Química Aplicada. QAP0001 Licenciatura em Química Prof a. Dr a. Carla Dalmolin

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David di Azevedo Pacheco
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1 Química Aplicada QAP0001 Licenciatura em Química Prof a. Dr a. Carla Dalmolin Celulose e Papel

2 Histórico Pré-História: necessidade de representar objetos Desenhos em superfícies de diferentes materiais ac Pedra ac Grécia e Roma Antiga: Chapas metálicas Mesopotâmia / Babilônia: Educação obrigatória grande demanda pela escrita: tábuas de argila Egito: Papiro (tiras extraídas do caule da planta) Turquia: Pergaminho (em alternativa à escassez do papiro), parte interna da pele de carneiro, ideal para instrumentos de escrita pontiagudos China: Seda (alternativa para ser utilizado com o pincel) 105 ac: o alto custo da Seda promoveu o desenvolvimento de uma pasta de fibras maceradas preparada sobre tela de pano

3 Histórico Árabes e Chineses disseminaram a escrita Séc. X: Primeiros moinhos papeleiros na Europa, utilizando como base fibras de algodão e de linho 1719: René de Réaumur (entomologista) a partir do estudo de ninhos de vespas, observou uma estrutura semelhante à pasta produzida pelos papeleiros e propôs a substituição da fibra de algodão pela celulose extraída da madeira Cor parda baixo efeito estético 1744: Karl Scheele isolou a molécula do cloro e revelou seus efeitos alvejantes Produção de papel branco a partir de qualquer madeira.

4 O Papel no Séc. XX e XXI Crescimento dos Centros Urbanos Aumento da demanda por papel Escassez de matéria-prima Desenvolvimento de Tecnologias mais Eficientes Processos de Reciclagem Aumento da demanda por papel Redução de custos

5 Madeira A principal matéria-prima para a produção de papel são as fibras vegetais. A principal fonte de fibras vegetais é a madeira Gimnospermas ou coníferas (madeiras moles): pinheiro Angiospermas ou folhosas (madeiras duras): eucalipto Celulose de coníferas Fibras longas (3 a 5 mm) São mais escassas (maior valor de mercado) Maior resistência mecânica Próprias para papéis de embalagens Menor rendimento em papel Celulose de folhosas Fibras curtas (0,8 a 1,5 mm) Mais macias Menor resistência mecânica Maior opacidade (filme fechado) Próprias para papéis de impressão e escrita Maior rendimento em papel

6 Produção de Celulose no Brasil Condições climáticas favoráveis Alta produtividade tanto de pinus quanto de eucalipto

7 Celulose Hemicelulose Lignina Composição da Madeira

8 Celulose Principal componente da parede celular da biomassa vegetal (~50% da massa do vegetal) Polímero da glicose Estrutura linear Alta massa molar Insolúvel em água Glicose

9 Hemicelulose Oligômeros da glicose Mistura de polissacarídeos de baixa massa molar Representa cerca de 20% da massa do vegetal

10 Lignina Mistura de polímeros amorfos Não foi totalmente caracterizada É o ligante que matem as fibras unidas na estrutura da madeira Confere firmeza e rigidez ao conjunto Resistente à hidrólise ácida e alta reatividade com agentes oxidantes 15 35% da massa do vegetal

11 Constituintes Minoritários Cerca de 10% da massa do vegetal Componentes orgânicos e inorgânicos Extrativos ou não extrativos Os componentes extrativos: são extraíveis com água, solventes neutros ou volatizados a vapor Componentes não extrativos: não são extraídos por estas metodologias Compostos inorgânicos Proteínas Substâncias pécticas

12 Obtenção do Papel Troncos de rvoresء Folhas (sisal) Frutos (algodمo) Rejeitos Industriais (bagaço de cana, palha de arroz, etc.) Principal matéria-prima é a celulose 95% 1% 2%2% Para fins especiais, podem ser usadas: Fibras de origem animal: lã Fibras minerais: amianto Fibras sintéticas: poliéster, poliamida, etc. O primeiro passo é a obtenção de uma pasta de celulose: fibras de celulose separadas da lignina, seguida do branqueamento. Método mecânico: uso apenas do atrito para desagregar as fibras Método termomecânico: o atrito mecânico é facilitado pela saturação das fibras com vapor d água Método químico: uso de vapor, pressão e produtos químicos Método termoquímico-mecânico: Processo Kraft

13 Processo Kraft Neste processo, a separação das fibras pelo atrito mecânico é facilitada com a saturação por vapor d água e adição de produtos químicos Kraft: palavra de origem sueca/alemã, que significa força, resistência Também chamado de Processo Sulfato ou Sulfito, dependendo dos reagentes utilizados Preparação da Madeira Corte em cavacos Cozimento Saturação com vapor e licor branco (NaOH + Na 2 S) Lavagem Alcalina Formação da massa celulósica Branqueamento Secagem Embalagem Fabricação do papel

14 Preparação da Madeira Transformação da madeira em cavacos Aumento da superfície de contato A madeira deve ser descascada Pouca quantidade de fibras na casca Maior consumo de reagentes químicos Ocupação de espaço útil nos digestores Redução de propriedades físicas / aspecto visual do produto final As cascas podem ser deixadas na floresta para formação de húmus ou queimada em fornalhas para geração de vapor (4.000 kcal/kg)

15 Preparação da Madeira As toras de madeira descascada são lavadas e levadas ao picador Facilita o processo de corte Elimina impurezas (areia e terra) que podem desgastar as facas

16 Cozimento Os cavacos de madeira são submetidos à ação do licor branco e vapor d água Madeira + Licor branco (NaOH + Na 2 S) celulose + Licor negro ~2 horas, a 170 o C Hidrólise alcalina da lignina entre as fibras da madeira (celulose)

17 Lavagem Alcalina Separação dos produtos de baixa massa molar, formados na hidrólise da lignina, solúveis em meio alcalino Cozimento Massa de celulose + lignina Restos não cozidos Depuração grossa Ação de peneiramento Lavagem com filtros rotativos 2 3 estágios Licor negro fraco Unidade de Recuperação Celulose Depuração Branqueamento Fabricação

18 Tratamento do Licor Negro Ca(OH) 2 + Na 2 CO 3 CaCO NaOH (ou licor verde) Na 2 CO 3 + Na 2 S

19 Branqueamento Clareamento da polpa marrom obtida no cozimento: retirada dos restos de lignina que não foram removidos na etapa de lavagem O número de etapas é determinado pelo grau de brancura desejado A maioria dos reagentes utilizados são compostos oxidantes Cloro Oxigênio Hipoclorito de sódio Peróxido de hidrogênio Dióxido de cloro: mais seletivo e eficaz Ozônio: mais recente

20 Identificação Os produtos utilizados nos processos de branqueamento são representados por símbolos, de modo que um processo combinado desses produtos é normalmente representado por uma sigla com os símbolos referentes a cada produto ou processo: Cloro C (cloração) NaOH E (extração alcalina); EO (extração alcalina com oxigênio) NaClO H (hipocloração) ClO 2 D (dioxidação) H 2 O 2 P (peroxidação) O 2 O (oxigênio) O 3 Z (ozonização) Ex.: CEHD processo combinado de cloração extração alcalina hipocloração dioxidação, com lavagem da pasta entre cada estágio Se houver uma barra entre dois estágios (CEH/D), não há lavagem entre eles

21 Questões Ambientais Formação de compostos voláteis de enxofre (mercaptanas) que se formam durante a remoção da lignina Equipamentos de desodorização e caldeiras de recuperação Monitoramento contínuo das emissões gasosas Formação de compostos organoclorados: reação da lignina com os agentes de branqueamento Substituição de produtos clorados por H 2 O 2, O 2 e O 3 Proibição (em alguns países) de gerar ou importar papel branqueado com cloro ECF (Elementary Chlorine Free): utiliza ClO 2 TCF (Total Chlorine Free): não utiliza nenhum produto clorado ECF vs. TCF Estudos apontam que o efluente de ambos os processos, quando tratado, não possui diferença significativa, sendo ambos de baixíssimo impacto ambiental. Aplicações industriais têm apontado para uma redução na emissão de óxidos de nitrogênio (NO e NO 2 ) na mudança do processo TCF para o processo ECF.

22 Secagem Mesa de deságue Prensas primárias Prensas secundárias Perda de aprox. 50 % da água

23 Túnel secador Secagem

24 Fabricação do Papel Adição de carga mineral à celulose para conferir opacidade Caulim (silicato de alumínio) CaCO 3 TiO 2 A massa de celulose é diluída em água e depois passa novamente pelos processos de drenagem (prensagem e secagem) A água recuperada nesse processo é reaproveitada para novas diluições Para papéis mais resistentes, há uma etapa de colagem entre os processos de secagens A folha passa por uma prensa de colagem, depositando uma película de cola sobre a superfície do papel

25 Fabricação do Papel

26 Reciclagem do Papel

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