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DESTINTADO DE PAPEL DE IMPRESIÓN LÁSER APLICANDO SECUENCIAS CON ULTRASONIDO DE ACCIÓN INTENSIVA Y PROCESAMIENTO MAGNÉTICO MECÁNICO, ORIENTADO HACIA LA OBTENCIÓN DE CELULOSA DE ALTA PUREZA M.C. Enrique Ramírez Valdovinos Director: Dr. Artemio Carrillo Parra Asesor: Dr. Humberto González Rodríguez Asesor: Dr. Enrique Jurado Ybarra Asesor: Dr. Fortunato Garza Ocañas Asesor Externo: Dr. Fernando Navarro Arzate RESUMEN El papel desperdicio de oficina impreso con laser, puede ser una materia prima que sirva de base en la producción de un producto de mayor pureza, como pudiera ser la celulosa grado soluble. Para lograr lo anterior es necesario que el papel desperdicio sea sometido a un tratamiento especial de eliminación de tintas, para que pueda competir con productos de cierta calidad exigida por el mercado de la celulosa para derivados. En la presente propuesta de investigación se pretende estudiar el destintado de papel desperdicio de oficina impreso con laser, a través de un proceso de destintado modificado con secuencias de ultrasonido de acción intensiva, medios magnético-mecánicos y blanqueo libre de cloro elemental (ECF). El papel desperdicio de oficina impreso con laser será desintegrado a 1.5% de consistencia durante 5 minutos. Después la pulpa será tratada con ultrasonido de alta ganancia a 20 kHz, a consistencias de 0.5 a 2%, tiempos de tratamiento de 1 a 20 minutos. También se llevará a cabo la aplicación de fuerzas magnético-mecánicas a consistencias de 0.5 a 2%, tiempos de tratamiento de 1 a 20 minutos. Después de los tratamientos anteriores, a las pulpas se les aplicará procesos de flotación y lavado.

Una vez separada la tinta de la fibra, se la aplicará una etapa de blanqueo libre de cloro elemental para lograr la obtención de celulosa de alta pureza. El material obtenido será evaluado para determinar si cumple con las características para ser utilizado en la producción de bioproductos de mayor valor agregado como son los nanocristales de celulosa. Palabras claves: Destintado, papel, impresión, laser, reciclado, magnéticomecánico, ultrasonido. Summary Office waste paper printed with a laser, can be used as raw material for production of material of higher purity, such as degree soluble cellulose. To achieve this, it is necessary that waste paper be subjected to special treatment for removing inks in order to satisfice with the quality of some products demanded by cellulose derivatives market. The aims of this research proposal is to study the deinking of waste of office paper printed by laser , through a modified deinking process such as intensive ultrasound, magnetic-mechanical means and elemental chlorine free bleaching

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(ECF). Office waste paper printed with laser will be disintegrated to 1.5% of its consistency for 5 minutes. The pulp will be treated with ultrasound at 20 kHz high gain, consistencies from 0.5 to 2%, duration time from 1 to 20 minutes. Also be carried the treatment of magnetic force and mechanical consistency from 0.5 to 2%, duration time from 1 to 20 minutes. After treatments, pulps will be floated and washed. Once separated ink from fiber, the elemental chlorine-free bleaching phase start, to achieve obtaining high purity cellulose. The material obtained will be tested to determine if satisfy the requirements to be used in the production of higher value-added bioproducts such as cellulose nanocrystals. Keywords: Inking, paper, printing, laser, recycling, magneto-mechanical ultrasound. INTRODUCCIÓN Durante la década de 1990, la preocupación por el medio ambiente impulsó cambios importantes en la cadena productiva de la industria del papel. El resultado posibilitó un mayor enfoque hacia el proceso de reciclado. Sin embargo, el reciclado en la industria del papel este no es nuevo. Los fabricantes siempre han reciclado los residuos, tales como bordes de recorte, mermas, etcétera. El papel desperdicio constituyé una importante materia prima fibrosa para la industria productora de celulosa y papel, situación derivada de factores financieros, de mercado, competitivos, de disposición de materias primas fibrosas nacionales, en especial las presiones sociales y políticas

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gubernamentales pugnaban para que se incremtara el reciclado de fibra secundaria, el agua de las ciudades y de las empresas (Aguilar 2004). Hoy día, la fibra secundaria representa una fuente importante de material lignocelulósico en el proceso de elaboración de papel y cartón en los países desarrollados. El uso de papel desperdicio en la producción de papel genera un alto grado de contaminantes al producto, tales como partículas metálicas, piedras, resinas, tintas, látex, cintas, trapos, cuerdas y materiales plásticos (Aguilar 2004). La industria de la pulpa virgen y el papel tienen el enorme reto de contribuir al buen manejo de los recursos forestales, al procurar que la producción sea sostenible para asegurar la continuación a largo plazo. Lo anterior, sin descuidar la recuperación de papel desperdicio, como fuente de materia fibrosa (Ramírez 2004). Los procesos comerciales de destintado, se basan en mecanismos químicos y mecánicos como las secuencias de flotación y lavado. El destintado consiste básicamente en la separación en medio acuoso del pigmento de la tinta de las fibras mediante la acción de reactivos químicos, como los surfactantes. La aplicación depende de las características que demanda el nuevo papel a producir y del proceso de impresión a que será sometido la materia prima (Ramírez 2004). El proceso tradicional de destintado en el papel de desperdicio de oficina impreso con laser, presenta una baja eficiencia, resultado de la composición química y

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tamaño de las partículas de tinta. El uso de ondas de ultrasonido (mayores a 20 kHz) podría ser una alternativa eficaz para disminuir o eliminar completamente las partículas de tinta. La pulpa generada con este proceso podría ser utilizada aplicando un tratamiento magnético-mecánico. Por lo anterior en el presente trabajo de investigación se buscará determinar la eficiencia en el destintado de papel por medio del ultrasonido y un tratamiento magnético-mecánico. ANTECEDENTES Destintado de papel por medio magnéticomecánico y ultrasonido. Ramírez (2004) realizó un tratamiento a una suspensión fibrosa de papel con impresión laser a consistencia de 0.5%, modulación alta (Ancho y frecuencia de pulso alto), temperatura 55ºC, tiempo de 20 min y pH de 5, lo cual generó un incremento del 91% de partículas de tinta/m² en el rango de 1-50µm y un 27% en el rango de 50-100µm, lo cual permite la eliminación fácil de estas partículas por lavado y/o flotación, confirmando la división de partículas de tinta con el tratamiento de ultrasonido. Reportó también que la mayor proporción de partículas de tinta eliminada de la suspensión fibrosa, se logra en la primera etapa de flotación con un 81.70% en el rango de 1-50 µm, un 83.49% de eliminación de tinta en el rango de 50-100 µm y 89 % para partículas de tinta > de 100 µm. Turrado et al. (2005) realizaron destintado de impresión offset digital, en función de la temperatura y el surfactante sofisticado. Ellos reportaron que con temperaturas de pulpeo desde 45 ºC a 60 ºC se reducen las

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manchas contaminantes de 650 y 592 µm, y consecuentemente la eliminación de las manchas por medio del proceso de flotación usando una temperatura de 40 ºC. Gabriel (2010) realizó destintado de papel de impresión laser mediante ultrasonido a 25 y 45 khz. Usando una frecuencia de 25 y 45 khz, tiempo de 1-20 min, una consistencia de 0.5 a 2.0%, temperatura de 25 y 55 ºC y una modulación de -1, 0 y 1. Reportó una blancura del 98% para el rango de partículas de 50 a 100µm, para este mismo rango reportó una respuesta óptica del 108 %, para la blancura a partir del proceso de flotación reportó 102 % y para la blancura del lavado reportó 107 % usando las variables antes mencionadas. Ramírez. (2010) realizó destintado de papel de impresión laser, utilizando un equipo que genera fuerzas magnético-mecánicas. Reportó una blancura óptima del 82 % manejando tiempos de 5.0 min, velocidades de 2.5 rpm y una consistencia del 2.0%, sin tratamiento magnético-mecánico, reportó una blancura óptima del 86 % para la etapa de lavado. Otros tratamientos reciclado de papel

de

destintado

y

Alliot et al. (2001) aplicarón un proceso de destintado de papel (papel periódico) por flotación: influencia de los factores de forma, realizando una comparación entre celdas, llamadas A y B del tipo Denver, de escala tipo piloto, reportando los siguientes resultados para cada una de las celdas a y b, realizando 4 experimentos en total. Para la celda A reportó una reflectancia del 46.73 % y una concentración de tinta del 16 %, aplicando una cantidad de 60 ml de Estearato de sodio, correspondientes al primer experimento. Para la celda B, reportó una reflectancia del 54.05 %, con una concentración de tinta del 3 %, usando

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Estearato de sodio durante la flotación. Mientras que para los experimentos 3 y 4, ambas celdas adicionadas de Oleína saponificada, reportó los siguientes resultados, celda A: reflectancia del 47.53% y una concentración de tinta del 14%; celda B: reflectancia del 53.50%, con una concentración de tinta del 4%. Ekvall (1999) Realizó evaluaciones del reciclado de papel, partiendo de las diferencias metodológicas en el análisis de inventario, incluyendo cuestiones metodológicas importantes, por ejemplo: la definición de los límites del sistema, la asignación y la elección de datos forestales, reciclado, producción, electricos y finalmente el manejo de desechos los cuales son partes importantes en el ciclo de vida de la madera-fibra. El significado de los diferentes problemas metodológicos, presentó varias soluciones y recomendaciones, para obtener del medio ambiente el sistema de madera-fibra óptima, idealmente el reciclado debería ser evaluado en relación con otros manejos de desechos, forestales y políticas energéticas. Pavlik et al. (2010) Investigaron la consistencia medias de tres tipos de fibras secundarias: papeles periódicos, cartones corrugados y papeles de oficina con un diseño experimental al azar. Los resultados presentaron los valores máximos y mínimos en las pulpas puras, revelando que no existe efecto de las mezclas que potencien o degraden las variables ensayadas. Reportaron una opacidad del 92.8% para los papeles de oficina, mientras que los papeles de cartón corrugado y los papeles de papel periódico presentaron una opacidad media del 99.4%. La blancura de menor calidad se presentó en las hojas recicladas de cartón corrugado, con un valor medio de 17.42%, las hojas producidas a partir de papel periódico presentaron una blancura de 42.57%,

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mientras que la blancura de mayor calidad se obtuvo con las hojas de oficina con valor medio de 62.76%. Turrado et al. (2011) propuso el método de hidratación utilizando NaOH para separar la fibra de los componentes principales del envase de cartón para líquidos con la finalidad de evaluar las ventajas y desventajas del empleo de esta materia prima como fuente de fibras secundarias en la fabricación de papel. El método destruyó los puentes de hidrógeno que unen a las fibras lo que permitió rescatar 92% de fibra existente en el envase, por lo que ahora este material se considera como una alternativa potencial de fuente de fibra secundaria para la fabricación de papel. Villanueva y Wenzel (2007) realizaron una investigación sobre el ciclo de vida de los desechos de papel y cartón (Life cycle assessments LCAS). Los objetivos de la investigación mostraron las soluciones óptimas de reciclado para este tipo de desechos; la identificación de procesos metodológicas para el manejo de los desechos de papel LCAS y mostrar la influencia de tales análisis en las conclusiones de los estudios; y hacer un análisis de la discusión del uso del método LCAS para los desechos de papel. Las evaluaciones LCAS muestran los beneficios para el medio ambiente en el reciclado, para los desechos de papel y cartón. Fueron identificadas las 3 áreas que cubrén el sistema del ciclo del papel, los materiales vírgenes forestales, la producción de papel y el rescate de los desechos. Estos fueron los resultados encontrados de los estudios LCA particulares, más específicamente a cerca del uso de la generación de la energía forestal.

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OBJETIVO GENERAL Evaluar el efecto del destintado de papel desperdicio de impresión láser por medio de destintado con secuencias de ultrasonido de acción intensiva y aplicación de fuerzas magnético-mecánicas. Objetivos Específicos Estudiar el comportamiento del papel de impresión láser en un proceso de destintado modificado con tratamientos de fuerzas magnético-mecánicas y secuencias de blanqueo libres de cloro elemental. Analizar la respuesta del papel desperdicio de oficina a la remoción de materiales no lignocelulósicos a través de un proceso de destintado incorporando blanqueo ECF y tratamientos secuenciales con ultrasonido de acción intensiva. Evaluar la eficiencia del destintado de papel desperdicio de impresión láser incorporando blanqueo ECF y secuencias de tratamiento por medio magnéticomecánico, para la obtención de celulosa grado soluble. Determinar los valores óptimos de los parámetros involucrados en cada uno de los procesos de destintado propuestos. Analizar las características de la fibra celulósica purificada y del material removido. HIPÓTESIS

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desintegración, tradicional.

lavado

y la

flotación

H1= El papel de impresión laser elaborado por separación de la unión tinta-fibra por medio de secuencias de ultrasonido y proceso magnético-mecánico es de diferente calidad que el elaborado por el proceso de desintegración, lavado y la flotación tradicional.. JUSTIFICACIÓN Actualmente el destintado de papel desperdicio de oficina, se lleva a través de una combinación de procesos físicos y químicos que involucran etapas de desintegración, flotación y lavado. Este proceso está orientado a la recuperación de fibra celulósica principalmente para grado papelero, por lo que no se busca una alta eficiencia en la remoción de material no lignocelulósico. Además durante el proceso de destintado se utilizan agentes químicos tales como dispersantes y coagulantes, y en menor grado acción física, lo cual contribuye a mayor contaminación del medio ambiente y en cierta medida una menor eficiencia del proceso, así como las ventajas económicas que representaría el uso del papel secundario. Sin embargo, es posible que mediante la utilización de medios mecánicos más intensivos, con una orientación más específica hacia la separación y fragmentación de las partículas de tinta, se pueda generar una materia prima con un mayor grado de pureza. La aplicación de estos medios permitiría reducir el consumo de químicos para el destintado y contribuir al desarrollo de una tecnología más amigable con el ambiente.

H0= El papel de impresión laser elaborado por separación de la unión tinta-fibra por medio de secuencias de ultrasonido y proceso magnético-mecánico es de igual calidad que el eleborado por el proceso de Facultad de Ciencias Forestales, Universidad Autónoma de Nuevo León 267

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MATERIALES Y MÉTODOS Orígen del papel En esta investigación con el propósito de tener un control más adecuado en cuanto al contenido de aditivos del papel tales como blanqueadores ópticos, resinas, almidón, cargas minerales, se utilizará en todos los tratamientos hojas tamaño carta de 28 x 21.5 cm de papel bond de 75 g/m² de la marca scribe. Proceso de impresión Las hojas de papel bond serán impresas utilizando tecnología de impresión laser, la cantidad de tóner depositada en cada hoja será lo más homogénea posible con la finalidad de evitar errores en la obtención e interpretación de resultados. A este papel se le determinarán las propiedades de interés como la determinación del tipo y concentración de los materiales antes mencionados. De manera adicional se realizarán determinaciones de tamaño de fibra, como Bauer-Mcnett bajo la norma T- 233 om-95 (TAPPI 2000) y morfología de la fibra en laboratorio. Al papel bond se le realizarán pruebas de blancura (Elrepho, espectrofotómetro data color internacional), contenido de α, β, y γcelulosa, y contenido de lignina mediante la técnica del número de Kappa (aplicando métodos standard TAPPI). Destintado El destintado tratamientos:

se

realizará

con

dos

1. Destintado a base de ultrasonido con acción intensiva. Este método se realiza mediante el uso de un procesador de ultrasonido tipo barra intercambiable con frecuencia de 20 kHz, y una potencia de 500 Watts. El equipo que se usará es un procesador de ultrasonido

marca Sonics disponible en el Departamento de Madera, Celulosa y Papel de la Universidad de Guadalajara. Se utilizarán 2 diferentes puntas en el equipo capaces de transmitir las ondas de ultrasonido con amplitud y ganancias variables; además se consideraran la aplicación del ultrasonido de forma continua o pulsada. 2. Destintado por medio de fuerzas magnético-mecánicas. En este método, la pulpa será sometida a la acción de fuerzas magnético-mecánicas utilizando un equipo denominado magnetic finisher (marca Romanoff, serie R) el cual cuando produce la suspensión de pulpa, provoca la separación y fragmentación de la tinta impresa en el papel bond. En este tratamiento se considerarán como variables de interés: consistencia, velocidad de agitación, tiempo de tratamiento, morfología de los pines magnéticos. Las variables empleadas en ambos procesos de destintado serán: consistencia, temperatura 70 ºC, tiempo de tratamiento (5 -20 min), pre-tratamiento de blanqueo con peróxido de hidrógeno ajustando las concentraciones de 0.5 a 2%. Calidad del papel (o celulosa) La pureza de la pulpa obtenida después del proceso del destintado por ambos métodos será evaluada con: Características físico químicas como el grado de blancura, la cual será analizada en el equipo elrepho, las pruebas de medición de este equipo están basadas por las normas ISO, DIN, SCAN Y TAPPI. Secuencia de flotación y lavado, a la pulpa purificada se le realizarán las mismas evaluaciones de los procesos aplicados en forma individual.

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Determinación de la naturaleza y distribución de tamaños de las partículas de tinta y la morfología de las partículas: se realizará mediante evaluaciones con, calorimetría, diferencial de barrido, Análisis termo-gravimétrico, Difracción de laser y Microscopia de fuerza atómica . Captura y análisis estadísticos Los datos obtenidos, se capturaran en Excel® y se analizaran estadísticamente con el programa de computo SAS (Statistical Analysis System)© 2004, versión 9.1.2. Para determinar la significancia de las propiedades blanqueo ECF y tratamientos secuenciales con ultrasonido, blanqueo ECF y secuencias de

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tratamiento por medio magnéticomecánico, blancura TAPPI, contenido de -celulosa, viscosidad, grado de cristalinidad, distribución de tamaño de las partículas de tinta, composición química de la fibra y del material removido, morfologia de la fibra, eficiencia, rendimientos y calidad entre los dos tipos de tratamiento de destintado, se realizará un diseño estadístico completamente al azar y se harán pruebas de comparación múltiple de medias. Se realizarán pruebas de T para determinar si hay diferencia estadística significativa entre ambos tratamientos para cada una de las variables evaluadas.

BIBLIOGRAFÍA Alliot M, Avila A. (2001). Destintado de papel por flotación. Influencia de los factores de forma. Facultad de Ingeniería química. Universidad de Nuevo León. Aguilar Rivera N, (2004). El reciclado de papel y cartón, facultad de ciencias bilógicas y agropecuarias, universidad veracruzana. Ekvall T. (1999). Key methodological issues for life cycle inventory analysis of paper recycling. Journal cleaner Production, Vol. 7, Issue 4. Technical environmental planning, Chalmers University of Technology, Goteborg, Sweden. Gabriel-Parra R. (2010). “Destintado de papel de impresión laser mediante ultrasonido a 25 y 45 khz”. Tesis de Maestría. Facultad de Ingeniería en Tecnología de la Madera. Maestría en ciencias y Tecnología de la Madera. Universidad Michoacana de san Nicolás de Hidalgo. Morelia, Mich. México.

Pavlik C, Gavazzo G.B, Medina A, Nuñez M. (2010). Desintegración a consistencia media de tres tipos de fibras secundarias: Características de las pulpas obtenidas y sus mezclas. Programa de investigación en celulosa y papel. Facultad de ciencias exactas, Químicas y Naturales, UNaM, Félix de Azara 1552(3300), Posadas, Misiones, Argentina. Ramírez-Casilla R. (2004). “Destintado de papel de impresión LASER usando ultrasonido”. Tesis de Doctorado. Centro Universitario de Ciencias exactas e Ingenierías. Doctorado en Ingeniería y Tecnología. Universidad de Guadalajara, Jalisco, México. Ramírez-Valdovinos E. (2010) “Destintado de papel de impresión LASER por medio magnético-mecánico”. Tesis de Maestría. Facultad de Ingeniería en Tecnología de la Madera. Maestría en ciencias y Tecnología de la Madera. Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo, Morelia, Mich. México.

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TAPPI (2000) Test Methods. TAPPI Press. Atlanta. Turrado S, J; Chávez L, H; Saucedo C, A; Ramos Q, J; Sanjuán D, R; Arellano, C, J. (2005). Deinking Digital Offset Prints. Progress in Paper Recycling. Turrado S, Martha F. Dávalos, Francisco J. Fuentes, Alma R. Saucedo. (2012). Información Tecnológica. Vol. 23(3), 5966. Universidad de Guadalajara, Centro Universitario de Ciencias Exactas e Ingeniería. Depto. De Madera, Celulosa y Papel “Ing. Karl Augustin Grellmann”, CUCEI, Km 15.5 Carr. 40171 Zapopán, Guadalajara-Nogales, Jal. México. Villanueva A. Wenzel H. (2007). Paper waste-Recycling, incineration or landfilling? A review of existing life cycle assessments. Waste Management. Vol. 27. Issue 8. Europan Topic center on resource and waste management. Deparment of manufacturing engineering and management. Technical University of Denmark, Copenhagen, Denmark.

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CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES 2013

2014

2015

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ACTIVIDAD Jul- Sep- Nov- Ene- Mar- May- Jul- Sep- Nov- Ene- Mar- May- Jul- Sep- Nov- Ene- Mar- MayAgo Oct Dic Feb Abr Jun Ago Oct Dic Feb Abr Jun Ago Oct Dic Feb Abr Jun Revisión literatura

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Caracterización físico morfológica

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Aplicación de tratamientos de destintado

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Blanqueo material

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Análisis de partícula, contenido químico y morfológico

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Determinación de propiedades ópticas

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Análisis resultados

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Preparación de materia prima

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Evaluación de tratamientos de destintado

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Elaboración de la tesis

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Defensa de la Tesis

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