Implementación de un sistema de reutilización de agua de proceso en una planta papelera.

Autor: Chuica Vega Yang Pool Alexander

Resumen El estudio llevado a cabo; se debió a causa de la problemática, del consumo de agua

fresca dentro de una planta papelera y la posibilidad de la implementación de un sistema de reutilización de agua de proceso en una fábrica papelera; la importancia del trabajo es reducir el consumo de agua fresca dentro de la fabricación del papel de impresión y escritura.

El objetivo principal es implementar un sistema de reutilización de agua residual de proceso, a través del método de osmosis inversa, primero realizando un análisis químico del agua obtenida al final del proceso de producción y comparando los resultados obtenidos con el análisis de agua purificada después del método aplicado. Los materiales necesarios son el objeto de estudio que es el agua final de proceso y materiales de laboratorio para análisis de DBO, pH, turbidez. La hipótesis que engloba todo el proyecto, es que será posible implementar un sistema de reutilización de agua de proceso para evitar el consumo excesivo de agua fresca en una planta papelera.

Los resultados obtenidos, proporcionaron unos buenos índices de extracción de contaminantes tóxicos que podrían perjudicar la fabricación de un buen papel y dando la posibilidad a empresas productoras de papel, de instalar el sistema de purificación de aguas de proceso para su reutilización y posible dirección del flujo de agua al inicio del proceso, reduciendo considerablemente el uso de aguas frescas.

Palabras claves: Agua de proceso, osmosis inversa, planta papelera

Planteamiento del problema

Las actuales limitaciones medioambientales han provocado la disminución del consumo de los recursos naturales para su utilización industrial. La industria de la fabricación de papel, constituye un claro ejemplo de esta tendencia, como muestra su evolución hacia el uso de materias primas fibrosas recicladas y/o alternativas, hacia un menor consumo de agua y hacia la disminución de la calidad del agua de alimentación a la planta. Las acciones dirigidas hacia la consecución de estos objetivos no son más que distintas etapas para mejorar la gestión del agua hasta llegar al equilibrio entre las necesidades de producción en fábrica y los requisitos medioambientales.

Formulación del problema

¿Es posible la implementación de un sistema de reutilización de agua de proceso en una planta papelera?

Objetivo

OBJETIVO GENERAL:Implementar un sistema de reutilización de agua de proceso.

Obtención experimental del proceso del sistema de reutilización en la fabricación de papel.

Proponer la implantación del sistema de reutilización en plantas papeleras.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Liberar el máximo porcentaje de contaminantes del agua de proceso para su reutilización.

Justificación, importancia del estudio

En la fabricación de papel, el principal empleo del agua lo constituye su uso como medio de dispersión y transporte de las materias primas fibrosas y de los aditivos, a través de las etapas del proceso de producción, que van desde el pulpeo hasta la formación. El agua se utiliza también como fluido de intercambio de calor, para el sellado de los sistemas a vacío, para la producción de vapor, como agente lubricante, etc.

Por ello; las aguas que salen de los procesos, deberían ser aprovechadas y purificadas para su ingreso a la primera parte del proceso, por ellos se realiza un sistema de reutilización para el consumo de agua procesada.

El presente estudio pretende evaluar la factibilidad técnica y económica para la implementación de un sistema de reutilización de agua de proceso en una planta papelera; la finalidad es ofrecer en el mercado una solución, al consumo excesivo de agua fresca y al mismo tiempo ir consolidando la buena imagen del Perú, como país innovador.

Variables

VariablesIndependiente Agua de proceso

Dependientes Fabricación de papel

Hipótesis

Será posible implementar un sistema de reutilización de agua de proceso para evitar el consumo excesivo de agua fresca en una planta papelera.

El papel El papel es un material constituido por una delgada lámina elaborada a

partir de pulpa de celulosa, una pasta de fibras vegetales molidas suspendidas en agua, generalmente blanqueada, y posteriormente secada y endurecida, a la que normalmente se le añaden sustancias como polipropileno o polietileno con el fin de proporcionarle características especiales. Las fibras que lo componen están aglutinadas mediante enlaces por puente de hidrógeno.

Fabricación de papel El papel se fabrica con las fibras de celulosa que hay en la madera.

Cuando esa fibra se utiliza por primera vez se llama fibra virgen y cuando a través del reciclaje la recuperamos y la volvemos a utilizar como materia prima para fabricación de papel la llamamos fibra recuperada o reciclada.

Producción de la pasta:

Para fabricar papel es necesario separar las fibras de celulosa, fuertemente unidas por lignina (adhesivo resinoso que provee el apoyo estructural al árbol), para luego poder producir la pasta o pulpa. Esta puede producirse básicamente a través de métodos químicos o métodos mecánicos. Una vez eliminada el agua, el tronco de un árbol está compuesto por alrededor de sólo un 50% de celulosa. El resto consiste en un 30% de lignina y un 20% de aceites y otras sustancias. Para que la celulosa contenida en el árbol pueda ser transformada para la fabricación de papel, se requiere que la madera sea molida (para hacer pulpa mecánica) o que sea transformada primero en astillas ("chips") y luego sometida a un cocimiento con productos químicos, seguido de un refinado (para hacer pulpa química).

Blanqueo de la pasta Con el objetivo de producir celulosa blanca pura, la pasta química es blanqueada con

removedores de lignina. La pasta mecánica -que por definición contiene grandes cantidades de lignina- se aclara usualmente con peróxido de hidrógeno que cambia la estructura de la lignina y altera el color, pero no la elimina. En las tecnologías convencionales de blanqueo de la pasta química, la lignina se degrada y remueve con la ayuda de gas cloro (Cl2) o de dióxido de cloro (ClO2). El cloro y el dióxido de cloro, si bien son efectivos para remover la lignina y fortalecer la pulpa, reaccionan con compuestos orgánicos presentes en la pulpa, dando lugar a cientos de contaminantes organoclorados, incluyendo las dioxinas, que son uno de los más potentes venenos conocidos.

Estos compuestos afectan la vida acuática y se almacenan en los tejidos grasos de los organismos, acumulándose a lo largo de la cadena alimentaria. En los seres humanos provocan trastornos de los sistemas inmunológico, nervioso y reproductor. Entre los organoclorados identificados hasta ahora en los efluentes existen también numerosos compuestos cancerígenos y mutagénicos. Esto ha producido durante la década de los 90’ el abandono del uso del cloro elemental o gas cloro por el blanqueo con dióxido de cloro (ECF). También durante esos años hicieron su aparición las tecnologías de blanqueo en base a oxígeno, ozono o peróxido de hidrógeno (TCF). Eliminando de este modo los compuestos clorados.

De pulpa a papel

Para fabricar el papel se combinan distintos tipos de pulpas húmedas mezcladas con sustancias de relleno (carbonato de calcio, caolín, dióxido de titanio, etc.) y con otros aditivos (colofonia, sulfato de aluminio, tinturas), todo lo cual se extiende uniformemente sobre una malla metálica, se somete a un secado y luego se lo remueve con un filtro absorbente. La superficie de los papeles de impresión y escritura es luego alisada mecánicamente o revestido con una capa de arcilla o tiza (coteado). A partir de las diferentes categorías de pulpas se pueden obtener cientos de diferentes tipos de papeles.

Tratamiento de agua de proceso

La fabricación de papel consume una gran cantidad de recursos, especialmente agua y energía, aunque también precisa en gran cantidad de materia prima y de productos químicos. Aproximadamente se necesitan entre 2 y 18 m3 de agua (depende del sistema de gestión de los efluentes y de si se recupera el agua) y entre 2 y 2,5 toneladas de madera para producir una tonelada de papel.

En el proceso de fabricación de papel el agua sirve de medio de desintegración de la materia prima, transporte de las fibras y formación del papel

Tratamiento de agua de proceso

En el proceso se consume un elevado volumen de agua, la cual debe de ser además de gran calidad. Estas características singularizan a la industria papelera. Como resultado de la producción de papel y de pasta, los efluentes generados contienen una elevada contaminación debida a más de 250 compuestos diferentes. Algunos son de origen natural, proceden de la madera (lignina, taninos, etc.), otros son sintéticos, incorporados al efluente en los procesos de fabricación y blanqueo de las pastas de celulosa, como es el caso de fenoles, dioxinas y furanos.

Para evitar el impacto ambiental que supondría el vertido directo de estos efluentes al medio ambiente, existen dos estrategias diametralmente opuestas. La opción más sencilla consiste en tratar adecuadamente los efluentes y descargar el caudal tratado al medio ambiente. No obstante, existe una alternativa más sostenible y en la mayoría de los casos también más económica, que se basa en tratar los efluentes con la finalidad de recuperar el agua para su reutilización.

A. Tratamiento de las aguas sin reutilización (ciclo abierto)

En este caso, el objetivo del tratamiento es la reducción de la contaminación de los efluentes en grado suficiente para que puedan ser vertidos cumpliendo la normativa y así evitar cualquier impacto ambiental.

Los efluentes a tratar incorporan valores extremos de pH, elevado contenido de materia orgánica, sólidos en suspensión, compuestos organohalogenados (AOX), nitrógeno y fósforo entre otros contaminantes.

Un tratamiento satisfactorio de los efluentes comprendería etapas como una homogeneización y neutralización de pH, una coagulación-floculación previa a una decantación y finalmente la eliminación de la materia orgánica mediante un proceso biológico (anaerobio o aerobio) o mediante una oxidación avanzada (con ozono, Fenton o foto-Fenton). Posteriormente a todas estas etapas el efluente podría ser vertido al medio ambiente.

B. Tratamiento mediante un sistema de vertido cero (ciclo cerrado)

Se trata de un sistema de gestión ambiental que persigue el menor impacto ambiental del proceso en su conjunto. Así, se minimiza tanto la generación de vertidos líquidos como el consumo de agua potable mediante la reutilización del agua recuperada de los efluentes.

Para conseguir tratar los efluentes hasta conseguir una calidad suficiente que permita la reutilización del agua recuperada. El permeado de la ósmosis inversa tiene la calidad necesaria para poder ser reutilizado dentro del proceso de fabricación de papel, mientras que los rechazos se tratan mediante un proceso de evaporación al vacío para reducir todo lo posible su volumen.

Osmosis inversa

Proceso en el cual se fuerza al agua a pasar a través de una membrana semi-permeable, desde una solución más concentrada en sales disueltas u otros contaminantes a una solución menos concentrada, mediante la aplicación de presión. El Objetivo de la Osmosis Inversa es obtener agua purificada partiendo de un caudal de agua con gran cantidad de sales como puede ser el agua de Mar. De hecho una de las grandes aplicaciones de la Osmosis Inversa es obtener agua potable partiendo del agua de Mar con la escasez de agua originada por el desarrollo humano esté proceso se ha vuelto más rentable.

Osmosis inversa

La ósmosis inversa es una tecnología de purificación de agua mediante la cual se logra un elevado porcentaje de retención de contaminantes, disueltos y no disueltos (hasta un 99% de retención de sales disueltas).

Fuente: www.deltech.com.mx

Osmosis inversa

Constituidos por: Fuente de presión Pre tratamiento acondicionador Contenedores y membranas de

ósmosis inversa Sistema de regeneración Instrumentación Cuadro de protección, mando y

control

Componentes principales: Bombas dosificadoras para adición de

productos químicos con sensor de bajo nivel. Prefiltración a 5 micras. Membranas de ósmosis tipo TFC arrollada en

espiral. Bombas de alta presión de tipo multi-etapa. Válvulas reguladoras de flujo en inox. Medidores de flujo y conductividad. Control de presión en membrana y en agua

tratada. Sistema de limpieza automático y flushing con

tanque de almacenamiento. Cuadro de mando con sinóptico, comandado

por autómata programable.

Fuente:

MATERIAL Y MÉTODOS

MaterialesAgua de proceso de papelerapH-metroEquipo de osmosis inversaSistema de análisis de SSTSistema de análisis de DBO

Análisis de solidos suspendidos totales(SST) Equipo de filtración Filtros para análisis gravimétrico Estufa Secador Balanza analítica Agitador magnético Probetas de diferentes volúmenes

Análisis de DBO

Agua destilada Solución fosfatos: Monohidrógenofosfato de sodio: 8,493

g Dihidrogenofosfato de potasio: 2,785

g

Solución de sulfato de magnesio de 20 g/l

Solución de cloruro de calcio de 25 g/l Solución de cloruro de hierro de 1,5

g/l Solución de cloruro de amonio de 2 g/l

Preparación del agua de dilución. Se prepara a partir de agua destilada introduciendo en un recipiente:

Solución de fosfato…………………………5 ml

Solución de sulfato magnésico…………1 ml Solución de cloruro cálcico………………1 ml Solución de cloruro de hierro…………1 ml Solución de cloruro amónico……………1 ml Agua destilada hasta enrase a 1000 ml

Proceso: primera parte

Las muestras de los efluentes globales fueron 3 muestras de cantidades de 500ml. Las muestras se trasladaron al laboratorio donde fueron analizadas. Una fracción de la muestra fue filtrada para determinar los parámetros solubles, mientras que otra parte de la muestra fue considerada para evaluar los parámetros totales (sin filtrar).

Obtener 3 alícuotas por cada muestra de 500 ml. Llevarlas a análisis. Análisis de pH Análisis de DBO (demanda biológica de oxigeno) Análisis de SST (solidos suspendidos totales)

Proceso: segunda parte

Después de la determinación de las muestras de agua de proceso se llevó a purificar a través de un purificador de osmosis inversa, obteniendo el agua tratada.

Llevar a proceso de análisis. Análisis de pH Análisis de sólidos en suspensión totales (SST) Análisis de DBO

RESULTADOS

Los datos obtenidos a través del análisis TABLA 1. DE RESULTADOS OBTENIDOS - AGUA DE PROCESO

  alícuota pH 1°DBO (mgO2/l) SST (mg/l)

muestra 1 1 6.53 52 800  2 6.5 31.2 801  3 6 45 805

muestra 2 4 5.86 34.6 798

  5 5.95 34.3 802  6 6.3 32.5 801

muestra 3 7 6.52 32.3 804

  8 6.54 36.2 803  9 6.5 40.5 800

promedio   6.3 37.6 801.6

1 2 3 4 5 6 7 8 95.4

5.6

5.8

6

6.2

6.4

6.6

pH

1 2 3 4 5 6 7 8 90

10

20

30

40

50

60

1DBO (mgO2/l)

1DBO (mgO2/l) Linear (1DBO (mgO2/l))

1 2 3 4 5 6 7 8 9794

796

798

800

802

804

806

SST (mg/l)

SST (mg/l) Linear (SST (mg/l))

RESULTADOS

Los datos obtenidos a través del análisis

TABLA2. DE RESULTADOS OBTENIDOS - AGUA TRATADA POR OSMOSIS INVERSA

  alícuota pH 2° DBO mgO2/l) SST (mg/l)muestra 1 1 6.9 3.65 400  2 7.2 3.45 405  3 7.5 3.64 401muestra 2 4 7.3 3.33 410  5 7.45 3.47 420  6 7.36 3.42 422muestra 3 7 7.35 3.4 424  8 7.22 3.61 418  9 7.24 3.64 420promedio   7.28 3.51 413.33

1 2 3 4 5 6 7 8 96.66.76.86.9

77.17.27.37.47.57.6

pH

pH Linear (pH)

1 2 3 4 5 6 7 8 93.1

3.2

3.3

3.4

3.5

3.6

3.7

2DBO mgO2/l)

2DBO mgO2/l) Linear (2DBO mgO2/l))

1 2 3 4 5 6 7 8 9385390395400405410415420425430

SST (mg/l)

SST (mg/l) Linear (SST (mg/l))

Tabla de comparación

Tabla de comparación

  pH DBO(mgO2/l) SST(mg/l)

muestras A 6.3 37.6 801.6

muestra B 7.28 3.512 413.33

AGUA POTABLE 7.5 1 300

CONCLUSION

Se concluye que el procedimiento de tratamiento de aguas de proceso por el método de osmosis inversa, si es posible emplear; para la reutilización del agua de proceso para darle ingreso en el flujo de entrada de agua fresca, en la industria papelera.