eliminación de tintas encapsuladas del papel

1
ELIMINACIÓN DE TINTAS ENCAPSULADAS DEL PAPEL
AUTOCOPIANTE MEDIANTE LOS PROCESOS DE LAVADO Y
FLOTACIÓN
Autores: Turrado S. J.; Peña, H., G.; Gómez V. R.; Arellano C., J., Ramos Q. J., Saucedo C., A. R.
jturrado@dmcyp.cucei.udg.mx, Tel: (52) 33 -36820110, ext 118, Fax: (52) 33 3682 0643
Departamento de Madera, Celulosa y Papel “Ing Karl Augustin Grellmann” Universidad de
Guadalajara/México, http://dmcyp.cucei.udg.mx
RESUMEN
Unos de los retos que enfrentan los sistemas actuales de reciclado de papel desperdicio de oficina
(OWP) es la presencia de papeles autocopiantes, estos utilizan tintas encapsuladas, las cuales
poseen una formulación diferente a las convencionales, y su función cromática la desarrollan
estructuras moleculares.
El presente trabajo presenta una alternativa de solución para minimizar el impacto que este tipo de
contaminantes genera durante la fabricación de nuevos papeles. Metodológicamente se analizan los
procesos tradicionales de lavado y flotación con parámetros específicos para cada uno como:
temperatura, pH, dureza de agua, dosificación y tiempo de reacción del tensoactivo.
La combinación de factores que permitieron alcanzar la mínima presencia de puntos negros
residuales en el producto utilizando proceso de flotación, estuvo dada por: dureza de 150 ppm,
temperatura 60°C, pH 11, dosificación de tensoactivo de 0.5 % y tiempo de reacción de 12 minutos.
En hoja Tappi el factor de reflexión fue de 87 % y se alcanzo la cifra de 1699 Nr/m2 manchas de tinta
ocupando un área de 23 mm2/m2, mientras que en la hoja Büchner el factor de reflexión fue de 86 % y
el número mínimo de manchas residuales fue de 19933 Nr/m2 ocupando un área de 381 mm2/m2. Se
demostró además que las variables que más inciden sobre el factor de reflexión tanto en hojas (Tappi
y Büchner) son: dosificación de tensoactivo y temperatura. El rendimiento para el proceso de flotación
fue 93% mientras que para el proceso de lavado fue del 70 %. Los parámetros de este proceso son:
Temperatura 60°C, tiempo de contacto con el tensoactivo 12 min, dosificación del tensoactivo 0.5 y
pH de 11, en hojas Tappi el factor de reflexión fue de 88 %, el número mínimo de manchas de tinta
residual fue de 13,169/m2 y área sucia de 224 mm2/m2 y para la hoja Büchner el factor de reflexión
fue de 80 % manchas residuales de 34,682/m2, las cuales cubren una superficie de 321 mm2/m2.
Palabras Clave: papel autocopiante, tintas encapsuladas, agente de tensión superficial, tinta residual
(manchas)
INTRODUCCIÓN
El uso de papel desperdicio como materia prima fibrosa presenta ventajas económicas y ecológicas,
sin embargo, día a día su manejo representa retos importantes para la óptima recuperación de fibras
limpias y en buen estado físico y químico para su reutilización en la siguiente generación de papel.
Además los modernos mecanismos de impresión y el desarrollo constante de nuevas formulaciones
de tintas en respuesta a las cambios tecnológicos de “transferencia de datos” impresión han
conducido a desarrollar tintas y papeles especiales, ocasionando con ello, que las características del
papel desperdicio cambien continuamente. El papel autocopiante ha sido sometido a un proceso de
impresión diferente, por ello difiere del papel desperdicio común, además contiene en su estructura
tintas especiales “tintas encapsuladas”, que poseen un recubrimiento polimérico (cápsula). Por
efectos de la presión de escritura en la hoja superior se rompen las cápsulas de tinta ubicadas en el
reverso de la hoja y en otras hojas, de esta forma se libera la tinta y se forma y transmite la imagen
sin usar papel carbón. Otro tipo de papel es el denominado autocontenido que se fabrica con las
cápsulas, pigmentos, reactivos y el recubrimiento receptor en el mismo lado de una sola hoja. Ver
Fig. 1. (1)
2
Fig.1 Estructuras de papel autocontenido (SC), de dos tipos comerciales.
El término destintado se define como una serie de operaciones, iniciando con papeles impresos,
estos se destruyen en medio acuoso generando una suspensión, la cual es sometida a procesos de
lavado y/o flotación en presencia de agentes de destintado correspondientes (acción que aunado a
condiciones de operación de los equipo permiten eliminar la tinta) obteniendo de esta forma fibras
limpias. La gran variedad de tipos de papel y por lo tanto, de tintas de impresión ha dificultado el
desarrollo de un sistema estándar de destintado, ya que tanto el impresor como el fabricante de papel
persiguen metas distintas que dificultan la posterior separación de la tinta del papel. (2) La diferencia
básica entre el proceso de lavado y el de flotación radica en el rango de tamaño de partícula
eliminada y la forma de eliminación. De donde el rango del tamaño de partícula para destintado por
lavado varía entre 0.2 a 30 µm y de 50 a 200 µm para destintado por flotación.
En el proceso de destintado por flotación por medio de flujo de aire en presencia de agente de
tensión superficial se forman burbujas, a las cuales se adhieren las cápsulas hidrofóbicas de tinta
para ser transportadas a la superficie de la suspensión formando la espuma y de esta forma
separarles de la suspensión, este proceso considera aspectos físicos, químicos e hidrodinámicos
para lograr la separación de las partículas de tinta. En esta etapa, la aplicación de un tensoactivo
colector permitirá la unión de las partículas formando grumos. El tensoactivo se adsorbe en la
superficie fibrosa, donde el extremo hidrófobico del tensoactivo se asocia con la tinta, el aceite y otros
contaminantes, mientras que el extremo hidrofílico permanece con tendencia hacia el agua. Los
tensoactivos empleados en el presente estudio son derivados de ácidos grasos.
El destintado por lavado se basa esencialmente en la diferencia de tamaño existente entre las
partículas de tinta y las fibras[3]. Se agrega el tensoactivo para modificar la actividad superficial de las
partículas de tinta a un carácter hidrofílico y se hace pasar la suspensión a través de tamices de
dimensión de malla 60, permitiendo el paso de las partículas de tinta y retienen las fibras. Las
partículas deben ser lo más pequeñas posible para que puedan atravesar fácilmente el colchón
filtrante compuesto por fibras. Los sólidos de mayor tamaño son retenidos por el colchón filtrante y
con el agua se descargan las partículas de menor tamaño. Este método es más efectivo en la
eliminación de partículas de tinta de tamaño menor a 20 µm.[3,4]. El desprendimiento de las impurezas
sólidas y líquidas desde la superficie está relacionado con la manifestación de la acción dispersante
de las sustancias tensoactivas y representa la etapa principal del proceso de lavado; a este proceso
contribuyen las acciones mecánicas de distinta intensidad que se utilizan en el proceso de lavado[5].
El material al interior de la cápsula es el cristal violeta lactona, el cual es un tinte incoloro que cuando
se vierte en una capa de arcilla activada forma el color y el solvente es el diisopropilnaftaleno[6].
DESARROLLO EXPERIMENTAL
En este estudio se empleo como materia prima las formas autocopiantes de uso en los bancos. Estas
formas bancarias pertenecen al grupo de papeles autocontenido (SC, self contained). El diagrama
de desarrollo experimental para Lavado se muestra en Graf. 1 y el de Flotación en Graf. 2 .
3
La etapa experimental para
ambos
procesos
de
destintado
“Lavado
y
Flotacion” responde a un
diseño experimental 2k de
cinco variables, para cada
variable existen dos niveles y
esto
produce
32
experimentaciones para cada
proceso. El diseño permite
estudiar
los
efectos
producidos por dos o más
variables
sobre
los
parámetros respuesta para
conocer cuál o cuáles de
estas variables influyen con
más incidencia sobre los
parámetros de respuesta, y
así entonces, determinar los
experimentos
con
las
condiciones
óptimas
y
adversas del proceso de
destintado. La aplicación del
diseño experimental permite
observar los efectos de las
variables seleccionadas así
como las interacciones más
significativas entre ellas en el
destintado de papel autocopiante por flotación.
Graf. 1, Diagrama del Proceso de lavado
Las variables de interés para
el presente estudio son:
dureza
del
agua,
pH,
temperatura
del
sistema,
dosificación de tensoactivo y
tiempo de reacción. En la
selección de los niveles de las
variables se partió de los
parámetros
aplicados
industrialmente, así como de
los resultados obtenidos en
estudios
anteriores
del
DMCyP/UdeG
sobre
el
destintado por flotación de
distintos tipos de papeles:
dureza del agua (150-220
ppm), temperatura (30-60º C),
pH (9-11), dosificación de
tensoactivo (0.1 – 0.5 %) y
tiempo de reacción (2-12
min).
Graf.-2,-Diagrama del Proceso de Floración
4
Considerando que el destintado de papeles autocopiantes involucra un proceso en el cual
inevitablemente es necesario conocer ampliamente el comportamiento de las nuevas tintas. La
elección de los tensoactivos empleados dependió de su efecto colector que aglomera partículas de
tinta facilitando su adhesión a las burbujas de aire, éstas burbujas transportan los aglomerados de
tinta hasta la superficie de la celda de flotación donde finalmente son eliminados. El destintado de las
formas bancarias se realizó de acuerdo al método PTS RH:010/87. La muestra es de 12 g de
material b.s. En la celda de flotación debe lograrse un ajuste físico-químico-mecánico de forma tal,
que las partículas dispersas de tinta se adhieran a las burbujas de aire (en función de la acción del
agente de tensión superficial sobre las mismas) y sean trasportadas hacia la parte superior del
tanque por las burbujas “espuma”, de donde mediante un sistema de arrastre se descarga la espuma
formada en el sistema. La suspensión anterior se vierte a un homogenizador y se procede con la
formación de dos hojas con diferente proceso: a.- TAPPI T 205 sp-95 “hojas Tappi”, b.- TAPPI T 218
sp-97 “hojas Büchner”. [7]
Posteriormente las hojas se acondicionaron para su evaluación según TAPPI T 502 cm-98. [7]
EL DOT Counter COCAP 2.0 es un software que permite evaluar la cantidad de puntos negros, el
área que ocupan y la distribución del tamaño de estas impurezas de acuerdo a TAPPI 213 om-97. [7]
La evaluación inicial se presenta como el punto de partida del proceso de destintado por flotación y
por lavado debido a que se tiene la cantidad total de cápsulas y de tinta. La evaluación del blanco es
una evaluación del material desintegrado, sin productos químicos, sometido a las etapas de lavado y
flotación respectivamente, posteriormente se formaron hojas Tappi y Büchner.
La evaluación adversa es la que presenta las condiciones desfavorables en función del factor de
reflexión y la cantidad de puntos negros evaluados sobre las hojas Tappi y Büchner en el diseño
experimental y finalmente la prueba favorable es la que presenta las condiciones óptimas en función
de los mismos factores de respuesta de las hojas Tappi y Büchner. Para determinar la presencia de
cápsulas residuales en las hojas elaboradas en las condiciones óptimas y adversas, se aplicaron
cuatro etapas de presión (0, 10, 20, 30 psi) a las hojas std. y se determino la presencia de puntos de
color.
Para el proceso de lavado se utilizo el tensoactivo ISTEMUL 780 el cual es un dispersante,
desarrollado para aplicarlo en el proceso de destintado por lavado de papel desperdicio. El diseño
seleccionado para la experimentación es el 2k con cuatro variables, obteniéndose un total de 16
experimentos con una repetición, las variables a controlar y sus niveles de operación fueron: pH (911), temperatura (30-60 ºC), tiempo de contacto (2-12 min.) y dosificación del tensoactivo (0.1-0.5 %).
Los parámetros de respuesta para este diseño fueron: Factor de Reflexión a 457 nm y Número de
cápsulas residuales/m². En este proceso se empleo la celda de lavado desarrollada por DEGUSSA.
Con el material aceptado se formaron cuatro hojas Tappi de 60 g/m², Las hojas Büchner de 170 g/m²
se realizaron bajo la técnica (T218 sp 97) [7]
Las partículas residuales tanto en hojas Tappi como Büchner, FR 457 nm y L*, a*, b* se evalúan de
acuerdo a procedimiento utilizado en el proceso de flotación.
ANÁLISIS DE RESULTADOS
En la materia prima con humedad del 6 % se analizó
la presencia de cápsulas/tinta, sometiendo la hoja del
papel autocopiante a presión de escritura y se
observo su estado físico en el Analizador de
Imágenes.
La imagen 2 muestra la hoja que contiene las
cápsulas sin ejercer presión. La imagen 3 muestra la
hoja original después de someterla a presión de
escritura y se observan las cápsulas de tinta que
al romperse generan la imagen.
Fig. 2 Cápsulas con
tinta
Fig.3 Tintas encapsuladas
sometidas a presión
5
RESULTADOS DEL PROCESO DE LAVADO
La experimentación del blanco se efectuó con la desintegración y el destintado por el proceso de
lavado, pero sin la acción de variables como: temperatura, tiempo de contacto, pH y dosificación de
tensoactivo. Las cápsulas de tinta no se eliminaron completamente del material fibroso con el proceso
de lavado y se requiere un mayor control de variables que influyen en el experimento para contribuir a
su eliminación.
El Factor de Reflexión para hojas
Tappi
alcanzado
en
el
experimento 16 fue de 88 % en
contraste con la evaluación inicial
de 76 % grafica 3. El experimento
no favorable obtuvo un valor mas
bajo que la prueba del blanco,
debido a que las partículas se
sometieron al fenómeno de
detergencia
donde
se
fragmentaron ocasionando que
cubrieran más área en la hoja
que se reflejo en la disminución
del factor de reflexión.
90
85
Factor
de
80
r ef lexión
(%)
75
70
Inicial
Blanco
Adversa
Óptima
Pruebas
Gráfica 3 Factor de reflexión en hojas Tappi.
80
79
78
Fact or
of
ref lect ionn
(%)
77
76
75
74
73
72
Inicial
Blanco
Adversa
Óptima
La gráfica 4 representa el factor
de reflexión para las hojas
Büchner, con material similar al
de
la
grafica
3.
La
experimentación favorable obtuvo
un factor de reflexión de 80 %
mientras que la evaluación inicial
genero un factor de reflexión de
75 %.
Prueba
Gráfica 4. Factor de reflexión para diferentes pruebas en
hojas Büchner.
La gráfica 5 muestra el número
de puntos negros en las hojas
Tappi de: evaluación inicial,
blanco,
experimento
desfavorable
y
experimento
favorable. Se observa una
disminución importante en el
experimento 16 de partículas
residuales
y
en
la
experimentación no favorable se
obtuvo un gran número de
partículas debido a que el
tensoactivo
influyo
en
la
dispersión de las mismas.
100
80
Cantidad de
puntos 60
negros
40
x 1000/m²
20
0
Inicial
Blanco
Adversa
Óptima
Pruebas
Gráfica 5 Número de puntos negros en diferentes pruebas
para las hojas Tappi
6
La gráfica 6 describe un comportamiento similar de la hoja Büchner con la hoja Tappi Graf. 5, esto se
origina en virtud de que las condiciones con que se realizo el experimento 3 no fueron ventajosas
con respecto al blanco, en el cual se presenta mayor disminución en el número de sus partículas en
comparación con el experimento no favorable.
50
40
30
Cantidad
de puntos
negr os
x 1000 / m²
20
10
0
Inicial
Blanco
Adversa
Óptima
Gráfica 6. Número de puntos negros para diferentes pruebas
en las hojas Büchner
RESULTADOS DEL PROCESO DE FLOTACIÓN
Ta ppi
B üc hne r
La gráfica 7 muestra el cambio en
el valor del factor de reflexión a
través de la evaluación inicial,
blanco, adversa y óptima. Los
resultados muestran una ventaja
muy notoria de la prueba óptima
con la prueba inicial, esto para
ambas gráficas: Tappi y Büchner
Factor de reflexión (457nm)
88%
86%
84%
82%
80%
78%
76%
74%
Inicial
Blanco
Adversa
Prue bas re aliz adas
Óptima
Gráfica 7 Comparación del factor de reflexión entre distintas
pruebas sobre las hojas Tappi y Büchner.
Cantidad de puntos
negros
Miles
1 a 50
50-100
100-150
150-200
200
50
40
Distribución del tamaño de partícula
30
20
10
0
Inicial
Blanco
Adve rsa
Hoja Tappi
Ó ptima
Gráfica 8 Comparación de la cantidad de puntos negros
entre distintas pruebas sobre las hojas Tappi.
Las gráficas 8 y 9 muestran el
cambio en la cantidad de puntos
negros residuales en hojas Tappi y
Büchner en relación a: evaluación
inicial, blanco, adversa y optima
experimentación.
7
Cantidad de puntos negros
1 a 50
El rendimiento es una variable
esencial para cualquier proceso, ya
que
determina
la
máxima
productividad y hasta la misma
factibilidad
del
proceso.
El
rendimiento calculado para el
destintado de papel autocopiante
por flotación registro un valor de 93
% con una cantidad de cenizas en
el papel autocopiante de 14.15 %.
50-100
100-150
150-200
200
600
500
Distribución del tamaño de partícula
400
300
200
100
0
Inicial
Blanco
Adversa
Hoja Büchner
Óptima
Gráfica 9 Comparación de la cantidad de puntos negros
entre distintas pruebas sobre las hojas Büchner.
CONCLUSIONES
Este trabajo permitió estudiar el efecto y la interacción de cinco variables para el destintado por
lavado y flotación de las tintas encapsuladas del papel autocopiante.
- La modificación de la actividad superficial de las tintas encapsuladas fue exitosamente efectuada
por el tensoactivo aplicado, observándose este desempeño en la separación y eliminación en ambos
procesos de las tintas encapsuladas, grafica 5 y 8
- La mejor combinación de variables con respecto al valor del factor de reflexión para el destintado
por FLOTACION estuvo dada por: dureza del agua 150 ppm, temperatura 30º C, pH 9, dosificación
de tensoactivo de 0.5 % y un tiempo de reacción de 12 minutos. En estas condiciones se alcanzo
rendimiento del 93 % y Factor de Reflexión para hoja Tappi de 87.18 % mientras que en la hoja
Büchner fue de 86.93 %. Los componentes cromáticos L* = 91.18, a* = -1.39, b* = -6.38 y L* =
90.99, a* = -1.36, b* = -6.54 respectivamente.
- La combinación de variables que permitió lograr una menor cantidad de puntos negros residuales
en LAVADO estuvo dada por: dureza, 150 ppm; temperatura 60º C; pH 11; dosificación de
tensoactivo, 0.5 %; y tiempo de reacción, 12 minutos. En estas condiciones el rendimiento fue del 70
% y la cantidad de puntos negros residuales: en hoja Tappi, 1699 Nr/m2 ocupando un área de 23
mm2/m2, mientras que en hoja Büchner fue de 19933 Nr/m2 ocupando un área de 381 mm2/m2.
- Se demostró que las variables que más afectan al Factor de Reflexión en los dos tipos de hojas
(Tappi y Büchner) son la dosificación de tensoactivo y la temperatura, mientras que para una
cantidad menor de puntos negros, las variables que tienen más efecto son la temperatura y el tiempo
de reacción.
- El destintado por lavado presenta una opción viable para el destintado de los papeles
autocopiantes. El porcentaje de remoción de contaminantes que se logro fue del 77 % para la
formación de la hoja Tappi y 90 % para la hoja Büchner.
AGRADECIMIENTOS
A CONACYT por el apoyo brindado con las becas 163129 y 163133 para obtener el grado de
Maestría en Ciencias en Ingeniería Química. A la UdeG por la oportunidad y las facilidades
otorgadas para realizar la tesis y obtener el grado de maestro.
BIBLIOGRAFIA
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Resources (DE, 2002) http://www.ncr.es
8
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5.- RITTER, Steve. “Ink”. Chemical Engineering. November 16. 1998. 35 pp. The PQ Corporation.
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español ampliado y modificado. Editorial Mir. 1988. Impreso en la URSS. 330 pp
7.- TAPPI Test Methods. 1998-1999 test methods. Ed. Tappi press. Printed in the United States of
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