Proceso de Producción de Celulosa Kraft y Papel

8/17/2019 Proceso de Producción de Celulosa Kraft y Papel

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Proceso de Producción de celulosa kraft y papel

El proceso de producción de celulosa kraft consiste principalmente en la remoción de

lignina y hemicelulosa a través de compuestos químicos con el propósito de disolverlos

y facilitar su

separación para la obtención de celulosa. El proceso kraft

(Figura 1a

que permite la recuperación de reactivos reali!"ndose un pulpa#e de tipo químico

donde las astillas son cocidas en una solución de hidró$ido de sodio (%a&' y sulfuro

de sodio (%a) en la etapa de digestión* obteniendo un rendimiento de pulpa entre el +,

- , /* adem"s de un residuo líquido conocido como licor negro (0hompson et al .*

,,1. El licor negro* corresponde a una me!cla de reactivos y compuestos org"nicos

(e$tractivos de la madera* color* 2&* entre otros el cual posee un alto valor

energético y mediante su quema en caldera de

recuperación* es posible obtención de

energía calórica y reactivos (3okhrel 4 5iraraghavan* ,,+. 3osteriormente* se reali!a

la etapa de blanqueo de la pulpa kraft* mediante una secuencia

de blanqueo que cuenta

con una serie de etapas en las cuales se adiciona dió$ido de cloro (6l& y peró$ido de

hidrógeno ('& en forma secuencial. 7na secuencia de blanqueo E6F considerada

convencional es ,E11E* donde corresponde a una etapa de o$idación con

6l& en condiciones "cidas y E representa una etapa de e$tracción alcalina con '&

con un

lavado entre cada una de estas* obteniendo grupos carbo$ilos hidrofílicos*

incrementando la

solubilidad de la lignina para finalmente la obtención de celulosa

(6alvo et al., ,,8.

3ara el caso de la producción de papel* esta requiere de una etapa de producción de

pulpa* la cual puede obtenerse mediante procesos químicos o mec"nicos. En la

producción química* los tro!os de madera se me!clan con vapor de agua y productos

químicos tales como hidró$ido de sodio (%a&'* bisulfito sódico (%a')&9 hasta

separar las fibras de celulosa* mientras que en la

producción mec"nica las fibras de

celulosa se separan por trituración de la madera sometiéndola a altas temperaturas y

presiones. :a pulpa obtenida presenta residuos de lignina* hemicelulosas* resinas y

otros. :a producción mec"nica (Figura 1b* se puede reali!ar ba#o distintos procesos*

tales como; desfibrador presuri!ado (3


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desfibradores de piedra presuri!ados para la obtención de pulpa* en los cuales los tro!os

son presionados contra una piedra cilíndrica

de material abrasivo que gira con

velocidad constante hasta producir una pasta acuosa para posteriormente* pasar a un

refinador transform"ndola en pulpa mec"nica aceptada.

3osteriormente pasa a la etapade prensado* secado y finalmente se produce el papel. El proceso 0>3 consta de una

primera etapa donde se ablandan las astillas con vapor de agua para facilitar la

separación de las fibras* posteriormente se introducen las astillas a presión en una !ona

entre dos discos que rotan en direcciones opuestas y a muy corta distancia. :a acción

de una serie de ranuras y barras sobre la superficie de estos discos separa las fibras*

pudiendo obtener hasta tres estaciones de refinado en serie. 7na ve! obtenida la

pulpa* es clasificada y filtrada de impure!as para posteriormente pasar a una m"quina

papelera que formar" la ho#a de papel (3apelnet* ,1,.

urante las etapas de producción de celulosa kraft y producción de papel* se generan

compuestos aportan color y compuestos específicos* entre estos* compuestos del tipo

recalcitrantes en los efluentes de vertidos (5idal et al .* ,,8? 6haparro et al .* ,1,*

los cuales seg@n estudios reali!ados se les atribuye to$icidad. Esta to$icidad se debe

a la presencia de e$tractivos de la madera liberados durante el proceso de producción

de celulosa y papel* atribuyéndoles to$icidad aguda a la presencia de "cidos resínicos y

en menor proporción "cidos grasos insaturados (2elmonte et al .* ,,A y to$icidad

crónica a la presencia de fitoesteroles (Bavier et al .* ,,? 6hamorro et al .* ,1,?

:ópe! et al .* ,11.


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a)

Descortezado y Astillado Digestión Pulpa Cruda

Sólidos Suspendidos, DBO5, Fibras, etc. pH, Solidos Suspendidos, Color,icor !egro" #u$%icos de Cocción, &'tracti(os de la )adera, Color, ClO*H O* *

O+

Celulosa Siste%a de Blanueo

Carbo-idratos Co%puestos Clorados, Furanos, Cloroenoles, Cetonas, Color,

b)P/0

1e2nador Prensado SecadoDes2brador Piedra Presurizada

Planta )adera Papel&'tracti(os de la )adera Color, DBO5, etc.

3)P

Prensado SecadoDescortezador 1e2nador

Figura 1. 3roceso productivo; (a Cndustria de celulosa kraft* (b Cndustria de papel


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1.1.9Composición de efluentes de la industria de celulosa kraft y papel

:os efluentes de la industria de celulosa kraft y papel poseen una variedad de

compuestos tó$icos capaces de generar un efecto deletéreo en el ambiente acu"tico

receptor si son

descargados directamente (6atalkaya 4 Dargi* ,,8. En estos

efluentes e$isten m"s de 1,,, compuestos org"nicos clorados* de los cuales sólo 9,,

han logrado ser identificados (6arrasco* ,,+. En estos efluentes es posible identificar

tres grupos principales de compuestos org"nicos* los que corresponden a productos de

degradación del almidón* tales como sac"ridos o "cidos carbo$ílicos* compuestos

fenólicos derivados de la lignina y otros contaminantes* tales como

surfactantes(mat et al .* ,,? 6atalkaya 4 Dargi* ,,8. En general estos efluentes se

caracteri!an por su alto contenido de sólidos suspendidos* carga org"nica (2& y

&* color por presencia de ligninas* derivados de ligninas* taninos no polimeri!ados

y &B* estos @ltimos para el caso de celulosa kraft (li 4 )reekrishnan* ,,1?

6arrasco* ,,+. En el caso de los efluentes de celulosa kraft se ha detectado

to$icidad aguda y crónica* atribuida a la presencia de compuestos org"nicos* tales &B

en los cuales el n@mero y posición de los grupos de cloro en el anillo arom"tico* influir"

en la biodegradabilidad y to$icidad aguda de estos y también a la presencia de

e$tractivos de la madera como "cidos resínicos (nnachhatre 4


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3rincipalmente* los "cidos resínicos se caracteri!an por ser terpenos tricíclicos* "cidos

débiles*

insolubles en agua* solubles en solventes org"nicos y neutros no polares*

relativamente hidrofóbicos y lipofílicos* con un alto coeficiente de partición octanol

agua (log D oG mayor a +. )e clasifican en dos grupos; abietanos ("cido abiético*dehidroabiético* neoabiético* pal@strico y levopim"rico y pim"ricos (pim"rico*

isopim"rico y sandaracopim"rico* siendo los m"s

abundantes el "cido dehidroabiético

(1+ - 9, / y "cido abiético (1H - 99 / (Frigon et al .* 1HHH? 2elmonte et al .* ,,.

ebido a la estabilidad y resistencia que presenta la estructura de los "cidos resínicos

frente a la degradación química* les permite resistir las etapas de digestión y

blanqueo* siendo finalmente encontrado en efluentes de celulosa previamente tratados

en

concentraciones entre ,*,,J - 1*9A mgK : (Damayaet al

.* ,,? uinnet al.,

,,9.:os fitoesteroles son compuestos hidrofóbicos pocos solubles en agua (solubles en

diclorometano y metilLtercLbutilLéter y altamente lipofílicos con valores de log D oG

mayores a A ('eGitt et al .* ,,,?


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encontr"ndolos finalmente en los efluentes que son vertidos al cuerpo de agua

receptor e incluso disponible en los sedimentos

cercanos a estos vertidos. Esto hace

que la industria de celulosa kraft y papel sea una de las principales vías de ingreso

de estos compuestos al ambiente acu"tico (&rrego et al .* ,,. 6hamorro et al .

(,19 registraron en sedimentos cercanos a esta industria presencia de algunos grupos

de e$tractivos de la madera como terpenos (monoterpenos* sesquiterpenos y diterpenos*

esteroles y compuestos derivados de "cidos resínicos ("cidos de resina* resultados que

concuerdan con estudios previos (6hamorro et al * ,1,a* b. :a retención de estos

compuestos se relacionó a la alta concentración de materia org"nica en los sedimentos*

sugiriendo adem"s que la presencia de "cidos de resina puede deberse a la

biodegradación de "cidos resínicos durante el tratamiento secundario de estos

efluentes o por su temprana diagénesis en sedimentos (0avendale et al .* 1HH8.

1.1.+Tratamiento de efluentes de la industria de celulosa kraft y papel y toxicidad


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biológicos* ya sea de tipo aeróbico o anaeróbicoKaeróbico* siendo los m"s utili!ados los

de tipo aeróbico convencionales como las lagunas aireadas y lodos activados*

mediante los cuales ha sido posible obtener eliminaciones de carga org"nica y

to$icidad aguda

de estos efluentes.

1.1.+.1 Tratamiento secundario de efluentes de la industria de celulosa kraft y papel por

sistemas de tipo aeróbicos

E$isten relaciones que determinan la biodegradabilidad del efluente* 0hompson et al.

(,,1 mencionan que relaciones de 2&K & entre ,*+ - ,* permiten que estos

efluentes sean tratados biológicamente. :a 0abla + muestra las tecnologías utili!adas en

el tratamiento de estos

efluentes mencionando dentro de las tecnologías convencionalesde tratamiento las lagunas aireadas y lodos activados. Estas tecnologías se caracteri!an

por su eficiencia en eliminación de

2& y &* sobre el H, / y entre 9, - A8 /*

respectivamente* como también por la eliminación de to$icidad aguda asociada a

compuestos org"nicos (%avia et al .* ,,9? Dostamo et al .* ,,+? 3okhrel 4

5iraraghavan* ,,+. 0hompson et al . (,,1 estudió diferentes tratamientos utili!ados

en efluentes de la industria de celulosa kraft* mencionando a las lagunas aireadas y lodos

activados como los procesos m"s utili!ados para minimi!ar las descargas al ambiente.:as lagunas aireadas y lodos activados se caracteri!an por operar con tiempos de

retención hidr"ulicos (0I' entre 9*1 - +* h y H*J - +*A h* respectivamente

(0hompson et al .* ,,1? 2elmonte et al .* ,,A? Dostamo et al.* ,,+. Estos sistemas

requieren para la o$idación microbiana de la materia org"nica entre 9, - 1,, mg &K

: (3okhrel 4 5iraraghavan* ,,+ y mediante lagunas aireadas* se han observado

eliminaciones entre 89 - H / y 9, - A, / para 2& y &* respectivamente

()chnell et al .* ,,,? 2elmonte et al .* ,,A mientras que con

lodos activados se hanobtenido eficiencias de eliminación entre 89* Q HH* / para 2& y 9,*9

- A8*, / para & (ie! et al.* ,,. :os requerimientos actuales en las plantas de

tratamiento de aguas residuales industriales han obligado a esta industria implementar

nuevas tecnologías que puedan ser construidas en un menor espacio y similares en

eficiencias a los sistemas convencionales antes mencionados. 3or lo cual en la actualidad

e$isten implementados de forma e$itosa para el tratamiento de estos efluentes*

sistemas de tipo aeróbico de biomasa adherida como son los biorreactores de


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biopelícula de lecho móvil (>22I. :os >22I son reactores de me!cla completa

que mediante difusores de aire introducen burbu#as al sistema desde el fondo del

reactor* donde la biomasa est" adherida a un soporte inerte o carriers con una densidad

de

cerca 1 gK cm9 que les permite moverse f"cilmente en el reactor* incluso hastafracción de llenado del 8,/ (&degaard* ,,,? 3okhrel 4 5iraraghavan* ,,+?

5illamar et al .* ,,H. entro de las venta#as que presentan los >22I se mencionan;

evitar recirculación de lodos* permitir alta concentración de biomasa* capacidad de

eliminar altas concentraciones de contaminantes org"nicos presentes en estos efluentes*

mayor estabilidad del sistema y obtención de lodos de me#ores características

(Iunsten et al .* 1HH+? &degaard* ,,,? 5illamar et al .* ,,H. En los >22I se han

obtenido eliminaciones entre J*, - HH*, / y +*, - A,*, / para 2& y &*

adem"s de eliminación de nutrientes (%itrógeno; %* Fósforo; 3* siendo estas de 1H*, /

% y 8*

/ 3* con 0I' que varían entre +*J - +J h (2orchLue et al .* 1HH8? Rahren et al .* ,,?

5illamar et al .* ,,H. :a eliminación de to$icidad crónica en estos efluentes ha sido

reali!ada principalmente en lagunas aireadas y lodos activados* obteniendo eficiencias

de eliminación de fitoesteroles entre 9*, - 1,, / y +,*, - H,*, / para lodos

activados y lagunas aireadas* respectivamente ()trSmberg et al .* 1HHA? 6ook et al .*

1HH8? Dostamo 4 Dukkonen* ,,9? Dostamo et al .* ,,+?

Bavier et al .* ,,H. )in

embargo* 6hamorro et al . (,1,a registraron en >22I eliminación de to$icidad

crónica determinada como eliminación de actividad estrogénica con valores entre J,*, -

J9*, /. pesar de las eficiencias en eliminación de to$icidad crónica antes

mencionada* no es

claro si estas eficiencias se deben a su biodegradación*

transformación química yKo adsorción en el lodo biológico (Fern"nde! et al .* ,,8?


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acumulada por adsorción en lodos fue de un / y J / para 0I' de d y 1 d*

respectivamente* sugiriendo que el grupo de fitoesteroles

específicamente el MLsitoesterol

es uno de los responsables de actividad estrogénica. :a falta de biodegración de estos

compuestos en los sistemas de tratamiento permitir"n a través de estos efluentes unavía de ingreso de compuestos con to$icidad en ecosistemas acu"ticos* siendo posible la

asociación de estos con partículas o materia org"nica disuelta y almacenamiento en los

sedimentos (&rrego et al .* ,,? &rrego et al .* ,,A* 6hamorro et al .* ,19. )in

embargo* por ingesta o por procesos de adsorción estos compuestos pueden ser

biacumulados* permitiendo la circulación de compuestos con to$icidada través de las

cadenas alimentarias (Fern"nde! et al .* ,,8.


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1.1.+. Tratamientos terciarios en efluentes de la industria celulosa kraft y papel

En la actualidad* algunas industrias de celulosa kraft y papel utili!an como

tratamiento terciario procesos de precipitación química con el propósito de eliminar

color del efluente. El color de los efluentes es atribuido a la presencia de

compuestos recalcitrantes* tales como e$tractivos de la madera* taninos* lignina*

derivados de lignina* entre otros y generalmente estos contaminantes se

encuentran

como materiales en suspensión* coloidales o disueltos ()tephenson 4 uff* 1HHAa.

:a precipitación química se basa en la adición de sales de aluminio o hierro los

cuales act@an como coagulantes* mediante la desestabili!ación de la suspensión

coloidal y su floculación

posterior. :a eficiencia del tratamiento puede ser alterada

por fluctuaciones de p'* dosis del coagulante y el tiempo (=esterhoff et al .* ,,.

Estudios reali!ados específicamente en efluentes de celulosa kraft* determinaron

eliminación de 6arbono 0otal (60* color y turbide! del JJ /* H, /* HJ /*

respectivamente. Estos resultados fueron obtenidos con rangos de p' entre +*, - A*

para cloruro férrico (Fe6l9* sobre 8*+ para sulfato ferroso (Fe)&+* *, - A*, para

cloruro de aluminio (l6l9 y *J L A*J para sulfato de aluminio (l()&+9

()tephenson 4 uff

(1HHAb. pesar de las eficiencias obtenidas mediante


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precipitación química* este tratamiento presenta desventa#as tales como las altas

dosis de coagulantes utili!ados y generación de una fase sólida* en la cual se

encuentran los compuestos precipitados tales como &B y e$tractivos de la madera

como "cidos resínicos* fitoesteroles* entre otros y que deber" ser dispuesta

()tephenson 4 uff* 1HHAa.

3or lo antes mencionado* como alternativa para el tratamiento terciario* debido a la ba#a

eficacia y falta de estudios de la eliminación de to$icidaden precipitación química*

los 3rocesos de &$idación van!ada (3&s son una alternativa al tratamiento de

los efluentes provenientes de los sistemas biológicos* con el propósito de eliminar la

materia org"nica recalcitrante (6atalkaya

4 Dargi* ,,J y la to$icidad crónica presente en estos efluentes.

:os 3&s han sido aplicados especialmente en donde los métodos convencionales

pierden eficiencia (ltesor et al .* ,,J pudiendo utili!arse solos o combinados

(>arco et al.* 1HH8? 2i#an

4 >ohseni* ,,? Forero et al .* ,,8. :os 3&s est"n basados en procesos

químicos* capaces de producir cambios en la estructura química de los

contaminantes mediante la generación de

radicales hidro$ilos &'T y adición de "tomos de o$ígeno generando radicales

peró$idos* iniciando con ello la degradación o$idativa de compuestos recalcitrantes

obteniendo como productos finales de reacción 6&* '& y sales (>uUo! et al .*

,,A. E$isten diversos agentes o$idantes* siendo el fl@or el de mayor potencial de

reducción (9*,9 mientras que el m"s ba#o es el cloro (1*9A (0abla .


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Entre las principales tecnologías de o$idación avan!ada se encuentran los sistemas

homogéneos

y sistemas heterogéneos* con generación de radicales con o sin

irradiación ultravioleta (75. 6abe mencionar entre los sistemas homogéneos* los sin

irradiación como; o!oni!ación (&9* &9K '&* Fenton ('&K FeV y con irradiación;

&9K 75* 75K '&* fotoLFenton (75K '&K FeV. En el caso de sistemas

heterogéneos* se encuentran 75K 0i&* 75K Wn&* 75K '&K 0i&* &K 75K Wn&*

&9K 75K Wn& entre otros (>asten 4 avies* 1HH+? ndreo!!i et al .* 1HHH? Fontanier

et al .* ,,A? ssalin et al .* ,,H.

Estudios previos han demostrado que 3&s incrementan la eliminación de

contaminantes emergentes a los cuales se les ha atribuido to$icidad crónica del tipo

endocrino mencionando entre estos compuestos; productos farmacéuticos*

productos de cuidado personal (3363* surfactantes* entre otros (Xing et al .* ,,+?

Xoon et al .* ,,A? 2olong et al .* ,,H. En efluentes de la industria forestal* se han

estudiado la aplicación de &9* &9K 75* &9K '&* Fenton* fotoL Fenton* 75K '& y

75K 0i& para la eliminación del contenido de carga org"nica y de la to$icidad

presente en estos efluentes. Es así como con procesos de 75K 0i& se han obtenido


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eliminaciones de 8H*A/ y H+/ para 6&0 y to$icidad* respectivamente (>uUo! et

al.* ,,A? 6atalkaya 4 Dargi* ,,J. 3ara el caso del &9* mat et al. (,,

mencionan que la o$idación es viable* obteniendo una completa degradación de

productos de la lignina (compuestos fenólicos y una disminución de carga org"nica

de hasta un 8A / para &* del 1 / para 6&0 y de entre 9A*, y H,*, / para los

"cidos resínicos (Fontanier et al .* ,,A? :edakoGics et al .* ,,A? Eskelinen et al.,

,1,. Estos resultados se deben a que el &9 una ve! disuelto en agua puede

reaccionar con muchos compuestos org"nicos mediante dos vías; por reacción directa

del o!ono molecular o indirecta a través de la formación de o$idantes secundarios*

especialmente especies de radicales libres (Iodrígue! et al .* ,,J. dem"s* se han

reali!ados estudios de &9 en combinación con lu! 75 y con sistemas biológicos*

obteniendo para esta @ltima combinación eliminaciones del 8* /* H*1 /* 88*, / y

*9 / de &* 6&0* color y fenoles totales respectivamente* permitiendo adem"s

la conversión de moléculas de alto peso molecular (1,.,,, a a moléculas de ba#o

peso molecular (1.,,, a (ssalin et al * ,,H? 2i#an 4 >ohseni.* ,,. >ansilla et

al. (1HH8 reali!aron estudios con &9* &9K 75* &K Wn&K 75* &K 0i&K 75 y &9K

Wn&K 75* obteniendo para los dos primeros* una eliminación de un 9, / de color

después de 1 minutos de reacción* sin cambio significativo de p' (H* - 1,*J*

adem"s de una eliminación de & del , /. En el caso de &K Wn&K 75* &K 0i&K

75* &9K Wn&K 75* obtuvieron una disminución de color (+, /* en el primer minuto

de tratamiento* con disminuciones de p' de 1,*J a J y una eficiencia en eliminación

de & del , /. 3ara el caso de la 2&* en ambos casos e$iste un incremento de

esta* la cual se e$plica por la o$idación de compuestos con alto peso molecular a

compuestos m"s biodegradables. 3ara el caso de Fenton y fotoLFenton se han

registrado eliminaciones de & mayores al A, /* , Q HA / para 6&0* J Q J /

para color y del J8 / para MLsitoesterol (3ére! et al.* ,,? 0orrades et al .* ,,9?

3ére! et al .* ,,8? Eskelinen et al., ,1, y cuando se ha aplicado 75 K'& se han

registrado eliminaciones del 8+ /* +1 / y entre J - + /* para &* color y 6&0*

respectivamente (6atalkaya 4 Dargi* ,,8.

3or lo antes mencionado* debido a las venta#as que presentan los 3&s en

comparación a los tratamientos terciarios de tipo convencional* podrían ser un

tratamiento efectivo para la eliminación de compuestos con to$icidad crónica

presentes en estos efluentes (Forero et al .* ,,8. Esto se debe a que incrementan


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la biodegradabilidad de los efluentes* aumentando la

relación 2&K &* ya que

eliminan materia org"nica y compuestos recalcitrantes ('ostachy et al .* 1HH8? 2i#an 4

>ohseni* ,,? Fontanier et al .* ,,A? Iodrígue! et al .* ,,J.

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