OBTENCION DE FIBRA DE MADERA PARA PAPEL.docx
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OBTENCION DE FIBRA DE MADERA PARA PAPEL
I. OBJETIVO
- Conocer el proceso de la obtención de fibra de madera para la elaboración del
papel.
II. FUNDAMENTO TEÓRICO
El papel es una delgada hoja elaborada con pasta de fibras vegetales que son
molidas, blanqueadas, diluidas en agua, secadas, y posteriormente
endurecidas; a la pulpa de celulosa, normalmente, se le añaden sustancias
como el polipropileno o el polietileno con el fin de proporcionar diversas
características. Las fibras están aglutinadas mediante enlaces por puente de
hidrógeno. También se denomina papel, hoja, o folio, a su forma más común
como lámina delgada.
El proceso básico de la fabricación de papel no ha cambiado a lo largo de más
de 2.000 años, e implica dos etapas:
1. Trocear (desmenuzar) la materia prima en agua para formar una
suspensión de fibras individuales y
2. Formar láminas de fibras entrelazadas extendiendo dicha suspensión sobre
una superficie porosa adecuada que pueda filtrar el agua sobrante.
En la fabricación manual de papel, la materia prima (paja, hojas, corteza, trapos
u otros materiales fibrosos) se coloca en una tina o batea y se golpea con un
mazo pesado para separar las fibras.
Durante la primera parte de la operación, el material se lava con agua limpia
para eliminar las impurezas, pero cuando las fibras se han troceado lo
suficiente se mantienen en suspensión sin cambiar el agua de la tina. En ese
momento, el material líquido, llamado pasta primaria, está listo para fabricar el
papel.
La principal herramienta del papelero es el molde, una tela metálica reforzada
con mallas cuadradas o rectangulares. El dibujo de las mallas puede apreciarse
en la hoja de papel terminada si no se le da un acabado especial.
El molde se coloca en un bastidor móvil de madera, y el papelero sumerge el
molde y el bastidor en una tina llena de esta pasta. Cuando los saca, la
superficie del molde queda cubierta por una delgada película de pasta
primaria.
El molde se agita en todos los sentidos, lo que produce dos efectos: distribuye
de forma uniforme la mezcla sobre su superficie y hace que las fibras
adyacentes se entrelacen, lo que proporciona resistencia a la hoja. Mientras se
agita el molde, gran parte del agua de la mezcla se filtra a través de la tela
metálica.
A continuación se deja descansar el molde, con la hoja de papel mojado, hasta
que ésta tiene suficiente cohesión para poder retirar el bastidor.
Una vez retirado el bastidor del molde, se da la vuelta a este último y se
deposita con suavidad la hoja de papel sobre una capa de fieltro. Después se
coloca otro fieltro sobre la hoja, se vuelve a poner una hoja encima y así,
sucesivamente.
Cuando se han colocado unas cuantas hojas de papel alternadas con fieltros, la
pila de hojas se sitúa en una prensa hidráulica y se somete a una gran presión,
con lo que se expulsa la mayor parte del agua que queda en el papel. A
continuación, las hojas de papel se separan de los fieltros, se apilan y se
prensan. El proceso de prensado se repite varias veces, variando el orden y la
posición relativa de las hojas. Este proceso se denomina intercambio, y su
repetición mejora la superficie del papel terminado.
La etapa final de la fabricación del papel es el secado. El papel se cuelga de una
cuerda en grupos de cuatro o cinco hojas en un secadero especial hasta que la
humedad se evapora casi por completo.
La pulpa de celulosa o pasta de celulosa es el material más común utilizado
para la fabricación de papel. Las maderas utilizadas para este fin son conocidas
como maderas pulpables, que generalmente son maderas blandas como la
picea, el pino, el abeto y el alerce, pero también maderas duras como el
eucaliptus y el abedul.
Los efectos ambientales más evidentes de la producción de la pulpa de celulosa
vienen del impacto sobre los bosques y los subproductos generados en el
blanqueo. El número de árboles consumidos depende del tipo del papel a
fabricar y del proceso de producción utilizado. Se estima que se necesita
aproximadamente 24 árboles para producir una tonelada de papel utilizando el
proceso Kraft. No es tan eficiente como otros procesos, pero tiene la gran
ventaja de producir energía eléctrica en excedente, la cual por haber sido
producida a partir de biomasa, no genera un aporte neto de dióxido de
carbono a la atmósfera, una de las fuentes del calentamiento global.
Blanqueo
Cuando la pulpa de celulosa es blanqueada utilizando cloro elemental, se
forman subproductos no deseados como las dioxinas y los furanos. Altas
concentraciones de estas sustancias han sido la causa del cierre de varias
factorías de pescado en la Columbia Británica en 1992.
Sin embargo, las mejoras en el proceso de blanqueo permiten la eliminación
total de la utilización de cloro elemental, al desarrollarse las tecnologías Libre
de Cloro Elemental (Elemental Chlorine Free, ECF) o Totalmente Libre de Cloro
(Totally-Chlorine Free, TCF), combinado con delignificación con oxígeno. Estas
tecnologías reducen significativamente la cantidad de compuestos clorados
librados en el ambiente.
Efluentes
Los efluentes líquidos son en potencia la mayor causa de contaminación, ya
que en estado bruto contienen lignina, alta demanda biológica de oxígeno, así
como alcoholes, cloratos, metales pesados y agentes quelantes. Este impacto
es reducido a su mínima expresión en la medida que en las plantas modernas
se trabaja en ciclo cerrado con los productos químicos, y cualquier agua que
sale de las plantas es tratada biológicamente.
Las fábricas más modernas operan con procesos de pulpeado (o cocción)
prácticamente cerrados y procesos de blanqueo abiertos. En los procesos de
blanqueo se maximiza el aprovechamiento del agua. Sin embargo el blanqueo
significa la mayor parte del consumo de agua de una fábrica de pulpa de
celulosa. El agua es tomada del ambiente natural, procesada para hacerla apta
para el proceso de blanqueo, utilizada en el proceso de blanqueo, y por último
se la acondiciona para poder devolverla al ambiente con un mínimo impacto
ambiental. La razón para la operación del proceso de blanqueo en circuito
abierto de agua es para eliminar del sistema los cloruros (sal de mesa) y los
cromóforos, es decir, las substancias orgánicas que en pequeñas cantidades
dan color a la pulpa de celulosa.
En el proceso Kraft, el efluente que se produce en mayor proporción es el licor
negro, que contiene químicos de pulpeado y la lignina de los árboles. Este es
concentrado para producir el llamado licor negro concentrado, usando
evaporadores multiefecto. Este último es quemado en las calderas de la planta,
recuperándose en el fondo de la misma los productos químicos del pulpeo, que
se reciclan posteriormente para producir el licor blanco (licor usado en la
cocción de la madera).
El papel producido de pasta de celulosa puede ser reciclado de cuatro hasta
siete veces, el límite lo impone el largo de las fibras, que se va haciendo cada
vez menor cada vez que se reprocesa. Para resolver este problema, el papel
reciclado generalmente se mezcla con papel virgen, para asegurar un papel de
calidad adecuada.
Para la obtención del papel, es necesaria la obtención de la suspensión de fibras
celulósicas con unas características determinadas en cuanto a tamaño de fibras,
distribución de tamaños, composición, flexibilidad, resistencia. Para obtener estas
características, se aplicará sobre las materias primas diferentes procedimientos
encaminados a obtener una pulpa de características adecuadas, tratando siempre de
obtener el mayor rendimiento posible, es decir, cantidad de pulpa obtenida por
tonelada de madera empleada y cantidad de reactivos empleados para obtener una
tonelada de pulpa. Existen muchos procedimientos, los cuales se han ido
desarrollando y mejorando a lo largo del tiempo, los cuales presentan ventajas e
inconvenientes que han de ser evaluados conforme al tipo de producto final que se
desea obtener, teniendo en cuenta parámetros tales como resistencia mecánica del
papel a la rotura, al rasgado, al rozamiento, al plegado, rugosidad, blancura,
deteriorabilidad, etc. Además de costo unitario del proceso, impacto medioambiental
de la producción, tipo de materia prima disponible, etc.
Ya que la materia prima más utilizada en la fabricación del papel son las pulpas de
madera virgen, se describirá el proceso de fabricación de pulpa a partir de fibras
vegetales madereras.
- Transporte de madera hasta la fábrica
Los troncos de madera son transportados desde la explotación forestal en la que
han sido talados hasta la fábrica en la que se van a tratar para la obtención del
papel.
- Acondicionamiento de materias primas
Cualquiera que sea el método utilizado en el procesamiento de la madera para
obtener la pulpa, ésta necesita unas operaciones previas que tienen como fin que
en el proceso de deslignificación (separación de la fibras celulósicas) no se
introduzcan impurezas que puedan perjudicar el proceso. Éste es un tratamiento
estándar para todo tipo de maderas, aunque dependiendo del tipo específico
empleado, cada uno de los tratamientos será más o menos crítico.
- Lavado de la madera
Este tratamiento se realiza mediante aspersión de agua a presión para tratar de
retirar cualquier partícula adherida a la madera, de forma natural o durante el
transporte, para evitar impurezas en la línea de proceso.
- Descortezado de madera
Los troncos son llevados a unos grandes cilindros huecos giratorios. El rozamiento
que se produce entre ellos y entre los troncos y la pared interior del cilindro, hace
que la corteza se separe del núcleo del tronco.
La importancia de esta operación radica en que la cantidad de corteza que debe
utilizarse tiene que ser mínima, ya que produce un efecto debilitador indeseable
en la pasta de papel. Durante este proceso se pierde una mínima fracción de
madera, pero esto es admisible en aras de la superior calidad de la pulpa
obtenida.
El objetivo que se busca en esta parte del proceso es la separación de las fibras
(celulosa) que constituyen el núcleo del tronco. Para ello se deben romper las
uniones entre fibras constituidas por ligninas y otros elementos. Se pueden seguir
dos grandes métodos para conseguir este objetivo: Una vez acondicionada la
madera, se introduce en la unidad correspondiente para separar las fibras que
constituyen el esqueleto de la madera.
Existen tres grandes grupos de procesado de la madera para la separación de las
fibras y la lignina, que se clasifican en función de la naturaleza de la separación;
estos son:
Procesos mecánicos:
La única acción separadora es la aplicación de fuerzas mecánicas de compresión y
cizalladura para conseguir la separación de las fibras. Se emplea un procedimiento
similar al empleado en un molino. En una gran cámara se hace girar sobre su eje a
una piedra que es la que se encarga, por fricción, de separar las fibras de las que
está compuesto el tronco del árbol.
Procesos semiquímicos:
Se utiliza una combinación de tratamientos mecánicos con la adición de ciertos
reactivos químicos que aceleran y optimizan la separación.
Procesos químicos:
Están basados en tratamientos puramente químicos, adicionando a la madera
reactivos químicos que producen por sí solos la separación de la lignina de la
celulosa. Normalmente son llevados a cabo a alta temperatura y presión.
La madera reducida a la granulometría adecuada se cuece en un gran recipiente a
presión añadiéndole diversos productos químicos tales como sosa cáustica,
bisulfito sódico etc. (dependiendo del sistema elegido) y vapor de agua.
- Blanqueo de pasta:
Dependiendo de la blancura inicial de las fibras, de la blancura que se quiera
obtener en el papel y del proceso empleado para la obtención de la pasta es
necesario aplicar el sistema de blanqueo adecuado. En general la pasta se trata
con productos químicos tales como: cloro, hipoclorito sódico, dióxido de cloro,
peróxido de hidrógeno, sosa cáustica etc.
- Proceso de laminación de la pasta en máquina:
Consiste en poner las fibras en una suspensión acuosa con consistencias
comprendidas entre 4 y 12 gr/l. para que puedan unirse convenientemente y
posteriormente secarse por sistemas gravimétricos, mecánicos y térmicos para
obtener una lámina de papel con una proporción de humedad comprendida entre
el 7% y 9%.
Ilustración de la secuencia de procesos en las operaciones de fabricación de pasta
y de papel.
El avance en el uso de este método ha sido imparable desde su invención, pues ya
en los años 30, la producción mundial de pulpa Kraft igualaba al método del
sulfito, y a partir de ahí, fue aumentando hasta nuestros días, donde es el proceso
de producción mayoritario.
Las reacciones que tienen lugar durante la digestión Kraft no son totalmente
conocidas, ya que la multiplicidad de compuestos presentes en el medio reactivo,
y la complejidad de la lignina dificultan la determinación de las reacciones
determinantes de la velocidad global; pero se sabe que la presencia de sulfuro
acelera la disolución de la lignina sin que aumente la degradación de la celulosa, y
que el ataque a las moléculas de lignina implica la formación de grupos que hacen
a la lignina más soluble en el álcali.
Durante la digestión es importante obtener una alta densidad de masa de madera
en relación al licor, es decir, es aconsejable que la mezcla de astillas y licor sea
íntimo. Para conseguirlo, se introducen las astillas y el licor simultáneamente, para
así mejorar las propiedades lubricantes del licor y que las astillas resbalen entre sí
y se asienten bien en el recipiente digestor. Además, es importante una perfecta
mezcla en el interior del reactor, ya que de lo contrario la cocción sería desigual en
todo el volumen, y el producto final sería heterogéneo, lo que se traduce en un
elevado rechazo de la fracción de pulpa de tamaño más grueso en la etapa de
cernido, lo que supone un aumento en el coste del proceso. Es por ello que la
convección natural no es suficiente para obtener el grado de mezcla deseado, y se
recurra a la convección forzada, inducida por la reducción súbita de presión en la
parte alta del digestor, produciéndose entonces la ebullición generalizada de la
masa reaccionante, con lo que la mezcla está asegurada.
En cuanto a los requerimientos tecnológicos, el proceso al sulfato presenta la gran
ventaja de ser mucho menos corrosivo que el empleado en el proceso al sulfito,
por lo que los materiales empleados en la construcción de los equipos pueden ser
más económicos y duran más tiempo en activo (un tiempo típico para un digestor
es de 20 años).
El procedimiento de operación en una fábrica de pulpa de tipo Kraft es similar al
proceso del sulfito. Primero se cargan en el digestor las astillas y el licor blanco4,
simultáneamente para obtener una buena mezcla de ambos, y en proporción
adecuada para la obtención del ratio licor/madera elegido. A continuación se
calienta el digestor por vaporización directa hasta llegar a temperaturas de entre
160 y 180ºC, manteniéndose estas condiciones hasta alcanzar el grado deseado de
cocción. Una vez terminada la cocción la mezcla de pulpa y astillas no digeridas
salen del digestor y se separan por cernido, siendo devueltas al digestor las
partículas de mayor tamaño, y se separa la pulpa, que a continuación pasa a una
etapa de lavado.
El licor gastado, denominado licor negro, se pasa al ciclo de regeneración; allí, se
mezcla con sulfato sódico y se oxida, para evitar olores indeseables (provenientes
de compuestos sulfurosos). Una vez oxidado se incinera en un horno de
recuperación, produciéndose una ceniza que contiene carbonato sódico y sulfuro
sódico, los cuales se caustifican por agregado de cal apagada; de aquí se obtiene
carbonato cálcico, que se regenera a cal viva por combustión. Además, el calor
generado en los hornos se aprovecha para calentar la caldera, precalentar el vapor
y para evaporar disolvente en la etapa de concentración del licor negro.
Para el proceso Kraft se pueden utilizar todo tipo de maderas, pero las que mejor
resultado dan son las maderas duras. El rendimiento obtenido es bajo para la
pulpa no blanqueable (sobre 52%), ya que se separa mucha cantidad de lignina
(hasta el 90%), pero la resistencia de la pulpa es muy alta. El color de las pulpas
obtenidas en el proceso normal es más oscura que las obtenidas por el
procedimiento del sulfito, con lo que no pueden ser empleadas para fabricar papel
de impresión, por lo que las pulpas sin blanquear se utilizan para la fabricación de
papel de envolver y cartón, debido a su gran resistencia. Aún así, el proceso de
blanqueo es fácil y eficiente para las pulpas Kraft, y su mayor aplicación es la
fabricación de papel de imprimir.
III. MATERIALES Y EQUIPOS
- Trozo de madera de eucalipto joven
- Tela para filtrar
- Esmerilador
- Balanza analítica
- Becker
- Hidróxido de sodio
- Cocina eléctrica
IV. PROCEDIMIENTO
- Primero pelamos el trozo de madera de eucalipto joven que se va a utilizar.
- Luego la colocamos en contacto con el esmerilador para obtener la mayor
cantidad de fibra posible.
- seguidamente pesamos la cantidad de fibra que se obtuvo y la dividimos en 2
partes iguales, las cuales serán colocadas en dos Beckers diferentes.
- En el primer Becker agregamos a esta fibra una solución de NaOH al 10%
- En el segundo Becker colocamos la fibra de madera a calentarse durante 5
minutos, seguidamente la dejamos enfriar y agregamos el NaOH al 10%
- Lo dejamos reposar durante 24 horas y lo filtramos colocándole en una tela hasta
obtener una pulpa de papel bien seca.
V. RESULTADOS
Trozo de madera en contacto con el esmerilador:
Fibra de madera obtenida:
Pesado y separación de la fibra de madera en dos partes:
Preparación del hidróxido de sodio al 10 %
Añadiendo NaOH al 10% a la fibra de madera extraída:
Calentando la fibra de madera del segundo Becker
Añadiendo NaOH al 10% a la fibra de madera extraída y calentada:
Fibra de madera con NaOH al 10% reposando por 24 horas:
Obtención de papel:
VI. CONCLUSIONES
- Se logro obtener una pulpa de papel suave y de un color agradable mediante la
extracción de fibra de la madera del eucalipto joven.
VII. BIBLIOGRAFÍA
- GARCÍA HORTAL, José Antonio.Fibras papereras (2007). Barcelona. Edicions UPC
- Burns, Robert I. (1996), «El papel sale hacia el Oeste, 800-1400", en Lindgren, Uta,
Europäische Technik im Mittelalter. 800 bis 1400. Tradición und Innovación
(cuarta edición), de Berlín: Gebr. Mann Verlag, pp 413-422, ISBN 3-7861-1748-9
- Hunter (1930), fabricación de papel a través de dieciocho siglos, de Nueva York
- Thompson, Susan (1978), «Fabricación de papel y los primeros libros», Anales de
la Academia de Ciencias de Nueva York, 314: 167-176, doi: 10.1111/j.1749-
6632.1978.tb47791.
- Tsien, Tsuen-Hsuin: "Ciencia y Civilización en China", Química y Tecnología
Química (Vol. 5), papel y gráfica (Parte 1), Cambridge University Press, 1985