EFEITO DA SECAGEM CONVECTIVA NAS PROPRIEDADES FÍSICAS DE PAPEL RECICLADO COM INCORPORAÇÃO DE URUCUM

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1 EFEITO DA SECAGEM CONVECTIVA NAS PROPRIEDADES FÍSICAS DE PAPEL RECICLADO COM INCORPORAÇÃO DE URUCUM M. G. A., Vieira; M. L., Verzola; N. D. L., González; S. B., Badra; S. C. S., Rocha Endereço: Av. Albert Einstein, 500, Cidade Universitária Zeferino Vaz, Campinas- SP , Brazil - Tel: Fax: marinaverzola@gmail.com Local de trabalho: Laboratório de Engenharia e Processos Ambientais- LEPA- Faculdade de Engenharia Química (FEQ)- Unicamp. RESUMO A indústria papeleira gera um grande volume de resíduos prejudiciais ao meio- ambiente. Nas últimas décadas, a reciclagem mostrou- se uma alternativa na redução de matérias- primas na produção de papel. Uma forma de agregar valor ao papel reciclado é a incorporação de corantes naturais. Além de dar características especiais aos papéis, esses corantes ganham uma nova possibilidade de aplicação. Nesse trabalho, papel de escritório foi reciclado com a incorporação do corante natural urucum. A secagem da polpa foi feita em secador convectivo descontínuo para secagem de polpas em formato de folhas instalado no Laboratório de Fluidodinâmica e Secagem (LFS) da Faculdade de Engenharia Química da UNICAMP. As características do papel, como espessura, gramatura, teor de umidade e resistência à tração, foram analisadas variando as condições de secagem (velocidade e temperatura). Este estudo tem um apelo ao desenvolvimento sustentável, pois o secador utilizado pode ser instalado em cooperativas de reciclagem. PALAVRAS-CHAVES: papel, reciclagem, corante, urucum, secagem. INTRODUÇÃO O papel é um objeto de grande importância, apesar de sua simplicidade devido à amplitude de uso em diversas áreas, como jornais e revistas, artigos de higiene e o papel moeda. O papel como hoje é conhecido foi criado na China em 105 a.c. e teve como antecessores, o papiro e o pergaminho (1).

2 Como é um produto muito utilizado, há um investimento significativo no processo de produção para diminuir custos e aumentar a qualidade final do produto. Um setor importante a ser explorado é o de reciclagem de papel, que visa à preservação de matéria prima, em geral árvores que fornecem as fibras de celulose, principal constituinte do papel. Tanto no processo de produção do papel, quanto do papel reciclado, uma das principais etapas é a de secagem que em ambos os casos é a etapa que consome maior quantidade de energia e influencia nas características do produto final. A secagem pode se dar de duas maneiras, de forma natural e de forma forçada, na última pode-se controlar as condições de secagem com maior precisão tendo assim um melhor controle sobre a qualidade do produto final (2), (3). Para tornar o produto mais atraente ao consumidor, em muitos casos pode-se incorporar corantes ao papel. Em geral são utilizados corantes sintéticos que em sua maioria agride o ambiente, porém existe a alternativa dos corantes naturais, uma área ainda pouco explorada. Os corantes sintéticos são preferidos aos naturais, pois são de mais fácil obtenção e possuem maior estabilidade, daí a importância do estudo dos corantes naturais em suas diversas possibilidades. Nesse estudo foi usado o corante natural de Urucum. O corante é encontrado e extraído do revestimento da parede externa das sementes de Bixa orellana, uma planta nativa da América do Sul. É constituído em sua maioria, cerca de 80% de bixina, um monometilester do ácido carboxílico da norbixina. O corante não se apresenta estável na presença de luz e oxigênio atmosférico (4). Sua principal aplicação está na indústria de alimentos, pois o corante se combina bem com proteínas, apresentando uma coloração estável (5). MATERIAIS E MÉTODOS Materiais Neste trabalho utilizou-se polpa de celulose feita a partir de papel sulfite tingido a toner, oriundo de atividades de escritório, com gramatura de 75 g/m 2. Para a preparação da polpa foram adicionados amido de mandioca, carboximetil celulose (CMC- agente adesivo) (1,25g de cada reagente /30g de papel) e corante líquido de Urucum (3g / 30g de papel).

3 Sistema experimental Cinética de secagem: utilizou-se um secador convectivo instalado no Laboratório de Fluidodinâmica e Secagem do DEPro/FEQ/UNICAMP. O secador foi fabricado em chapa de aço inoxidável galvanizado e tem suporte para 5 telas com capacidade de uma folha de papel (10 cm x 10 cm) por tela. Estas telas são inseridas nas aberturas da parte superior da câmara de secagem. As telas são constituídas de telas rígidas de aço na parte externa com 2 mm de abertura e, na parte interna, de uma tela de Mesh 150 com o objetivo de reter a polpa de papel (6). A Figura 1 ilustra o esquema do sistema experimental utilizado para a secagem convectiva da polpa de papel. O ar é fornecido por um compressor radial CRE03, 2 cv (1). A vazão do ar é controlada por uma válvula globo (2) e em seguida passa por um leito de sílica gel a fim de reduzir a umidade relativa do ar de entrada no secador (3). A vazão de ar é medida por um conjunto da pressão estática na linha (4) e a queda de pressão na placa de orifício (5), acoplados a dois manômetros diferenciais de água em forma de U (6). O ar passa por um aquecedor elétrico composto por um conjunto de resistências (7). O ar quente e seco passa por um distribuidor de ar e chega à câmara de secagem (8), atravessando a câmara em paralelo às telas. A temperatura da tela que suporta a polpa de papel é obtida por indicadores de temperatura conectados às telas (9). Dois termohigrômetros (10) são acoplados na entrada e na saída do secador, para a medição da temperatura e da umidade relativa do agente de secagem. Durante o estudo da cinética, a perda de massa da umidade evaporada é quantificada em uma balança analítica (11). A câmara de secagem é isolada a fim de se reduzir a perda de calor para o ambiente. 1- Soprador 2- Válvula globo 3- Leito de sílica 4- Tomada de pressão estática 5- Placa de orifício 6- Manômetros diferenciais 7- Aquecedor elétrico 8- Câmara de secagem 9- Indicador de temperatura 10- Termohigrômetro 11- Balança analítica Figura 1. Esquema do sistema experimental de secagem (VIEIRA, 2006).

4 Para analisar o efeito das condições de secagem na qualidade do papel, foram realizados em três condições operacionais, mostradas na Tabela 1. Tabela 1. Codificação das condições do ar de secagem. Codificação T ar ( o C) V ar (m/s) 0,3 0,5 0,7 As curvas de secagem foram construídas com os dados de X/X 0 em função do tempo. A taxa inicial de secagem foi determinada traçando-se uma reta tangente ao primeiro ponto da curva de cinética (X/X 0 = 1). A taxa de secagem constante foi obtida através da derivada da curva de secagem, aproximando- se para uma reta os pontos desse período. Espessura: para a realização das medidas referentes à espessura do papel foi utilizado um micrômetro (marca Mitutoyo ), sendo realizadas dez medições para cada folha de amostra. Gramatura: as amostras foram cortadas em quadrados. Estes tiveram sua área medida com um paquímetro digital (marca Mitutoyo, modelo B) e foram pesados individualmente em uma balança analítica. Para cada folha de amostra foram realizadas 7 medições. Alongamento, Resistência à Tração e Índice de Tração: cada folha de amostra foi cortada em tiras de 1,5 cm de largura com estilete e régua. As tiras obtidas foram testadas em um texturômetro (marca Stable Micro System, modelo TA. XT, Plus). RESULTADOS E DISCUSSÃO Os resultados a seguir referem- se aos ensaios realizados nas condições (-1, -1), (0, 0) e (+1, +1). O teste de Tukey foi usado para verificar se os valores obtidos diferem significativamente em um intervalo de confiança de 95%. As médias com as mesmas letras no expoente não diferem significativamente ao nível de probabilidade de 5%. Os resultados do estudo da secagem convectiva e propriedades físicas aqui apresentados são os relativos à tela n o 3 (tela central do secador) de forma representativa para as demais telas.

5 Cinética de secagem A Figura 2 mostra as curvas de secagem para os ensaios realizados. Como esperado, o aumento das condições de temperatura e velocidade influenciaram positivamente no processo de secagem, diminuindo o tempo que esse leva. As curvas mostram uma fase inicial de secagem rápida, aproximadamente nos primeiros cinco minutos do processo. Em seguida, há o período de secagem à taxa constante, caracterizada pela eliminação de umidade superficial livre presente no material. Nos últimos minutos de secagem, vê- se um período de taxa decrescente, em que a umidade removida não é mais do tipo superficial Tela 3 Ensaio (-1; -1) Tela 3 Ensaio (0; 0) Tela 3 Ensaio (+1; +1) 0.6 X/X t (min) Figura 2. Curvas de secagem para a tela 3. secagem. Gramatura A Tabela 2 e a Figura 3 mostram os resultados obtidos para a gramatura da tela 3 nos ensaios de Tabela 2. Resultados da análise da gramatura (g/m 2 ) para a tela 3. Condição operacional Média Desvio (A) (-1; -1) 219,10 a 21,76 (B) (0;0) 191,01 b,c 12,54 (C) (+1; +1) 199,35 b,c 13,62

6 Gramatura (g/m 2 ) TTT VI Conferência Brasileira sobre Temas de Tratamento Térmico O teste de Tukey mostra que as gramaturas não diferem estatisticamente na condição central de secagem (80 o C; 0,5 m/s) e para a mais severa (90 o C; 0,7 m/s). O maior valor médio de gramatura foi observado para a condição mais branda de secagem (70 o C; 0,3 m/s). Na Figura 3 não se observa uma tendência clara do comportamento da propriedade com a mudança das condições operacionais A B C Condiçoes de secagem Tela 3 Figura 3. Influência das condições de secagem na gramatura da tela 3. Legenda: A: (-1, -1); B: (0, 0); C: (-1, -1). Espessura Na Tabela 3 e Figura 4 são mostrados os dados referentes à análise da espessura na tela 3. Tabela 3. Análise da espessura (mm) da tela 3. Condição operacional Média Desvio (A) (-1; -1) 0,669 a,b 0,057 (B) (0;0) 0,661 a,b 0,063 (C) (+1; +1) 0,598 c 0,052

7 Espessura (mm) TTT VI Conferência Brasileira sobre Temas de Tratamento Térmico O teste de Tukey mostra que a gramatura não difere estatisticamente na condição mais branda e na condição central de secagem. Na condição mais drástica, o papel apresentou uma menor espessura. Analisando a Figura 3, há uma tendência de diminuição da espessura da folha de papel com o aumento das condições operacionais de secagem. Observa- se que o papel obtido na condição mais branda de secagem apresentou os maiores valores de gramatura e espessura Tela A B C Condiçoes de secagem Figura 4. Influência das condições de secagem na espessura da tela 3. Legenda: A: (-1, -1); B: (0, 0); C: (-1, -1). Alongamento, resistência à tração e índice de tração Os resultados obtidos nos ensaios de tração são apresentados na Tabela 4 e na Figura 5. Tabela 4. Resultados da análise de resistência à tração e alongamento para a tela 3. Condição operacional Resistência à tração Alongamento Índice de tração (kn/m) (%) (Nm/g) Média Desvio Média Desvio (A) (-1; -1) 6,12 a,b,c 1,18 1,83 a,b,c 0,32 26,89 (B) (0; 0) 7,08 a,b,c 1,59 2,04 a,b,c 0,28 35,76 (C) (+1; +1) 7,72 a,b,c 0,98 2,24 a,b,c 0,23 37,06

8 Resistência à traçمo (kn/m) Alongamento (%) TTT VI Conferência Brasileira sobre Temas de Tratamento Térmico Na Tabela 4 o teste de Tukey mostra que a resistência à tração nos ensaios realizados não difere estatisticamente. Embora não haja uma diferença significativa entre os valores obtidos na Figura 5 (a), percebe-se uma tendência de aumento da resistência à tração com o aumento das condições operacionais de secagem. Para o alongamento, os valores obtidos também não diferem estatisticamente entre si. O gráfico apresentado na Figura 5 (b) não mostra uma tendência para o comportamento da propriedade com a mudança da temperatura e velocidade do ar de secagem, indicando que essa pode não ser afetada pela variação das condições operacionais Tela Tela A B C Condiçoes de secagem 0.0 A B C Condiçoes de secagem (a) (b) Figura 5. (a) Influência das condições de secagem na resistência à tração para a tela 3; (b). Influência das condições de secagem no alongamento para a tela 3. Legenda: A: (-1, -1); B: (0, 0); C: (-1, -1). O papel cartão encontrado no mercado apresenta índices de tração entre 35 e 54 Nm/g (7). Os valores médios obtidos nesse trabalho estão muito abaixo dessa faixa de valores. Entretanto, esse menor índice não impede o uso desse papel para artesanato e decoração, atividades comuns em cooperativas de reciclagem.

9 Teor de umidade A Tabela 5 apresenta o teor de umidade para o papel obtido em cada ensaio para a tela 3. Tabela 5- Teor de umidade (kg/kg) para a tela 3. Condição operacional Média Desvio A(-1; -1) 0,0260 0,0048 B(0;0) 0,0159 0,0024 C(+1; +1) 0,0256 0,0021 Esses valores mostram que a secagem convectiva do papel foi eficiente em todas as condições operacionais. O desvio calculado a partir da média de cinco medições é alto, comparado com o valor médio do teor de umidade. Entretanto, levando-se em conta que esse desvio é oriundo da não uniformidade da umidade presente na folha de papel seco, esses desvios podem ser considerados baixos. CONCLUSÕES A temperatura e a velocidade do ar de secagem influenciam positivamente na secagem convectiva do papel, diminuindo o tempo de secagem. O processo de secagem convectiva é eficiente, uma vez que o teor de umidade da folha seca é baixo. A gramatura média da folha foi maior para a condição de secagem mais branda, entretanto não se observou uma tendência no comportamento dessa grandeza com a mudança das condições operacionais. Há uma tendência de diminuição da espessura da folha com o aumento das condições operacionais. O maior valor de espessura foi observado para a condição que apresentou a maior gramatura média. A resistência à tração apresenta uma tendência crescente com o aumento das condições de secagem. O alongamento, assim como a gramatura média, não apresentou uma tendência de comportamento de acordo com a velocidade e a temperatura do ar de secagem.

10 Os valores de índice de tração do papel reciclado com incorporação de corante natural de Urucum obtido neste trabalho são menores em relação aos de papel cartão encontrado no mercado. Entretanto, isso não inviabiliza o uso para atividades como artesanato e decoração. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem ao CNPq, a FAPESP e ao SAE/UNICAMP pelo apoio financeiro. REFERÊNCIAS 1. ASUNCIÓN, J. The Complete Book of Papermeking. Nova York: Lark Books (2003), p MOTTA LIMA, O.C.; PEREIRA, N.C.; MENDES, E.S. Análise de cinética de papel artesanal com ar ambiente em convecção forçada. In: Acta Scientiarum (2002). Maringá. Anais. Maringá (2002). 3. VIEIRA, M.G.A; ESTRELLA, L.; ROCHA,S.C.S. Análise da cinética de secagem de papel reciclado em secador convectivo. Congresso Brasileiro de sistemas particulados. Uberlândia (2004). 4. FERREIRA, Vera Lúcia Pupo et al. Cinética da degradação da cor de solução hidrossolúvel comercial de urucum, submetida a tratamentos térmicos. Ciênc. Tecnol. Aliment., Campinas, v. 19, n. 1, Jan. (1999). 5. LEVY, L. W.; RIVADENEIRA, D. M. Natural Food Colorants: Science and Technology. Chicago:Marcel Decker (2000), p VIEIRA, M. G. A., ROCHA, S. C. S. Mathematical modeling of handmade recycled paper drying kinetics and sorption isotherms paper. Brazilian Journal of Chemical Engineering (Impresso), v.25, p (2008). 7. VIEIRA, M. G. A. Análise de secagem de polpa de celulose para obtenção de papel tipo cartão. Tese de doutorado. Campinas: Faculdade de Engenharia Química. UNICAMP, NBR NM ISO : Papel e papelão- Determinação da resistência à tração e alongamento. Método de velocidade constante.

11 TITLE Urucum Effect of the convective drying in the recycled paper physical properties with incorporation of ABSTRACT The paper industry generates a great amount of waste which is prejudicial to the environment. In the past decades, the recycling process has been presented as an alternative to reduce the use of raw material in the paper production. The incorporation of natural dyes to recycled paper aggregates value to the product. Besides giving special characteristics to the paper, those dyes get a whole new application possibility. In this work, regular office paper was recycled with the addiction of the natural dye Urucum. The pulp was dried in a discontinuous convective dryer at the Laboratory of Fluid Dynamics and Drying (LFS), School of Chemical Engineering University, UNICAMP. The paper characteristics, such as, thickness, grammage, moisture content and tension resistance were analyzed changing the drying conditions (air velocity and temperature).this work supports the sustainable development once the dryer used can be installed in recycling cooperatives. KEY-WORDS paper, recycling, dyes, Urucum, drying