la funcin de los finos en laqumica de la fabricacin del papel es fundamental.

Por otro lado, los finos tambin tienen una mayor influenciasobre el drenaje en la mesa de formacin debido a su alta capacidad deretencin de agua de 2 a 3 veces mayor que la de las fibras, lo culhace que el comportamiento de los finos sea en ciertos aspectos similaral de un gel (Etun, 1978)

A su vez, la retencin de los finos durante la formacin de lahoja es importante debido a su contribucin a mejorar algunaspropiedades finales del papel, como su resistencia. Asimismo, estaretencin disminuye el coste de producin puesto que los finos puedenllegar a representar un 40-60% de la pasta


La carga superficial de las fibras y finos es funcin de sucomposicin qumica superficial, de su estado de ionizacin, y de lanaturaleza y cantidad de sustancias adicionales que se hayan adsorbidosobre su superficie. En el caso mas sencillo de una suspensin defibras en agua desionizada, las fibras y finos tendrn una carganegativa debido a la ionizacin de los grupos carboxilo superficialesasociados a la hemicelulosa, a la celulosa y a la lignina oxidada. Siel pH es menor de 4,7 la mayor parte de los grupos carboxilo toman un

protdn y la carga de la suspensin disminuye hasta ser practicamentenula. Si por el contrario el pH aumenta 7-8, la carga superficial seincrementa considerablemente. Este proceso puede ser estudiado a travsdel potencial zeta o de la velocidad electrofortica de la suspensin.

Las suspensiones de pasta de papel son sistemas complejos y lapresencia de sustancias ajenas a las fibras es inevitable, existiendonuevas interacciones inicas y no inicas. En la mayora de los casoslas sustancias ajenas a las fibras tienen naturaleza aninica, causandoun aumento en la carga inicial de las suspensiones.

En el caso de sales disueltas, se produce un intercambio de ionesque va a afectar a muchos de los fenmenos papeleros, entre los cualesdestacan: las propiedades elctricas y electrocinticas, la adsorcinae colorantes, de aluminio, de polielectrolitos y de agentes deencolado, as como a la floculacin de fibras y finos.

La atraccin de las fibras de la pasta por distintos iones sigueel siguiente orden:

Li


objetivos: mejorar las propiedades pticas o fsicas de las hojas depapel, como por ejemplo opacidad, blancura, lisura, propiedades deimpresin, etc; y disminuir los costes de produccin al sustituir a lasfibras.

De este modo , las cargas pueden ser clasificadas en dos grandesgrupos:

- Cargas comunes: Se usan generalmente en concentraciones

superiores al 10% en peso en la hoja. Para estas cargas existeun compromiso entre los aspectos econmicos y las expectacionesde mejora de las propiedades de las hojas por unidad de peso decarga usada.

- Cargas especiales: En la industria papelera, son aquellas que seusan en concentraciones menores al 10% e incluso al 5% en lahoja. En este caso su importancia radica en la mejora de unadeterminada propiedad de la hoja, en general se utilizan paramejorar propiedades pticas o de impresin dependiendo del usodel papel fabricado.

Tambin existen algunas desventajas asociadas al uso de cargas.El efecto de las cargas sobre las propiedades mecnicas del papeldepende de la distribucin de dichas cargas dentro de la estructuratridimensional formada por las fibras, de forma general, se puede decirque el papel formado es menos resistente, si bien esto se puede mejorarcon la adicin posterior de almidones. Un aumento de las cargasproduce no slo una disminucin de la resistencia del papel sino queaumenta la tendencia a que se forme polvillo durante la impresindebido a la existencia de un menor nmero de fibras por unidad degramaje y un menor nmero de uniones fibra-fibra en la hoja de papel.El aumento de la proporcin de cargas tambin acelera el desgaste dela tela en la mesa de formacin y de los platos de impresin. Por otrolado aumentar la densidad del papel formado y el contenido en slidosen la corriente de las aguas blancas.

Si bien en el presente trabajo las cargas y pigmentos se van aconsiderar conjuntamente dentro de la denominacin de cargas, cargasa veces se define como un mineral, ms barato que las fibras decelulosa, que se pueda usar como materia prima en la fabricacin del


papel, mientras que pigmento es un material, generalmente ms caro quelas fibras, que se incorpora con la finalidad especfica de mejoraralguna propiedad ptica del papel. Entre las cargas naturales seencuentran: arcillas (A1203 2SiO2 2H20), talco (3MgO 4 SiC2 H20),carbonato clcico (CaCO3), mica (3A1203 R20 6SiO2 2H20) yeso (CaSO4 2H20)y entre los pigmentos: xido de zinc (ZnO) , dixido de titanio (TiC,)hidrxido de aluminio (Al(CE1, cristalino) aluminosilicatos de calcioy sodio, sulfato de bario (BaSO4), pigmentos plsticos, etc.

Entre las propiedades ideales que son deseables para una carga

destacan:

- ser qumicamente inertes e insolubles.

- presentar una alta retencin en la mquina de papel, con el finde tener las menores p4rdidas posibles. Sin embargo, la retencintambin depende del tipo de aditivo de retencin usado.

- dar un grado de blancura mximo.

- tener una densidad baja, no presentar componentes abrasivos,coloreados o iones metlicos.

- tener un tamao de partcula cercano a 0 2-0,3 mm. Algunas cargascorno el dixido de titanio cumplen esta especificacin si bienel tamao de las cargas es normalmente mucho mayor, debido

principalmente a los costes de molienda.

- tener un ndice de refraccin muy alto para producir un mximode opacidad. Destacan en esta propiedad el xido de zinc y eldixido de titanio.

- tener un bajo precio.

No existe ninguna carga o pigmento que cumpla todas estasespecificaciones, por lo que el nmero de cargas usadas en lafabricacin del papel, no es muy elevado. La tabla 3.4.1 muestra el usode las cargas ms habituales en distintos tipos de papel.


Tabla 3.4.1.- Uso de cargas en distintos tipos de papel

Tipo de papel contenido Tipo de carga

Papel de peridico 0-10% arcillas, talco, pigmentos

especiales.

Papel de revistas 20-30% arcillas, talco.

Papel de escritura 0-25% arcillas, talco, caco,, TiO,

Papel de envolver 0-10% arcillas, talco, caco;, TiO2

La presencia de cargas en las suspensiones de pasta de papel esimportante al estudiar la qumica del papel ya que afecta al fenmenode retencin, a la interaccin entre los distintos componentes de la

suspensin, y al efecto de los aditivos utilizados en la parte hmedade la mquina de papel. Desde este punto de vista las propiedades msimportantes de las cargas son:

- tamao y forma de las partcula,- grado de agregacin y estructura porosa,- superficie especfica,- carga superficial

-composicin qumica.

El problema que presentan las partculas de carga no retenidasen la tela de formacin es que van a las aguas blancas con el resultadode aumentar el porcentaje de partculas finas, cuando estas aguas serecirculan a la caja de alimentacin de la mquina de papel.

Este problema podra evitarse favoreciendo la agregacin de lascargas con el fin de incrementar su retencin en el primer paso a

traves de la tela si bien en este caso se producira una disminucinde la opacidad. Por lo tanto es necesario llegar a una solucin decompromiso alcanzando la opacidad requerida con el mximo posible deretencin usando la mnima cantidad de cargas.

La forma de las partculas de las cargas es importante desde elpunto de vista del calandrado, brillo, velocidad de secado, etc, sibien este tema queda fuera de los objetivos de la investigacin.


El rea superficial de las partculas empleadas como cargas esinversamente proporcional a su tamao, de tal forma que a mayor reasuperficial se obtiene una peor retencin. Por otro lado, este reasuperficial influye tambin en la qumica del papel, debido a surelacin con la capacidad de adsorcin de las partculas. Si secomparan las cargas con las fibras, se aprecia, que debido al menortamao de aquellas, su rea superficial es mucho mayor, de tal formaque la capacidad de adsorcin de aditivos por unidad de peso de cargaes, asimismo, mucho mayor que la de las fibras.

La carga superficial de las cargas minerales suele ser negativa,salvo que la invierta la presencia de otras sustancias. La carga de

estas partculas depende del pH del medio, de la presencia de salesinorgnicas solubles, de la presencia de polielectrolitos, de laincorporacin de grupos cargados a su superficie cuando son fabricados,etc. Por ajuste de su carga superficial se puede llegar a modificar elgrado de dispersin o agregacin de un sistema de cargas minerales, porlo cual, puede interferir en los procesos qumicos papeleros.

Con el fin de mejorar las propiedades pticas del papel seutilizan cargas bien dispersas para lo cual es conveniente el empleode dispersantes que interfieren en la retencin en el primer paso por1a mquina de papel. Cuando se emplean dispersantes, las partculas sonestabilizadas en suspensin y muestran poca tendencia hacia latormacin de agregados. Para evitarlo, durante la fabricacin del papelse neutralizan las cargas originadas por los dispersantes sobre las

sustancias minerales con sales de aluminio o con otros aditivos deretencin, que producen la agregacin de las partculas y la formacinde flculos fibracarga (Alen LE., 1980; Weigl 5. y col., 1986; Linhart F. ycol., 1987; caulkins D. y Wildman 5., 1988; Weigl 5. y col., 1990)

Por otro lado, los agentes dispersantes de las cargas mineralespueden interaccionar con los agentes de retencin del sistemareduciendo su eficacia.

En la tabla 3.4.2 se recogen datos del potencial zeta medio delas fibras y de distintos tipos de cargas. Los datos han sido tomados

de la literatura y se refieren a materiales dispersos en agua

destilada, sin la adicin de polielectrolitos. En ocasiones, se ajustala fuerza inica o el pH, con sales, cidos o bases inorgnicas. (Hall

II


E.S.J, 1965; Le Bel 5. y col.1974; Boluck Id. Y. and Van de Ven TOId., 1990; JaycockM.J. y col, 1975; Siffer 5. y Fimbel P., 1984; Sanders Id. y Schaefer J.H., 1988;

Davidson R.1~., 1984; Weigl .3., y col. 1989; Alince 5., y Lepoutre P. , 1983; Stark II. y

Eichinger R., 1984)

Tabla 3.42. Potencial zeta de fibras y cargas.

Material condiciones de medida pH PZ(mV)

Fibras Agua destilada H2SO, 6 NaOH 4 - 15

6 25

8 30

Kaolin 20 ppm, l0 - + 12

Slice Agua destilada 5 - 40

Talco Agua destilada + H~504 NaOH 4 -106 20

En la tabla 3.4.3 se recogen datos bibliogrficos de medidas depotencial de cargas minerales en condiciones semejantes a las de lasfbricas de papel (Allince 5., 1987; Fimbel P. y Siffert 5., 1986; Saycocj MS. yPearson S.L., 1975) . Las medidas del potencial zeta de las partculas decarga en presencia de fibras indica que la adsorcin de iones,polielectrolitos o material coloidal de las suspensiones hace que elpotencial zeta sea semejante al de las fibras.


Tabla 3.3 Efecto de la presencia de electrolitos y polielectrolitos sobre el

potencial zeta de las cargas.

carga condiciones de medida PZ (mv>

Kaoln Finos a pH 6 - 150,5% PSI sobre la carga a pH 6 + 220,2 10 mol dr~,> lignosulfato sdico a pH 6 - 350,6 l0~ mol &xV AlflSO4), a pH 6 15

flixido de titanio Finos a pH 6 - 15Pinos +7. 10 14 A1~(5O4>~ a pH 6 + 51% Ffl sobre la carga a pH 6 0

carbonato clcico NaTPP 0~ mol &,V3 - 28

=

Respecto a la composicin qumica de las cargas minerales, lamayor parte de los pigmentos son inertes, en cuanto a reacciones dehidrlisis bajo las condiciones normales de fabricacin de papel, conexcepcin del carbonato clcico, el cul no puede ser usado en lafabricacin cida. La tendencia actual en la fabricacin del papel, esla utilizacin de procesos neutros o alcalinos, debido, entre otrastazones, a las ventajas que supone la utilizacin del carbonato clcicocomo carga.

3.5.- ADITIVOS DE RETENCION. DRENAJE Y FLOCULACION

El proceso de formacin de la hoja de papel puede ser comparadocon un proceso de filtracin donde la tela de la mesa de formacin,acta como un filtro continuo que retiene una fraccin de los slidosque forman la alimentacin de la mquina de papel.

Los slidos no retenidos drenan a travs de la tela, junto conla mayor parte del agua, pasando a formar las aguas blancas. Laeliminacin de agua debe de estar suficientemente avanzada para que elpapel recien formado que abandona la tela no se rompa al pasar la hojaa la seccin de prensa y secado. El grado de eliminacin de agua de lahoja durante su formacin, es decir el grado de drenaje, determina lavelocidad mxima a la que puede operar esta seccin de la mquina depapel.


Es importante distinguir entre la retencin del sistema y laretencin en la tela. La retencin del sistema es la proporcin decualquier componente de la suspensin de pasta que se lleva a lamquina, que est presente en la hoja continua que abandona la mquina.La retencin en la tela es la proporcin de alguno de los componentesde la suspensin de pasta depositada sobre la tela que queda retenidaen la banda continua de papel. En un sistema cerrado, que contiene unagran cantidad de finos, la retencin del sistema es elevada,independientemente de que la retencin sobre la tela sea- normalmentebaja.

En los principios de la fabricacin del papel en continuo,prcticamente no se haca nada para provocar la floculacin de lasfibras, finos y cargas durante la fabricacin, ms tarde, se comenza aadir el aluminio necesario para el encolado. Sin embargo, en laactualidad, debido a la utilizacin de mquinas de papel de altavelocidad, en las que los agregados de partculas o fibras estnsometidas a altas fuerzas de cizalla, se hace necesario el uso deaditivos de retencin que produzcan flculos ms fuertes que losoriginados con el sulfato de aluminio.

Desde que LaMer y colaboradores descubrieron que con bajas dosisde polmeros se poda mejorar la floculacin de finos, se adopt esteprocedimiento en la industria del papel, siendo comn desde entoncesel uso de polielectrolitos como aditivos de retencin (smellie RE., ytaMer v.x., 1958; Healy T.W. y LaMer y.

Composicin de las suspensiones de pasta de papel 3S

3.5.1.- FLOCULMJTES INORGANICOS

Este grupo incluye los denominados electrolitos cuyo objeto esdisminuir el potencial electrocintico de las partculas en suspensin.Por su funcin, tambin se les denomina coagulantes. Su accin dependedel pH del medio produciendo flculos pequeos, rgidos, compactos, conuna alta resistencia a la compresin, por lo que las velocidades desedimentacin de las suspensiones tratadas con estos agentes son bajas.

Estos floculantes presentan la ventaja de ser ms baratos, sibien es necesario emplear dosis comparativamente elevadas paraconseguir resultados semejantes a los obtenidos con los floculantesorgnicos.

Los electrolitos ms utilizados en la fabricacin del papel sonlos derivados del aluminio (Isolati A., 1984; Gerischer o. y col., 1985; ArnsonT.R. y Stratton RA., 1983) . La qumica del aluminio es compleja y en lascondiciones del medio en que se fabrica el papel puede tener lugar lapresencia de numerosas especies. La qumica del aluminio en lafabricacin del papel ha sido ampliamente descrita por Arnson (ArnsonT.R., 1982) . Los compuestos de aluminio se pueden hidrolizar en aguaoriginando diversas especies:

Afl3+H20AJ(QH)2+11 (3.1)

AJ(0fl2+H20A1(OH); +11 (3.2)

AJ(Oii) ~ Al(o)!)3 + it (3.3)

tambin hay que tener en cuenta la presencia de otras especiesdependiendo del pH, tal y como se muestra en la figura 3.5.1.

Arnson demostr que el intervalo de pH en donde las fibrasadsorben la mayor cantidad de aluminio es de 5,25-6,25, como se observaen la figura 3.5.2.


Figura 3.5.1.- Influencia del pH sobre el equilibrio de las especies de aluminiopresentes en una disolucin de concentracin 2,5.10 > M.

atoz~0.8D-J0tnt 30to

u)Coj 20

o 10-

pH

-- 2 1. Finos-o- 24 Finos.201, arcilta

4.5 5 5.5 6

Figura 3.5.2.- Adsorcin del aluminio por las fibras en funcin del pH y delcontenido de finos. (Arnson TR. 1982).


Posteriormente se han empleado los policloruros de aluminio,introducidos en Japn, como alternativa ms eficaz a otros compuestosde aluminio.

3.5.2.- FLOCULANTES NATURALES

Son compuestos orgnicos formados por polisacridos, cuyosprincipales representantes son el almidn o sus derivados y las gomasvegetales. El mecanismo por el cual actan es el de enlace dehidrgeno.

El almidn presenta dos formas asociadas: la amilosa, que es unpolmero lineal soluble en agua, y la amilopectina que est ampliamenteramificada y es insoluble en agua (figura 3.5.3).

Figura 35.3.- Estructura molecular de la axnilosa y de la amilopectina.

Los aditivos naturales se usan principalmente para mejorar laresistencia del papel en seco, sin embargo los derivados catinicos delalmidn se pueden usar para mejorar la retencin y el drenaje. Estosproductos son adsorbidos por las fibras, finos y cargas, alcanzndoseniveles de retencin del aditivo muy altos (Marton S., 1980 y 1983)

Puente de Hidrogeno

AM LO PECTINA

Unidad.-,. de

Glucosa


3.5.3.- POLINEROS ORGM4ICOS SINTETICOS

Los floculantes sintticos son polmeros lineales de elevado pesomolecular, solubles en agua, eficaces a concentaciones muy pequeas.Poseen grupos activos, distribuidos a lo largo de sus cadenas. Seseleccionan para que estos grupos presenten gran afinidad por lassuperficies slidas de las partculas del sistema. Producen flculosmuy coherentes, poco rgidos que presentan altas velocidades desedimentacin.

El principal mecanismo de floculacin de estos agentes es launin de partculas mediante la cadena polimrica, mecanismo conocidocomo formacin de puentes, aunque otros mecanismos tambin contribuyena la floculacin. La reduccin del potencial zeta mediante la adsorcinde iones de polmero sobre la superficie cargada no se considera comomecanismo principal de floculacin puesto que, en determinados casos,suspensiones cargadas negativamente pueden ser floculadas confloculantes aninicos.

Los polielectrolitos participan de las caractersticas deelectrolitos simples, tales como cargas elctricas o grupos, capacesde ionizarse, cuyas cargas dependen del pH del medio.

Se pueden distinguir tres tipos principales de floculantessintticos: no inicos, inicos o polielectrolitos, y copolmeros.Entre los floculantes sintticos no inicos se encuentran, casiexclusivamente, las poliacrilamidas obtenidas por polimerizacin de laacrilamda en presencia de catalizadores de oxidacin-reduccin o deiniciadores de cadenas.

A partir de una cadena de policrilamida se puede obtener unpolmero catinico o aninico tal y como se observa en la figura 3.5.4.

Los polielectrolitos aninicos estn representados por:

- Poliacrilamidas parcialmente hidrolizadas- Acidos poliacrlicos- Poliacrilonitrilos hidrolizados- Acidos poliestirenos sulfnicos- Acidos polivinilsulfnicos


POLIACR 1 LAM IDAS

1 CH2--CH--CH2

1 3n ANIONICA

CATIONICA

Figura 3.5.4.- Estructura qunica de las poliacrilawidas.

Entre los polielectrolitos catinicos destacan:

- Poliacrilamida parcialmente sustituida con grupos amoniocuaternario

- Polietileniminas- Polivinilaminas

- Polivinilpiridinas

El efecto de las acrilamidas catinicas se ve afectado por lassustancias presentes en la suspensin y, en especial por los compuestosaninicos que pueden interferir en la adsorcin de la poliacrilamidapor las fibras, finos y cargas, que disminuyen su eficacia (EendricksonER. y Neuman R.D., 1985) . En este caso las poliacrilamidas aninicaspueden llegar a ser ms eficaces que las catinicas (Reynolds SP. y RyanR.F., 1957; Swift AM., 1957; Bikates N. y Bikales N.M, 1923; Volk H. y col 1980)

Las polietileniminas son polmeros con una longitud de cadenamenor que la mayora de las poliacrilamidas pero con una mayor densidadde carga catinica (Neimo L., 1984; Seagusa T. y col., 1972; Tanaka y col., 1983)Sin embargo, la cationicidad del polmero disminuye al aumentar el pHdebido a que los tomos de nitrgeno estn formando estructurassecundarias y terciarias, tal y como se observa en la figura 3.5.5

II


(Horn n. 1980; Wilfinger E., 1948; Wilfinger H. y Auhorn 14.. 1968; Posclvnann PS., 1968;Dick c.R. y Han 0.5., 1970) . En el caso de las poliacrilamidas los tonos

de nitrgeno son cuaternarios y por lo tanto prcticamente no se venafectados por cambios del ph.

Figura 3.5.5.- Estructura de la polietileimina.

Los copolmeros se obtienen por copolimerizacin directa demezclas de monmeros, o mediante modificacin subsecuente de unhomopolimero. Entre estos se encuentran:

- Copolmero estireno-cido maleico- Copolmero cido acrlico- cido maleico- Copolmero ter vinilmetlico-cido maleico- Copolmero acetato de vinilo-anhdrido maleico.

3.5.4.- MODO DE ACCION DE LOS ADITIVOS DE RETENCION

Los aditivos de retencin pueden interaccionar con los diferentescomponentes de las suspensiones de pastas controlando el nivel de

floculacin de las distintas fracciones de la suspensin de pastadurante la formacin de la hoja.

La figura 3.5.6 representa, esquemticamente, las posiblesinteracciones entre los aditivos de retencin inicos y los distintoscomponentes de la suspensin de pasta. Los polielectrolitos catinicos

CH2 CH2N[CH21CH2

1 NH J n

FI


se adsorben directamente sobre las superficies cargadas negativamente,mientras que los polmeros aninicos tienen que ser inducidos, para seradsorbidos, por iones metlicos polivalentes o polielectrolitoscatinicos. Una vez que se ha completado el estado de adsorcinelemental, se pueden producir cambios en la conformacin de lasmolculas adsorbidas formndose estructuras especificas de la capaadsorbida, las cules dan lugar a diferentes mecanismos de floculacin.

La cintica de estos procesos y la conformacin final de lasmolculas de polielectrolito estn determinadas por la densidad decarga y el peso molecular del polmero, y por la densidad de carga ymorfologa de la superficie adsorbente.

Las partculas presentes en la suspensin pueden dar lugar adistintas interacciones, formndose en ocasiones complejos que puedenpresentar la ventaja de inducir a la adsorcin de contraiones o ladesventaja de disminuir la eficacia del polmero.

INTERACCION ELECTROSTATICACON CONTRAIONES

50~ee ~Resinas e, etc.

SS

MODELO DE FLOCULACIONPOR PARCHES

MODELO DE FLOCULACIONPOR FORMACION DE PUEN-

lES

1 NIERACCION ELECTROSTAT CACON CONTRAIONES

. Mg~,.~.e, Na,k< ,Ca

e

10COMPLEJO DEPOLIEL E Cl RO L lO

NEUTRO EINSOLUBLE

Podmero de alto pesomolecular

FLOCULANTE

Figura 3.5.6.- Modos de interaccin de los aditivos de retencin lonicos.


En los estudios de adsorcin de agentes de retencin incossobre distintos tipos de fibras de celulosa se observa que la adsorcindisminuye cuando el peso molecular y/o la densidad de carga de lamolcula aumentan (Horn It y Goethals ES., 1980; Horn D., 1978; Lindstrdm T. ySbremark 0., 1976; Horn D. y Melzer 5., 1977; Kindler 14. A. y Swanson 5.14., 1971; Alince

5. y Robertson AA., 1974)

Una explicacin de la disminucin de cantidad de polmero

absorbido al aumentar su peso molecular, se basa en la naturalezaporosa de las fibras que limita el acceso de las molculas grandes ala superficie interna de los poros. Las fuerzas repulsivasintermoleculares e intrarnoleculares hacen que las molculas de polmeroocupen una mayor rea superficial cuando aumenta su densidad de cargasuperficial, lo cual produce una disminucin en la cantidad de polmeroabsorbido sobre las fibras.

Cuando las variaciones de la densidad de carga se deben a cambios

en el pH de la suspensin, el fenmeno de adsorcin se ve afectadotanto por los cambios en la densidad de carga de las partculas ensuspensin como por el cambio en la fuerza inica del mediodispersante. Los resultados finales de estos cambios son complejos yslo se pueden determinar de forma experimental (Lindstrbm T. y Wagberg L.,1983; Tanaka H. y col., 1979; Evers O.A. y col., 1989)

Los estudios electrocinticos llevados a cabo por numerososautores (Horn D. y Melzer 5., 1975; Onabe PV, 1979; Melzer 5., 1972) muestran quela carga negativa inicial de las suspensiones de pasta disminuye al

aumentar la dosis de polmero catinico. La cantidad de aditivorequerido para alcanzar el punto isoelctrico se puede definir como lademanda catinica y es especfica para cada tipo pasta (Lindstr&a T. andcol., 1974; Strazdins E., 1974)

Si se aade una cantidad de aditivo mayor, la suspensin pasara estar cargada positivamente. Las determinaciones electrocinticaspermiten, por tanto, determinar las dosis ptimas de aditivos desde elpunto de vista de neutralizacin de la carga elctrica. Sin embargo,se ha demostrado experimentalmente que no siempre es necesarioneutralizar la carga de la suspensin para que se produzca lafloculacin, ya que depende de los mecanismos de floculacin quepredominen y, por lo tanto, del tipo de polmero aadido (strazdins E.,


1972; Moore E.E., 1975; Anderson R. y Penniman 3.0., 1974>

En la figura 3.5.7 se representa esquemticamente los efectoselectrocinticos y los modelos de floculacin de una suspensin depasta, expuesta a la accin de dos tipos de aditivos de retencindiferentes. En los modelos de floculacin se pone de manifiesto lasdiferencias entre los mecanismos por los cuales los polmeros inducena la floculacin. En un caso se produce una floculacin por formacinde parches (HealyT.w. yLaflerv.K., 1962; PeltonR.H. yAllenL.H.. 1SS3) mientrasque en el otro se produce por formacin de puentes (gasper DR. 1971;Gregory 3., 1973; Goossens 3.14.5. y Luner, P., 1976)

FloculacionMODELO DE PARCHES

CARGADOS

POLICAT ION- Alta densidad de carga Bajo/medio peso molecular

U

U

Ueeo

Movilidade

Dosis de polimero

UeO

Dosis de polmero

MODELO DE FORMACIONDE PUENTES

PaLI CATIONde carga

Alta

Floculacin

-Baja/media densidadpeso molecular

Movilidad

Figura 3.5.7.- Efectos electrocinticos y modelos de floculacin.

Los aditivos de retencin con una densidad de carga media yestructura lineal inducen una floculacin por formacin de puentes,especialmente si tienen un alto peso molecular. La conformacin de estetipo de aditivos en el estado adsorbido permite que parte de la cadenapolimrica comprendida entre dos de sus centros de carga, unidos a unamisma partcula en suspensin, se disponga por encima de la superficiecomo un lazo, o que partes de la cadena polimrica comprendidas entreun centro de carga adsorbido sobre la partcula y el extremo, sedispongan como una cola o flagelo.


Cuando el nmero de estas disposiciones polimricas es alto, sureconformacin es muy lenta y las posibilidades de que otras partculassean capturadas por los lazos y las colas son muy altas.

Los aditivos con una alta densidad de carga positiva tienden aser adsorbidos en una estructura plana. A dosis muy por debajo de lade saturacin se forman zonas de carga positiva o parches de talforma que la superficie de las partculas llega a estar cubierta porun mosaico de parches cargados positivamente y, por las ~zonas libres

del polimero cargadas negativamente. La floculacin ocurre comoresultado de la atraccin electrosttica entre zonas de cargas opuestasde partculas adyacentes. El mximo nivel de floculaci se alcanzacuando un 50% de la superficie de las fibras es ocupada por parches depolmero y no tiene por que corresponder con el punto isoelctrico dela suspensin. A diferencia de los aditivos de retencin por formacinde puentes, en los aditivos que producen la floculacin por formacinde parches, una sobredosis produce un cambio total en el signo de lacarga superficial y por tanto la redispersin de los flculos.

Los flculos formados pueden presentar diferentes caractersticasdependiendo del mecanismo de floculacin. S el mecanismo sigue elmodelo de parches, los flculos son compactos y de dimensiones muchoms pequeas que los formados por el mecanismo que describe el modelode puentes, los cuales presentan una estructura muy voluminosa. Estas

caractersticas influyen en los procesos de retencin, formacin ydrenaje.

Asimismo, los flculos presentan un comportamiento diferentefrente a las fuerzas de cizalla. En los flculos debidos a la formacinde parches, la refloculacin ocurre cuando las fuerzas de cizalladisminuyen, mientras que en los flculos formados por puentes si bienrequieren una mayor energa para su rotura una vez rotos el grado derefloculacin alcanzado es menor, debido a que se produce la rotura dela cadena molecular y la reconformacin de la misma sobre la superficiede las partculas.

EJ. punto de incorporacin del aditivo a las suspensiones de pastatiene un papel muy importante a la hora de seleccionar el aditivo msadecuado, debido a la cintica de adsorcin, a los cambios en laconformacin de las molculas adsorbidas y al diferente comportamiento


de los flculos frente a las fuerzas de cizalla (Van de Ven T.G.M. y Mason5.0., 1981)

Adems de los descritos anteriormente, en la bibliografa seproponen otros tres modelos de actuacin de los aditivos de retencin.

La floculacin por neutralizacin de la carga se produce porintercambio inico con policationes en proporciones esteguiomtricas,y tiene lugar por la accin de las fuerzas atractivas de Van der Naalsentre partculas no cargadas.

El aditivo de retencin policatinico forma un compljo no inicocon las especies polianinicas. Es un requisito necesario que lasestructuras de ambos reactantes sean potencialmente flexibles paraevitar el predominio de la floculacin por formacin de parches opuentes que tiene lugar sobre una superficie slida rgida (Vincent E.,1974)

Los modelos de floculacin por formacin de complejos (Vincent B.y Whittington 5.0., 1982; Pies HE. y Meyers B.L. , 1971; Britt KW., 1973; Moore E.,

1916> y por formacin de estructuras o redes tridimensionales (Linastr~iwT. y Olad-Nordrnark 0., 1984; Pelton PH. y col., 1981) se consideran casos

particulares de la floculacin por formacin de puentes.

3.6.- AGUA DE PROCESO

El agua es el componente mayoritario de las suspensiones de pastade papel, su presencia durante la preparacin de las pastas y durantela formacin de las hojas tiene un gran efecto sobre las propiedadesfinales de las hojas de papel obtenidas (webb L..3-, 1991; aebb LS., 1994)

Dado el elevado consumo de agua en la fabricacin del papel seadmiten aguas dentro de un amplio intervalo de especificaciones,dependiendo de su disponibilidad y coste de tratamiento.

La calidad del agua que entra en el circuito de la mquina depapel puede llegar a definir la mayora de los procesos qumicos quese van a producir durante la fabrica: n del papel, si bien tambininfluyen sobre el sistema qumico total, el grado de recirculacin delas aguas blancas y el grado de retencin en la tela de las materias

II ~ :1


primas y aditivos utilizados.

El pH del agua de alimentacin tiene ms importancia en losprocesos de fabricacin del papel neutros y alcalinos que en el casode la fabricacin en medio cido. El pH del medio va a determinar elgrado de ionizacin de los grupos funcionales en disolucin y afectaal equilibrio entre los iones disueltos y entre stos y las cargas dela suspensin.

En los procesos cidos, la dureza del agua determina la dosis dealuminio y de cido sulfrico necesarios para acondionarla, lo queaumenta la conductividad. En otros procesos, es la conductividad delagua de aportacin la que tiene influencia directa en la floculac.on.

La presencia de sales influye en la qumica de la parte hmedade la mquina de papel debido a su interaccin con los grupos cargadosde la superficie de las partculas en suspensin y de los polmerospresentes, por lo que este terna se va a tratar en lo prximos captuloscon mayor profundidad.

Por ltimo, la presencia de compuestos orgnicos en las aguas dealimentacin tiene mucha menor importancia que la presencia de salesinorgnicas. Esto es debido a la baja concentracin de materia orgnicapresente en las aguas de alimentacin con respecto a la materiaorgnica presente en las aguas de proceso, por lo que este tema no seha tenido en consideracin en el presente trabajo.

4.-COMPORTAMIENTO DE LASDURANTE LA FABRICAC ION

SUSPENSIONESDEL PAPEL

comportamiento de las suspensiones durante la fabricacin de papel 50

Como hemos visto en el apartado anterior, las supensiones depasta de papel son sistemas complejos donde pueden tener lugarnumerosas interacciones entre sus constituyentes (ranaka 8., 1993; MooreE.E., 1973> . Si bien algunas de estas interaciones son controlables yfavorables a los objetivos de la fabricacin del papel establecidos,otras muchas caen fuera del control directo, o afectan al procesodesfavorablemente (webb LS., 1988; Lindstrm T., 1979, 1989 y 1992; Day L.c. ycol., 1979; Lindstrm T. y Sormovk c., 1976) . Entre dichas interacciones cabendestacar las siguientes:

- Agregacin de fibras, cargas y finos. Adsorcin de polimeros disueltos a las fibras, finos y cargas.- Agregacin de molculas de cola.- Adsorcin de molculas de colas a las fibras, finos y cargas.- Neutralizacin de las cargas negativas de materiales aninicos

disueltos y en suspension.- Establecimiento de un equilibrio entre las sales inorgnicas

disueltas y los productos inicos insolubles.- Desarrollo de micelas compuestas de molculas con actividad

superficial.- Absorcin de agua por las fibras, finos y almidones.

TI 7! -

comportamiento de las suspensiones durante la fabricacin de papel 51

Las interacciones que tienen lugar entre las diferentes

partculas son el resultado de dos tipos de fuerzas, unas atractivasy otras repulsivas. De forma general vamos a considerar dos tipos defuerzas atractivas, primarias y secundarias. Las primarias son aquellas

que actan a nivel atmico uniendo los tomos en molculas o compuestosqumicos. Estas uniones presentan energas de 84 a 840 kJ/mol deuniones formadas y, la interaccin de las fuerzas alcanza distanciasde 0,1-0,2 nm.

Las fuerzas atractivas secundarias actan a nivel molecular ypresentan energas de 8 a 42 kJ/mol, las interacciones de estas fuerzasalcanzan distancias de 0,2-0,3 nm. Por ejemplo, los puentes dehidrgeno son un caso de fuerzas atractivas secundarias, tienen unrango de energa de 12 a 21 kJ/mol y forman puentes a distancias de0,23 nm. Las fuerzas atractivas secundarias tambin se las denominafuerzas de Van der waals.

De las interacciones descritas anteriormente, el equilibrio entrelos iones en disolucin y sus precipitados insolubles tiene lugar porfuerzas inicas primarias, las interacciones de los polielectrolitoscargados tambin pueden ser de caracter inico pero en un grado menorque las sales. Todas las dems interacciones son el resultado defuerzas atractivas secundarias.

Una de las principales caractersticas de los materiales quecomponen las suspensiones de pasta es que todos ellos tienen al menosuna de sus dimensiones muy pequea como se recoge en la tabla 4. 1 y porlo tanto presentan una gran superficie especfica que est comprendidaentre 0,6 m2/g y 600 mtg (Linhart, F., 1989).

Tabla 4.1.- Dimensin ms pequefla para los componentes de una suspensin depasta.

componente Tamao Dimensin

Fibras lO20 pm Anchuramicrofibrillas < 1pm AnchuraFinos < l2 pm Dimetrocargas o,-o vm7 DimetroEncolante en dispersin < 1 gm DimetroMolculas disueltas de FAA < 1 yim Longitud

Comportamiento de las suspensiones durante la fabricacin de papel 52

Debido a la gran relacin existente entre la superficie de laspartculas en suspensin y su masa, una parte importante de susmolculas son superficiales y experimentan la interaccin de lasfuerzas secundarias creadas por otras molculas localizadas en el senode la suspensin, o por otras partculas de las proximidades. Estasinteracciones producen un exceso de energa localizado en la superficiede las partculas o en la interfase con el medio que las rodea. Esteexceso de energa influye fuertemente sobre el comportamiento

superficial de las partculas en suspensin, y por tanto, modifican elcomportamiento qumico del sistema. Por sus intervalos de tamao y porla influencia de propiedades relacionadas con el mismo, el estudio del

comporatarniento fsico-qumico de las suspensiones de pasta de papelcae, por consiguiente, dentro del mbito de la qumica coloidal.

Dentro de la qumica coloidal tenemos que distinguir dos tiposde sistemas coloidales liofbicos y lioflicos, algunas de cuyascaractersticas se recogen en la tabla 4.2.

Tabla 4.2.- caractersticas de los sistemas coloidales liofbicos y lioflicos.

En el caso particular de las suspensiones de pastas de papel,puesto que el medio de dispersin es el agua, los sistemas formados sondenominados hidrofbicos e hidroflicos existiendo sistemas de ambostipos. En la tabla 4.3 se recogen algunos ejemplos.

El estudio de los sistemas hidrofbicos concierne al estado deagregacin en el cual se establece el equilibrio. Siendo el deseo delos fabricantes de papel el control de dicho proceso de agregacin, conel fin de alcanzar una distribucin homogenea de los materiales en lahoja de papel formada, a la vez que se consiga la mxima retencinposible de las materias primas en la hoja.

SISTEMAS LIOFOBICOS

- Suspensiones de partculas Pequea atraccin o afinidad entre las partculas y el medio.- Tennodinmicaxnente inestables con respecto a la formacin de agregados.- Existe una intentase entre las partculas y el medio que afecta mucho al

sistema.

SISTEMAS LIOFILICOS

- Soluciones verdaderas de molculas muy grandes o agregados de molculaspequeas.

- Fuerte iteraccin entre el medio y las partculas.- No existe una verdadera intentase entre las partculas y el medio.


Tabla 4.3.- Ejemplos de sistemas hidrofbicos e hidrofilicos en la fabricacin depapel.

4.1.- ESTUDIO DE LAS PROPIEDADES ELECTRICAS DE LAS SUSPENSIONES DE

PASTA DE PAPEL

La mayora de los slidos, cuando se introducen en un mediopolar, desarrollan una carga en su superficie bien sea por ionizacin,por adsorcin especfica o por la disolucin de iones. La cargaelctrica de estas partculas coloidales produce la repulsin entreellas, e impide que puedan unirse para formar partculas mayores, a lavez que atraen a los iones de carga opuesta o contraiones . Esto,

junto con la tendencia a mezcarse debida a los movimientos de carctertrmico conduce a la formacin de una doble capa elctrica. Si una delas fases se mueve tangencialmente con respecto a la otra se observanlos denominados efectos electrocinticos, los cuales fuerondescubiertos a principios del siglo XIX desarrollndose desde entoncesnumerosas teoras.

En un principio desde el descubrimiento de los fenmenos deelectrosmosis y electroforesis por Reus (1809> los estudiosrealizados fueron cualitativos hasta que en 1852 Wideman desarroll laprimera teora cuantitativa. En 1959 Quincke demostr la existencia deun fenmeno opuesto a la electrosmosis. Es decir, s la electrosmosises el movimiento del liquido a travs de un medio poroso bajo la accinde un campo elctrico, el efecto opuesto ser la aparicin de unadiferencia de potencial originado cuando se hace fluir al lquido atravs del medio poroso.

A partir de estudios realizados en capilares, Quincke adelantque la estructura de la capa elctrica en la interfase slidolquidoes la responsable de los fenmenos electrocinticos, siendo Helmholtz

HIDROPOBICOS

- Los finos dispersos en agua- Todos los pigmentos dispersos en agua- Los agentes de encolado en agua- Las emulsiones de agentes de encolado

HIDROFILICOS

- Los almidones disueltos en agua Gomas disueltas en agua.


el que elabor la primera teora electrocintica en 1879, la c

Estudio de La Floculación en La Fábricación de Papel

Documents

Transcript of Estudio de La Floculación en La Fábricación de Papel