Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10316/90206
Title: Estudos de equilíbrio de elementos não-processuais nas condições de branqueamento de pastas kraft de eucalipto
Other Titles: Equilibrium studies of non-process elements in the bleaching conditions of eucalyptus kraft pulps
Authors: Tavares, Ana Rita Almeida
Orientador: Pinheiro, Carolina Tavares
Quina, Margarida Maria João de
Keywords: Branqueamento; Elementos não-processuais; pasta de papel; cálcio; adsorção; Bleaching; non-process elements; paper pulp; calcium; adsorption
Issue Date: 24-Feb-2020
Serial title, monograph or event: Estudos de equilíbrio de elementos não-processuais nas condições de branqueamento de pastas kraft de eucalipto
Place of publication or event: Faculdade de ciências e tecnologias da universidade de Coimbra - Departamento de engenharia química
Abstract: A acumulação de elementos não processuais (NPE) no processo de branqueamento de pasta é uma das principais razões que limita a redução no consumo de água através do fecho dos circuitos internos na indústria da pasta e papel. A presente dissertação teve como objetivo estudar o comportamento de partição dos NPE entre a fibra e a fase líquida, através de processos de adsorção para diferentes condições de operação no branqueamento. Para este efeito, caracterizaram-se algumas pastas provenientes de diferentes estágios do branqueamento: pasta crua (denominada BSW), pré-deslenhificada com oxigénio (p-O2), recolhida antes do primeiro estágio com dióxido de cloro (b-D0), após a extração alcalina (Eop) e totalmente branqueada (D2). Os NPE foram quantificados nestas pastas, tendo sido avaliado o seu comportamento de partição nas pastas p-O2 e D2. As condições de operação utilizadas foram escolhidas de acordo com as tipicamente utilizadas no processo de branqueamento. Assim, caracterizaram-se as pastas quanto à concentração de NPE, sendo o cálcio o elemento em maior concentração. Posteriormente, realizou-se uma lavagem ácida de forma a remover todos os NPE, de modo a simplificar o sistema a utilizar nos testes de adsorção. A eficiência da lavagem ácida foi superior a 90% para todos os NPE. Determinou-se a concentração de grupos carboxílicos e fenólicos, por titulação potenciométrica. Ao longo dos estágios de branqueamento, verificou-se que os grupos carboxílicos variam entre 144,0 e 26 mmol/kg OD, enquanto os fenólicos variam entre 66,33 e 2 mmol/kg OD.Para o estudo do comportamento de partição entre a fibra e o filtrado numa suspensão foram realizados ensaios de adsorção, para os quais se avaliou o efeito da concentração de cálcio, da temperatura e do tipo de pasta. Observou-se que a capacidade de adsorção aumenta com a concentração de adsorvato, para concentrações de cálcio de 500 e 3000 mg/kg OD, indicando que as pastas p-O2 e D2 têm sítios ativos suficientes para adsorver praticamente todo o cálcio presente. Relativamente ao efeito da temperatura (60 e de 80 ºC), ambas as pastas mostraram comportamentos de adsorção semelhantes, não sendo esta variável determinante.Para avaliar o comportamento de equilíbrio entre o cálcio e a pasta, foram determinadas as isotérmicas de adsorção a pH 4, 7 e 10. A isotérmica de Freundlich é a que melhor descreveu os dados experimentais a pH 4 e 7. No entanto, a isotérmica de Langmuir foi melhor no ajuste dos dados obtidos a pH 10, cuja capacidade máxima de adsorção foi de 8,25 mg/g.Com os estudos anteriores foi possível conhecer o comportamento da adsorção de cálcio em sistemas monocomponente. Contudo, no branqueamento, o cálcio encontra-se na presença de outros NPE, havendo competição pelos sítios ativos. Assim, aumentou-se a força iónica do sistema adicionando NaCl à suspensão, e avaliando a adsorção cálcio na presença de sódio. A partir dos resultados inferiu-se que a adsorção de cálcio na pasta diminui significativamente na presença de sódio. Para determinar o tempo necessário para o processo atingir o equilíbrio foram realizados estudos cinéticos, e concluiu-se que ao fim de 2 h o sistema atinge o equilíbrio. Os dados cinéticos, foram modelados através de equações de 1ª e 2ª ordem. Contudo, o modelo de pseudo-segunda ordem apresenta o melhor ajuste. Globalmente, os estudos realizados neste trabalho, permitiram concluir que o pH é a variável com maior relevância na adsorção de NPE, o qual varia significativamente ao longo dos vários estágios de branqueamento. Estas variações afetam a quantidade de NPE adsorvidos e, por sua vez, o potencial de precipitação nas instalações de branqueamento de pasta de papel.
The accumulation of non-process elements (NPE) in various stages of bleaching is one of the main reasons why the pulp and paper industry is unable to reduce water consumption by completely closing its internal circuits. This dissertation aimed to study the partition behaviour of NPE between the fibre and the filtrate through adsorption processes for different bleaching operating conditions. Thus, pulp from different bleaching stages was characterized: raw pulp (called BSW), pre-delignified with oxygen (p-O2), pre-delignified with oxygen (p-O2), collected before the first stage with chlorine dioxide (b-D0), after alkaline extraction (Eop) and fully bleached (D2). The NPE in the pulp were quantified. After that, the partition behaviour between the fibre and the filtrate in a suspension was studied through adsorption processes for p-O2 and D2 pulps. The operating conditions were chosen according to the ones in the bleaching process.The characterization of the pulps showed that calcium is the metallic element with the highest concentration. Then, pulps were acid washed to remove all NPE and quantify the capacity of adsorption. The efficiency of acid washing was over 90% for all NPE. The concentration of carboxylic and phenolic groups was determined by potentiometric titration. Throughout the bleaching stages, the fibre load decreased since the carboxylic groups change between 144,0 and 26 mmol/kg OD, while phenolics switch between 66,33 and 2 mmol / kg OD.The partition behaviour between the fibre and the liquid in the suspension was assessed through adsorption tests. In these tests, the effect of calcium concentration, temperature and the type of pulp were evaluated. Then, it was observed that the adsorption capacity increases for calcium concentrations between 500 and 3000 mg/kg OD, indicating that p-O2 and D2 pulps have enough active sites to adsorb almost all the calcium present. Regarding the studies on the effect of temperature (60 and 80 ºC) both pastes showed similar adsorption behaviour.The adsorption isotherms for calcium were obtained at pH 4, 7 and 10. The Freundlich isotherm described the experimental data at pH 4 and 7, while the Langmuir isotherm was the best fit for data at pH 10, whose maximum adsorption capacity was 8,2523 mg/g.In order to understand the calcium adsorption in the presence of other NPE, the ionic strength of the system was increased by adding NaCl. From these results, it was possible to conclude that the calcium adsorption capacity in the paste decreases with the increase of Na concentration.From the kinetic results, it was observed that after two hours the system reaches the equilibrium. To describe the adsorption kinetics, data were fitted by two kinetic models. The pseudo-second-order model was the best to fit data. Summarizing, this work showed that pH is the most relevant variable in the adsorption of NPE, which varies significantly over the various bleaching stages. These variations affect the amount of NPE adsorbed and the accumulation of these elements in the process units.
Description: Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Química apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia
URI: http://hdl.handle.net/10316/90206
Rights: embargoedAccess
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