Recuperación de papel y destintado Juan Carlos Villar Gutiérrez [email protected]

Recuperación de papel y destintado

Juan Carlos Villar Gutiérrez [email protected]

El reciclado de papel comienza a cobrar importancia en la segunda mitad del siglo XX, en las décadas de 1950 y 1960 su uso en embalajes empieza a ser importante.

En la década de 1970 se incorpora a papeles impresión/escritura e higiénicos.

En los 80 y 90, el destintado aumentó el uso de papel viejo, que aumenta su importancia en la fabricación de papeles tissue y prensa.

Ventajas del Papel Reciclado como Materia Prima

Menor consumo de energía

Menores inversiones en instalaciones

Reducción de residuos (papel viejo)

Valorización del papel viejo

Gran disponibilidad en áreas muy pobladasPULPER EN HOLMEN PAPER. FUENLABRADA. MADRID. 2008

PARQUE DE MATERIAS PRIMAS EN HOLMEN PAPERFUENLABRADA. MADRID. 2008

Definiciones

Tasa de reciclaje (%) = consumo de papel recuperado como materia prima / consumo de papel y cartón.

índice del esfuerzo del mercado para introducir la fibra reciclada en sus productos.

Tasa de utilización (%) = consumo de papel recuperado como materia prima / producción de papel y cartón.

índice del esfuerzo de la industria para utilizar la fibra reciclada como materia prima.

Tasa de recogida (%) = papel recuperado que se recoge / consumo de papel y cartón.

índice del esfuerzo de una sociedad para reutilizar el papel

Papeles No Reciclables

Debido a su usoLibros, archivos, papeles de uso higiénico y sanitario, papel de cigarrillo, envases de productos químicos,...

Debido a causas técnicasPapeles de difícil recuperación.

Debido a causas económicas Los generados en áreas apartadas, poco pobladas.

TOTAL: . . . 20 % de la producción

Las fuentes de papel recuperado son:

Hogares y comercios

Industrias, grandes supermercados, oficinas, ...

Sectores relacionados con papel: imprentas, transformadoras de papel y cartón, editoriales,...

Rendimiento en Pasta Según Clases

Embalaje 90%-95%Impresión/Escritura 65%-85%Higiénicos 60%-75%Especiales 70%-95%

Paper Recycling ABTCP. São Paulo, 2007

European grade lists

- Confederation of European Paper Industries (CEPI)- Bureau International de la Récupération (B.I.R.)- European Organization on Standardization (CEN), European Standard EN 6434.

1999, CEPI and B.I.R. : "European List of Standard Grades of Recovered Paper and Board". 2001, CEN’s Management Centre in Brussels adopted the new version of The European Standard EN 643 – The European List of Standard Grades of Recovered Paper and Board.

Recovered paper and board grades:• Group 1: Ordinary grades• Group 2: Medium grades• Group 3: High grades• Group 4: Kraft grades• Group 5: Special grades

EN 643 Definitions

Unusable materials = Nonpaper components + Paper and board detrimental to production.

Nonpaper components (Metal, Plastic, String, Glass, Textiles, Wood, Sand, Synthetic materials,… )

Paper and board detrimental to production (.. for a basic or standard level of equipment, are unsuitable as raw material for the manufacture of paper and board)

Moisture (Where the moisture content is higher than 10% the additional weight in excess of 10% may be claimed back…)

Quality Control of Recovered Paper

Visual Control

Weight

HumidityCause:

Raw material lossCost of transportationLow quality paper (cellulose /hemicelluloses degradation by fungi and bacteria)

Methods:Sampling and exact measure in furnace/microwaves (slow)Blade (quicker method but with less precision)

Composición del papel viejo

Aditivos del papel: cargas, tintes, aditivos, estuco,... Sustancias añadidas en la fabricación: tintas, adhesivos, ...Impurezas: cuerdas, metales, tierra, piedras,...Fibras

Métodos de Depuración

Tamizado: actúa según tamaño y forma de las partículasLavado: actúa según tamaño y forma de las partículasCentrifugado: actúa según densidad y tamaño de las partículasFlotación: actúa según las propiedades superficiales y tamaño de las

partículas

PulperDepósito cilíndrico de acero inoxidable con una hélice que provoca desintegración del papel.

Geometría del depósito y de la hélice y velocidad son responsables de un funcionamiento adecuado.

Funciones (del pulper y despastillador)Individualizar fibrasSeparar otras sustancias de las fibrasMezcla de reactivosEliminación de contaminantes

Desintegración y despastillado

Fuente: Papermaking Science and Technology

Continuo/Discontinuo

Baja Consistencia <6%Media Consistencia 6-8%Alta Consistencia 10-18%

10-20 Kwh/t

40-80ºC

Pulper


Aceleración y viscosidad causan la separación de las fibras. La hélice, que gira a una velocidad periférica de 12-20 m/s, provoca las fuerzas de desintegración.La resistencia en húmedo del papel es el parámetro crítico que predice la individualización de las fibras.

Pérdida de resistencia por mojado


Pulper


Pulper


Despastillador

Similar a un refinadorCon guarniciones más bastasMás separadas, 20 divisionesConsumo de 15-30 Kwh/tConsistencia 4-5%


Papeles de difícil desintegración

Combinación de pulper /despastillador puede ahorrar energía.

Otra solución: tamizado de la fracción de salida del pulper y del despastillador.

Despastillador


Aplicable a papeles encolados, estucados y con agentes de resistencia en húmedo. En el procesado de roturas en papeles con resistencia en húmedo.En papeles de difícil desintegración, se puede recurrir al calentamiento (75°C) y a la adición de reactivos.

Despastillador

El límite que aconseja tratamientos térmicos y mecánicos en el despastillador puede fijarse en una resistencia a la tracción de 600 m (húmedo).


Pulper de tambor “Drum pulper”


Para papel sin resistencia en húmedo: prensa, magazine...Consistencia 14-20% en zona de desfibradoLas fuerzas a que someten a la suspensión son suaves, los contaminantes permanecen sin desintegrarse

PULPER DE TAMBOR “DRUM PULPER” EN HOLMEN PAPERFUENLABRADA. MADRID. 2008

Elimina partículas indeseadas y suciedad de la suspensión fibrosa. Las partículas se rechazan/aceptan por su tamaño, forma y deformabilidad.

El depurador centrífugo puede ser de agujeros o de ranuras con tamaño adecuado para permitir el paso de las fibras y retener las impurezas. Pueden ser presurizados y atmosféricos

Los depuradores centrífugos fraccionan las fibras con mayor o menor grado de pureza, según exigencias de calidad.

Depuración por tamizado

Exigencias de calidad en la depuración

Una depuración fina, se lleva a cabo a menor consistencia y en depuradores centrífugos de ranuras, es más eficaz pero consume mas energía. La depuración grosera se realiza a mayor consistencia y puede emplear depuradores de agujeros.

La selección del tamiz y sus condiciones de operación son un compromiso entre: limpieza, rendimiento y coste.


Las partículas deformables, tales como stickies, pueden deformarse por efectos de fuerzas o presión y atravesar las aperturas del tamiz.



Depuración centrífuga (Hidrociclón)


Depuración centrífuga (Hidrociclón)

La separación obedece a diferencias de

Densidad Pesados: metales, vidrio, arenaLigeros: plásticos

TamañosAgregados de fibras, cargas, …Pueden eliminar partículas de menor tamaño que en los tamices 10 micras

StickiesEliminables si tienen suficiente diferencia de densidad

Proceso de separación que, mediante burbujas de aire, arrastra las partículas a eliminar hacia la superficie.

Adecuado para eliminar partículas hidrófobas de un determinado tamaño: tintas, stickies, cargas y pigmentos. Los stickies, con amplios intervalos de tamaño y naturaleza, no siempre pueden ser flotados.

La flotación elimina partículas en el intervalo 10-250 micras y llegan hasta 500 micras en algunos sistemas. El lavado, otro procedimiento de destintado, retira tintas, cargas y stickies y puede eliminar finos y cargas de menos de 30 micras.

Destintado por Flotación

Amplio intervalo de tamaños en las tintas.Flotación eficiente entre 10-250 micras.

Tamaño de particula:Pigmentos, negro de humo 0.02-0.1 micrasFlexográficas con base agua 1-5 micrasTintas offset pueden llegar a 100 micras Tintas oxidadas se adhieren fuertemente a la fibra, llegan a alcanzar más de 500 micras

Flotación

Partículas mayores precisan reducción (dispersión). Partículas menores precisan aglomeración.Partículas planas son difíciles de flotar que las cúbicas de igual tamaño. En algunos casos se requiere más de una etapa de flotación Los jabones de calcio aglomeran partículas pequeñas y cambian la naturaleza de las cargas haciéndolas flotables.


Flotación

Las partículas deben estar separadas de las fibras.

Deben tener un tamaño adecuado.

Comparación flotacion vs. lavadorecupera fibras más eficazmentemayor rendimientomenor consumo de aguapeor eliminación de las cargaspeor comportamiento con tintas base agua.

Mecanismo no totalmente esclarecido

Se cree que incluye:

Hinchamiento de las fibras durante la desintegración.

Rotura de las uniones fibra-partícula.

El hinchamiento separa la tinta, al igual que sucede durante la dispersión. La fricción entre fibras también contribuye. Algunas tintas ya oxidadas requieren mayores esfuerzos.

Flotación

Flotación trabaja a:

Consistencia de 0.8%-1.5% Temperatura de 40°C-70°CpH 7-9Entrada de aire 300% - 1 000% sobre volumen a flotar.

Una segunda etapa de flotación reduce las pérdidas en fibras, finos, cargas y pigmentos.

La segunda etapa trabaja a menor consistencia. La alimentación es muy diferente (rechazos de la primera etapa) con menos fibras y más finos y cargas. La calidad del aceptado en esta segunda etapa deberá ser mayor que la alimentación en la primera.

Flotación

Flotación


B.M. Johansson, Surface and colloid chemistry of flotation de-inking, in: Dept. Pulp and Paper Chemistry and Technology, Royal Institute of Technology, Stockholm, 1999, p. 75.

Flotación

El mecanismo de la flotación consta de tres etapas:

•Separación de la tinta de las fibras•Adherencia de la tinta a las burbujas•Extracción de la espuma y tintas de la superficie de la célula de flotación

Las burbujas se forman por inyección de aire en la base de la célula de flotación. A ellas se adhieren las partículas hidrofóbicas.

Las burbujas se mueven hacia la superficie y forman allí una espuma que se extrae mecánicamente.

Las partículas deben ser hidrofóbicas o ser convertidas en hidrofóbicas mediante surfactantes.

Partículas y burbuja deben colisionar y unirse, entonces las burbujas arrastrarán a las partículas hacia la superficie de donde serán eliminadas.

Se precisa un número elevado de burbujas y con un intervalo amplio de tamaños.

Flotación


Flotación. Reactivos Químicos

NaOH: hinchamiento de la fibra, rotura enlaces fibra tinta, saponificación

Na2SiO3: dispersante, álcali, estabilizante del H2O2

H2O2: blanqueante

Quelante: estabilizante del H2O2

Surfactantes: dispersantes, colectores, espumantes

a) Dispersante para separar la tinta de las fibras y evitar su redeposiciónSurfactantes no iónicos (ethoxylated linear alcohols, ethoxylated alkyl phenols, ethoxylated fatty acids, oligoethylene-oxide alkyl ether, and polyethyleneoxide alkyl ether) b) Colector para aglomerar partículas de tinta en otras mayores y hacer la superficie hidrofóbicajabones de ácido grasos C16 y C18c) Espumante para generar espuma y retirar la tinta de la célulaSurfactantes no iónicos

Surfactantes: modo de actuación durante la flotación

Tintas “Especiales”

Flexo: base agua, pequeño tamaño <5, hidrofílicas, forman suspensiones coloidales muy estables, propuesta de flotación en dos etapas: neutra+alcalina

Toner: hidrófobas, partículas planas difíciles de eliminar por flotación o lavado, se adhiere con fuerza a las fibras, se proponen condiciones especiales de destintado para su eliminación: lavado + flotación

Espesado

Su propósito es retirar agua de la suspensión para elevar su consistencia.

Se precisa para:

Llevar a cabo la dispersión (22%-30%)

Hacer menos costosos los procesos, como en el blanqueo (5%, 15%, or 30%) donde los gastos en reactivos y energía y el espacio juegan un papel importante.

Hacer más eficaces algunos procesos


Espesado

Se realiza por filtración y presión mecánica de la torta si se precisa mayor consistencia

Se forma una torta sobre la superficie filtrante.

En los inicios, mayores cantidades de sólidos percolan, a medida que se forma una torta más espesa, los sólidos quedan retenidos incluso algunos de menor tamaño que hubieran atravesado en los primeros estadios de la filtración.

Los filtros usados en fabricación de papel superficie filtrante de malla metálica o son placas perforadas. Materiales cerámicos y membranas se emplean en la purificación de agua.

Espesado


_________Recuperación de papel y destintado

Recycling effects on the morphological structure of fiber

Fibers in paper are bonded by H-bonds between the cellulose (hemicellulose) chains of adjacent fibers

High bonding is achieved means of fiber swelling•Water penetrates into the fibers, forms H-bond with cellulose and swells the fibers•Swelled fibers are easier to collapse and to conform into a strip form•Collapsed fibers show a higher bonding surface than non-collapsed ones

Refining causes internal and external fibrillation making the fibers more accessible to water penetration


Papermaking creates interfiber bonding by draining off the water, pressing and evaporation.

After water evaporation in the dry section, the final humidity content in paper is in the range of 5-10%.

Water between fibers is evaporated and strong interfiber bonds are created

This last stage cause an irreversible loss of quality in fiber. The process is known as Hornification (Cornification).


The main effect of the Hornification is a loss of the fiber capacity to swelling again.

Hornified fibers show less Water Retention Value than the never dried ones

Also the Fiber Saturation Point is reduced by Hornification

Properties which depend of swelling and fiber bonding, burst and tensile, are affected by hornification Refining do not recover the initial swelling capacity of the fibers


The reduction in the fiber capacity of swelling is related with the pore closure.

Average pore diameter were measured by never-dried fibers (35 A) and hornified fibers (25 A). Experiments have shown that external and internal pores are closed during hornification

Refining only is able to reopen external pores. Internal pores remain closed


From a chemical point of view, the irreversible loss in the fiber capacity of swelling and pore closure has been explained by:

irreversible formation of hydrogen bonds into the fibers formation of a covalent lactone-bond

There is no agreement in which is the true reason. Formation of H-bonds remains as a possibility although no direct evidence is known

Water-fiber and fiber-fiber H-bonds could be broken easily in the same process of papermaking (dry section and pulping, respectively).

Energy of bonds are 20-30 KJ/mol and 200-400 KJ/mol for Hydrogen and covalent bonds respectively


Hornification does not occur at the same level for all the pulps

Mechanical pulps do not suffer appreciable hornification

Kraft pulps experience hornification and loss of their properties in each cycle

The cause of this different behaviour is the chemical composition of the fibers

Delignified fibres also present large pores than the non delignified. Probable due to the extraction of lignin and hemicelluloses from the fiber wall. Hornification (pore closure) is then more intense for kraft fibers


Hemicelluloses also contributes to bonding, flexibility and swell more than cellulose because of its low polimerization.

Act as a barrier in the formation of cellulose-cellulose bonds

The global effect of hemicelluloses is the prevention against fiber hornification

Lignin also could act as a “coating” and avoid the cellulose-cellulose bonds which cause the pore closure

The combined effect of lignin, hemicelluloses and the lower pore diameter of the non delignified fibers is the responsibles of the lower response to hornification

Solutions?

RefiningDo not recovery completely fiber swellingEnergy consumptionDrainage

Chemical PreventionTreatment with bulking agents (sucrose, glycerol,..)Alkali treatment at high pressure (USA patent)Biorefining with cellulases

Quality of the Recycled papers

No big differences between VF and RF if comparison is properly made

Examples:

Record of velocity in a papermachine (corrugated)SAICA. Zaragoza. Spain100% Recicled Fibers

Record of velocity in a papermachine (newsprint)Holmen Paper. Fuenlabrada (Madrid). Spain100% ONP + Magazine

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