Procés de destintatge del paper per flotació. Avaluació de l'eficàcia de l'eliminació de tinta

Abstract

La tesi doctoral presentada té com a objectius principals l'estudi de les etapes fonamentals de desintegració i flotació en un procés de destintatge de papers vell de qualitats elevades per a poder millorar l'eficàcia d'aquestes etapes clau. Conté una revisió teòrica completa i molt actualitzada del procés de desintegració i flotació tant a nivell macroscòpic com microscòpic. La metodologia de treball en el laboratori, la posada a punt dels aparells, així com les anàlisis efectuades per a valorar la resposta del procés (anàlisi de blancor, anàlisi d'imatge i anàlisi de la concentració efectiva de tinta residual) estan descrites en el capítol de material i mètodes. La posada en marxa permet obtenir unes primeres conclusions respecte la necessitat de treballar amb una matèria primera homogènia i respecte la no significació de la temperatura de desintegració dins l'interval de treball permès al laboratori (20-50°C). L'anàlisi de les variables mecàniques de desintegració: consistència de desintegració (c), velocitat d'agitació en la desintegració (N) i temps de desintegració (t), permet de discernir que la consistència de desintegració és una variable fonamental. El valor de consistència igual al 10% marca el límit d'existència de les forces d'impacte mecànic en la suspensió fibrosa. A consistències superiors, les forces viscoses i d'acceleració dominen l'etapa de desintegració. Existeix una interacció entre la consistència i el temps de desintegració, optimitzant-se aquesta darrera variable en funció del valor de la consistència. La velocitat d'agitació és significativa només per a valors de consistència de desintegració inferiors al 10%. En aquests casos, incrementar el valor de N de 800 a 1400 rpm representa una disminució de 14 punts en el factor de destintabilitat. L'anàlisi de les variables químiques de desintegració: concentració de silicat sòdic (% Na2SiO3), peròxid d'hidrogen (% H2O2) i hidròxid sòdic (% Na2OH), proporciona resultats força significatius. El silicat sòdic presenta un efecte altament dispersant corroborat per les corbes de distribució dels diàmetres de partícula de tinta obtingudes mitjançant anàlisi d'imatges. L'hidròxid sòdic també presenta un efecte dispersant tot i que no és tant important com el del silicat sòdic. Aquests efectes dispersants són deguts principalment a l'increment de les repulsions electrostàtiques que aporten a la suspensió fibrosa aquests reactius químics fent disminuir l'eficàcia d'eliminació de l'etapa de flotació. El peròxid d'hidrogen utilitzat generalment com agent blanquejant, actua en aquests casos com a neutralitzador dels grups hidroxil provinents tant del silicat sòdic com de l'hidròxid sòdic, disminuint la repulsió electrostàtica dins la suspensió. Amb l'anàlisi de les variables hidrodinàmiques de flotació: consistència de flotació (c), velocitat d'agitació durant la flotació (N) i cabal d'aire aplicat (q), s'aconsegueix la seva optimització dins el rang de treball permès al laboratori. Valors elevats tant de la velocitat d'agitació com del cabal d'aire aplicat durant la flotació permeten eliminar majors quantitats de tinta. La consistència de flotació assoleix valors òptims depenent de les condicions de flux dins la cel·la de flotació. Les metodologies d'anàlisi emprades permeten obtenir diferents factors de destintabilitat. Entre aquests factors existeix una correlació important (determinada pels coeficients de correlació de Pearson) que permet assegurar la utilització de la blancor com a paràmetre fonamental en l'anàlisi del destintatge de papers vells, sempre i quan es complementi amb anàlisis d'imatge o bé amb anàlisi de la concentració efectiva de tinta residual. S'aconsegueixen expressions empíriques tipus exponencial que relacionen aquests factors de destintabilitat amb les variables experimentals. L' estudi de les cinètiques de flotació permet calcular les constants cinètiques (kBlancor, kERIC, kSupimp) en funció de les variables experimentals, obtenint un model empíric de flotació que relacionant-lo amb els paràmetres microscòpics que afecten realment l'eliminació de partícules de tinta, deriva en un model fonamental molt més difícil d'interpretar. Mitjançant l'estudi d'aquestes cinètiques separades per classes, també s'aconsegueix determinar que l'eficàcia d'eliminació de partícules de tinta és màxima si el seu diàmetre equivalent és superior a 50 μm. Les partícules amb diàmetres equivalents inferiors a 15 μm no són eliminades en les condicions de flotació analitzades. Es pot dir que és físicament impossible eliminar partícules de tinta de diàmetres molt diferents amb la mateixa eficiència i sota les mateixes condicions de treball. El rendiment del procés analitzat en funció de l'eliminació de sòlids per l'etapa de flotació no ha presentat relacions significatives amb cap de les variables experimentals analitzades. Únicament es pot concloure que addicionar quantitats elevades de silicat sòdic provoca una disminució tant de sòlids com de matèria inorgànica presents en les escumes de flotació.

The main objective of this dissertation is the research in fundamental stages of disintegration and flotation in a deinking process of high quality papers. This dissertation contains a complete and actual state of art in disintegration and flotation. All the experimental procedures used in the laboratory, final preparation and all the analysis attained to quantify the answer to the process are described in materials and methods chapter. Analysis of mechanical variables involved in disintegration process lead to consider that disintegration consistency is the main variable of the process. The value of 10% consistency limits the existence of mechanical effects on fibrous suspension. Using higher consistencies, viscous and acceleration effects control the disintegration stage. It exists an interaction between consistency and disintegration time. This last variable can be optimised depending on the value of consistency used. The agitation speed is significant if it works at consistencies lower than 10%. In these cases, to increment the value of N from 800 to 1400 rpm represents a diminution of 14 points in deinkability factor. Analysis of chemical variables involved in disintegration process provides significant results. Sodium silicate presents a high dispersing effect corroborated with distribution curves of ink particles diameters obtained by image analysis. Sodium hydroxide also presents a dispersing effect not so important as the effect of sodium silicate. These dispersing effects are due to the increase in electrostatic repulsions that these reagents give to the suspension. Hydrogen peroxide used generally as a bleaching agent, acts in these cases neutralising hydroxyls groups coming from sodium silicate and sodium hydroxide. Analysis of hydrodynamic variables related to flotation process leads to their optimisation in the working range allowed in the laboratory. High values of agitation speed and air ratio used in flotation stage permits to eliminate higher amounts of ink particles. Flotation consistency is optimised in function of fluid conditions inside the flotation cell. Analytical methodologies lead to obtain different deinkability factor. It exists an important correlation between these factors assured by Pearson's correlation coefficients. This good correlation allows assuring the utilisation of brightness as a fundamental parameter in deinking analysis of waste papers, always complemented with image analysis or with analysis of effective residual ink concentration. It can be obtained empirical expressions (exponential equations) that they can relate these deinkability factors with experimental variables. Studies of flotation kinetics allow calculating kinetic constants (kBrighteness, kERIC, kSupimp) in function of experimental variables, obtaining a flotation empirical model. If this model is related to real parameters that affect elimination of ink particles by air bubbles, it inclines towards a fundamental model much more difficult to interpret. Using kinetic analysis, it can be determined that ink particle elimination effectiveness is maximum when ink particle diameter is higher than 50 μm. Particles smaller than 15 μm are not eliminated by flotation. Yield process analysed as solids evacuated in foam flotation shows only a little relation with the presence of sodium silicate in disintegration stage. All other variables doesn't present a significant relation.