Papel de celulose) - Pulp (paper)

Estrutura das fibras da polpa
Celulose em uma fábrica de papel perto de Pensacola, 1947

A polpa é um material fibroso lignocelulósico preparado por separação química ou mecânica das fibras de celulose da madeira , colheitas de fibras , resíduos de papel ou trapos . Misturada com água e outros aditivos químicos ou vegetais, a celulose é a principal matéria-prima usada na fabricação de papel e na produção industrial de outros produtos de papel .

História

Antes da amplamente reconhecida invenção da fabricação de papel por Cai Lun na China por volta de 105 DC, materiais de escrita semelhantes ao papel, como papiro e amate, eram produzidos por civilizações antigas usando materiais vegetais que eram em grande parte não processados. Tiras de casca de árvore ou material de fibra eram tecidas juntas, batidas em folhas ásperas, secas e polidas à mão. A celulose usada na fabricação de papel moderna e tradicional se distingue pelo processo de maceração , que produz uma pasta mais fina e regular de fibras de celulose, que são retiradas da solução por uma tela e secas para formar folhas ou rolos. O papel mais antigo produzido na China consistia em fibras liberianas da planta da amoreira (kozo) junto com trapos de cânhamo e restos de rede. Por volta do século 6, a amoreira foi domesticada por fazendeiros na China especificamente com o propósito de produzir celulose para ser usada no processo de fabricação de papel. Além da amora, a polpa também era feita de bambu , casca de hibisco , sândalo azul , palha e algodão . A fabricação de papel com polpa feita de cânhamo e fibras de linho de roupas esfarrapadas, redes de pesca e sacolas de tecido se espalhou pela Europa no século 13, com um uso cada vez maior de trapos sendo fundamental para a fabricação e acessibilidade de papel de trapo , um fator no desenvolvimento de impressão . Por volta de 1800, as demandas de produção nas indústrias de fabricação e impressão de papel recentemente industrializadas levaram a uma mudança nas matérias-primas, principalmente o uso de madeira para celulose e outros produtos de árvores que hoje representam mais de 95% da produção global de celulose.

O uso de polpa de madeira e a invenção de máquinas automáticas de papel no final do século 18 e início do século 19 contribuíram para o status do papel como uma mercadoria barata nos tempos modernos. Embora alguns dos primeiros exemplos de papel feito de polpa de madeira incluam trabalhos publicados por Jacob Christian Schäffer em 1765 e Matthias Koops em 1800, a produção de papel de madeira em grande escala começou na década de 1840 com desenvolvimentos únicos e simultâneos na polpação mecânica feita por Friedrich Gottlob Keller na Alemanha e por Charles Fenerty na Nova Escócia . PROCESSOS QUÍMICOS rapidamente seguida, primeiro com J. Roth 's utilização de ácido sulfuroso para madeira mimo, em seguida, por Benjamin Tilghman de patente dos EUA na utilização de bissulfito de cálcio , Ca (HSO 3 ) 2 , a polpa de madeira em 1867. Quase um década depois, foi construída a primeira fábrica comercial de celulose sulfito , na Suécia. Ele usava magnésio como contra-íon e foi baseado no trabalho de Carl Daniel Ekman . Em 1900, a polpação com sulfito se tornou o meio dominante de produção de polpa de madeira, superando os métodos de polpação mecânica. O processo de polpação química concorrente, o processo de sulfato, ou kraft , foi desenvolvido por Carl F. Dahl em 1879; a primeira fábrica de kraft começou, na Suécia, em 1890. A invenção da caldeira de recuperação , por GH Tomlinson no início dos anos 1930, permitiu que as fábricas de kraft reciclassem quase todos os seus produtos químicos de celulose. Isso, junto com a capacidade do processo kraft de aceitar uma variedade maior de tipos de madeira e de produzir fibras mais fortes, tornou o processo kraft o processo de polpação dominante, a partir da década de 1940.

A produção global de celulose em 2006 foi de 175 milhões de toneladas (160 milhões de toneladas). No ano anterior, 63 milhões de toneladas (57 milhões de toneladas) de celulose de mercado (não transformada em papel na mesma instalação) foram vendidas, com o Canadá sendo a maior fonte com 21 por cento do total, seguido pelos Estados Unidos com 16 por cento . As fontes de fibra de madeira necessárias para a polpação são "45% de resíduos de serraria, 21% de toras e aparas e 34% de papel reciclado" (Canadá, 2014). A celulose química representou 93% da celulose de mercado.

Polpa de madeira

Fibras em polpa de madeira

Os recursos de madeira usados ​​para fazer polpa de madeira são chamados de madeira para celulose . Embora em teoria qualquer árvore possa ser usada para a produção de celulose, as árvores coníferas são preferidas porque as fibras de celulose na celulose dessas espécies são mais longas e, portanto, tornam o papel mais resistente. Algumas das árvores de madeira macia mais comumente usadas para a fabricação de papel incluem abetos , pinheiros , abetos , lariços e cicutas , e madeiras duras como eucaliptos , choupos e bétulas . Há também um interesse crescente em espécies de árvores geneticamente modificadas (como eucalipto GM e choupo GM ) por causa de vários benefícios importantes que podem proporcionar, como maior facilidade de decomposição de lignina e aumento da taxa de crescimento.

Uma fábrica de celulose é uma instalação de manufatura que converte aparas de madeira ou outra fonte de fibra vegetal em uma placa de fibra espessa que pode ser enviada a uma fábrica de papel para processamento posterior. A celulose pode ser fabricada por métodos mecânicos, semiquímicos ou totalmente químicos (processos kraft e sulfito). O produto acabado pode ser branqueado ou não, dependendo dos requisitos do cliente.

Madeira e outros materiais vegetais usados ​​para fazer polpa contêm três componentes principais (além da água): fibras de celulose (desejadas para a fabricação de papel), lignina (um polímero tridimensional que liga as fibras de celulose) e hemiceluloses ( polímeros de carboidratos ramificados mais curtos ). O objetivo da polpação é quebrar a estrutura a granel da fonte de fibra, sejam lascas, caules ou outras partes da planta, nas fibras constituintes.

A polpação química consegue isso degradando a lignina e a hemicelulose em pequenas moléculas solúveis em água que podem ser removidas das fibras de celulose sem despolimerizar as fibras de celulose (a despolimerização química da celulose enfraquece as fibras). Os vários métodos de polpação mecânica, como madeira moída (GW) e polpação mecânica do refinador (RMP), separam fisicamente as fibras de celulose umas das outras. Grande parte da lignina permanece aderida às fibras. A força é prejudicada porque as fibras podem ser cortadas. Existem vários métodos de polpação híbrida relacionados que usam uma combinação de tratamento químico e térmico para iniciar um processo de polpação química abreviado, seguido imediatamente por um tratamento mecânico para separar as fibras. Esses métodos híbridos incluem polpação termomecânica, também conhecida como TMP, e polpação quimiotermomecânica, também conhecida como CTMP. Os tratamentos químicos e térmicos reduzem a quantidade de energia subsequentemente exigida pelo tratamento mecânico e também reduzem a quantidade de perda de resistência sofrida pelas fibras.

Produção global de celulose por categoria (2000)
Categoria de celulose Produção [M ton ]
Químico 131,2
Kraft 117,0
Sulfito 7,0
Semiquímico 7,2
Mecânico 37,8
Nonwood 18,0
Fibras virgens totais 187,0
Fibras recuperadas 147,0
Polpa total 334,0

Colhendo árvores

A maioria das fábricas de celulose usa boas práticas de manejo florestal na colheita de árvores para garantir que tenham uma fonte sustentável de matéria-prima. Uma das principais reclamações sobre a colheita de madeira para fábricas de celulose é que isso reduz a biodiversidade da floresta colhida. As plantações de árvores de celulose respondem por 16% da produção mundial de celulose, as florestas primárias por 9% e as florestas de segunda e terceira e mais gerações respondem pelo restante. O reflorestamento é praticado na maioria das áreas, portanto, as árvores são um recurso renovável . O FSC ( Forest Stewardship Council ), o SFI ( Sustainable Forestry Initiative ), o PEFC ( Program for the Endorsement of Forest Certification ) e outros órgãos certificam papéis feitos de árvores colhidas de acordo com as diretrizes que visam garantir as boas práticas florestais.

O número de árvores consumidas depende do uso de processos mecânicos ou químicos. Foi estimado que, com base em uma mistura de madeiras macias e duras de 12 metros (40 pés) de altura e 15–20 centímetros (6–8 pol.) De diâmetro, levaria uma média de 24 árvores para produzir 0,9 tonelada (1 tonelada) de papéis de imprimir e escrever, utilizando o processo kraft (polpação química). A polpação mecânica é cerca de duas vezes mais eficiente no uso de árvores, já que quase toda a madeira é usada para fazer fibra, portanto, são necessárias cerca de 12 árvores para fazer 0,9 tonelada (1 tonelada) de celulose mecânica ou papel de jornal .

Existem cerca de duas toneladas curtas em uma corda de madeira .

Preparação para polpação

O lascamento de madeira é o ato e a indústria de lascar madeira para celulose, mas também para outros produtos de madeira processados e cobertura morta . Apenas o cerne e o alburno são úteis para a fabricação de celulose. A casca contém relativamente poucas fibras úteis e é removida e usada como combustível para fornecer vapor para uso na fábrica de celulose. A maioria dos processos de polpação requer que a madeira seja lascada e peneirada para fornecer lascas de tamanho uniforme.

Polpação

Existem vários processos diferentes que podem ser usados ​​para separar a fibra de madeira:

Pasta mecânica

Mós manufaturadas com carboneto de silício embutido ou óxido de alumínio podem ser usados ​​para moer pequenos toros de madeira chamados "parafusos" para fazer polpa de pedra (SGW). Se a madeira for vaporizada antes da moagem, ela é conhecida como polpa de madeira moída sob pressão (PGW). A maioria das fábricas modernas usa cavacos em vez de toras e discos de metal estriados chamados de placas refinadoras em vez de mós. Se os cavacos são moídos apenas com as placas, a polpa é chamada de polpa mecânica refinadora (RMP) e se os cavacos são cozidos no vapor enquanto são refinados, a polpa é chamada de polpa termomecânica (TMP). O tratamento com vapor reduz significativamente a energia total necessária para fazer a polpa e diminui o dano (corte) às fibras. As pastas mecânicas são usadas para produtos que exigem menos resistência, como papel de jornal e papelão .

Polpa termomecânica

Processo de polpação mecânica

A celulose termomecânica é a celulose produzida pelo processamento de aparas de madeira usando calor (portanto, " termo- ") e um movimento de refino mecânico (portanto, "-mecânico"). É um processo de duas etapas em que as toras são primeiro despojadas de sua casca e convertidas em pequenas lascas. Esses chips têm um teor de umidade de cerca de 25-30 por cento. Uma força mecânica é aplicada às aparas de madeira em uma ação de esmagamento ou trituração que gera calor e vapor de água e amolece a lignina , separando assim as fibras individuais. A polpa é então peneirada e limpa, quaisquer pedaços de fibra são reprocessados. Este processo dá um alto rendimento de fibra da madeira (cerca de 95 por cento) e como a lignina não foi removida, as fibras são duras e rígidas.

Polpa quimi-termomecânica

As aparas de madeira podem ser pré-tratado com carbonato de sódio , hidróxido de sódio , sulfato de sódio e outros produtos químicos antes da refinação com equipamento semelhante a um moinho mecânico. As condições do tratamento químico são muito menos vigorosas (temperatura mais baixa, menor tempo, pH menos extremo ) do que em um processo de polpação química, pois o objetivo é tornar as fibras mais fáceis de refinar, não remover a lignina como em um processo totalmente químico. As polpas feitas com esses processos híbridos são conhecidas como polpas quimi-termomecânicas (CTMP).

Polpa química

International Paper Company, uma fábrica de celulose que fabrica celulose fluff para uso em produtos absorventes com o processo kraft

A celulose química é produzida pela combinação de aparas de madeira e produtos químicos em grandes recipientes chamados digestores. Lá, o calor e os produtos químicos quebram a lignina, que une as fibras de celulose , sem degradar seriamente as fibras de celulose . A pasta química é usada para materiais que precisam ser mais fortes ou combinados com pastas mecânicas para dar características diferentes a um produto. O processo kraft é o método químico dominante de polpação, com o processo de sulfito em segundo lugar. Historicamente, a polpação com soda foi o primeiro método de polpação química bem-sucedido.

Polpa reciclada

A polpa reciclada também é chamada de polpa destintada (DIP). O DIP é papel reciclado que foi processado por produtos químicos, removendo assim as tintas de impressão e outros elementos indesejados e liberando as fibras do papel. O processo é chamado de destintamento .

O DIP é usado como matéria-prima na fabricação de papel . Muitos tipos de papel jornal , papel higiênico e lenços faciais geralmente contêm 100 por cento de polpa destintada e em muitos outros tipos, como leve revestido para offset e papéis de impressão e escrita para escritório e uso doméstico, o DIP constitui uma proporção substancial do fornecimento.

Polpação Organosolv

A polpação Organosolv usa solventes orgânicos em temperaturas acima de 140 ° C para quebrar a lignina e a hemicelulose em fragmentos solúveis. O licor de polpação é facilmente recuperado por destilação. A razão para usar um solvente é tornar a lignina mais solúvel no licor de cozimento. Os solventes mais comumente usados ​​são metanol , etanol , ácido fórmico e ácido acético, muitas vezes em combinação com água .

Métodos alternativos de polpação

A pesquisa está em andamento para desenvolver a biopulpagem (polpação biológica), semelhante à polpação química, mas usando certas espécies de fungos que são capazes de quebrar a lignina indesejada, mas não as fibras de celulose. No processo de biopulpagem, a enzima fúngica lignina peroxidase digere seletivamente a lignina para deixar as fibras de celulose remanescentes. Isso poderia ter grandes benefícios ambientais na redução da poluição associada à polpação química. A polpa é branqueada na etapa de dióxido de cloro seguida de neutralização e hipoclorito de cálcio . O agente oxidante em ambos os casos oxida e destrói os corantes formados a partir dos taninos da madeira e acentuados (reforçados) pelos sulfetos presentes nela.

A fibra explodida a vapor é uma técnica de polpação e extração aplicada à madeira e a outros materiais orgânicos fibrosos.

Branqueamento

A celulose produzida até este ponto do processo pode ser branqueada para produzir um produto de papel branco . Os produtos químicos usados ​​para branquear a celulose têm sido uma fonte de preocupação ambiental e, recentemente, a indústria de celulose tem usado alternativas ao cloro , como dióxido de cloro , oxigênio , ozônio e peróxido de hidrogênio .

Alternativas para polpa de madeira

A celulose produzida a partir de fontes vegetais não-madeireiras ou têxteis reciclados é fabricada hoje em dia, em grande parte, como um produto especial para impressão fina e fins artísticos. Os papéis de arte modernos feitos à mão e à máquina feitos de algodão, linho, cânhamo, abacá , kozo e outras fibras são frequentemente valorizados por suas fibras mais longas e mais fortes e seu menor teor de lignina . A lignina , presente em praticamente todos os materiais vegetais, contribui para a acidificação e eventual decomposição dos produtos de papel, muitas vezes caracterizada pelo escurecimento e fragilização do papel com alto teor de lignina, como o papel de jornal . 100% algodão ou uma combinação de polpa de algodão e linho é amplamente utilizado para produzir documentos destinados a uso de longo prazo, como certificados, moeda e passaportes.

Hoje, alguns grupos defendem o uso de fibra de cultivo agrícola ou resíduos agrícolas em vez de fibra de madeira como um meio de produção mais sustentável .

palha suficiente para atender às necessidades de livros, revistas, catálogos e papel de cópia da América do Norte. O papel de base agrícola não vem de fazendas de árvores . Algumas polpas de resíduos agrícolas levam menos tempo para cozinhar do que polpas de madeira. Isso significa que o papel agrícola usa menos energia, menos água e menos produtos químicos. A polpa feita de palha de trigo e linho tem metade da pegada ecológica da polpa feita de florestas.

O papel de cânhamo é uma possível substituição, mas a infraestrutura de processamento, os custos de armazenamento e o baixo percentual de usabilidade da planta significam que não é um substituto pronto.

No entanto, a madeira também é um recurso renovável, com cerca de 90% da celulose proveniente de plantações ou áreas reflorestadas. Fontes de fibra não madeireira respondem por cerca de 5 a 10 por cento da produção global de celulose, por uma variedade de razões, incluindo disponibilidade sazonal, problemas com recuperação química, brilho da celulose etc. Na China, a partir de 2009, uma proporção maior de celulose não - o processamento de celulose de madeira aumentou o uso de água e energia.

Em algumas aplicações, os não tecidos são alternativas ao papel feito de polpa de madeira, como papel de filtro ou saquinhos de chá .

Comparação de matérias-primas típicas usadas na polpação
Componente Madeira Nonwood
Carboidratos 65-80% 50-80%
- celulose
40–45% 30-45%
- Hemicelulose
23-35% 20-35%
Lignina 20-30% 10–25%
Extrativos 2–5% 5–15%
Proteínas <0,5% 5-10%
Inorgânicos 0,1-1% 0,5–10%
- SiO 2
<0,1% 0,5–7%

Celulose de mercado

A celulose de mercado é qualquer variedade de celulose produzida em um local, seca e enviada para outro local para processamento posterior. Parâmetros de qualidade importantes para a celulose não diretamente relacionados às fibras são brilho , níveis de sujeira, viscosidade e teor de cinzas. Em 2004, respondeu por cerca de 55 milhões de toneladas métricas de celulose de mercado.

A polpa seca ao ar é a forma mais comum de venda de polpa. Esta é a polpa seca até atingir um teor de umidade de cerca de 10%. Normalmente é entregue em fardos laminados de 250 kg. A razão para deixar 10 por cento de umidade na polpa é que isso minimiza a ligação de fibra a fibra e torna mais fácil dispersar a polpa em água para processamento posterior no papel .

A celulose em rolo ou em bobina é a forma de entrega mais comum de celulose para mercados de celulose não tradicionais. A celulose fluff normalmente é enviada em rolos (bobinas). Essa polpa é seca até atingir um teor de umidade de 5% a 6%. No cliente, isso passa por um processo de cominuição para preparar o processamento posterior.

Algumas polpas são secas rapidamente. Isso é feito pressionando a polpa até atingir um teor de umidade de cerca de 50% e, em seguida, deixá-la cair em silos com 15–17 m de altura. O ar quente a gás é a fonte normal de calor. A temperatura está bem acima do ponto de carbonização da celulose , mas uma grande quantidade de umidade na parede da fibra e no lúmen impede que as fibras sejam incineradas. Freqüentemente, não é seco até atingir 10% de umidade (ar seco). Os fardos não são tão densamente embalados quanto a polpa seca ao ar.

Preocupações ambientais

Os principais impactos ambientais da produção de celulose de madeira vêm de seu impacto sobre as fontes florestais e de seus resíduos.

Recursos florestais

O impacto da exploração madeireira para fornecer a matéria-prima para a celulose é uma área de intenso debate. As práticas modernas de extração de madeira , usando o manejo florestal, buscam fornecer uma fonte confiável e renovável de matéria-prima para as fábricas de celulose . A prática de corte raso é uma questão particularmente delicada, pois é um efeito muito visível da exploração madeireira . O reflorestamento , o plantio de mudas de árvores em áreas exploradas, também tem sido criticado por diminuir a biodiversidade porque as áreas reflorestadas são monoculturas . A extração de madeira em florestas antigas é responsável por menos de 10% da polpa de madeira, mas é uma das questões mais controversas.

Efluentes de fábricas de celulose

Os efluentes do processo são tratados em uma estação de tratamento biológico de efluentes , o que garante que os efluentes não sejam tóxicos no recipiente.

A celulose mecânica não é uma causa importante de preocupação ambiental, uma vez que a maior parte do material orgânico é retido na celulose e os produtos químicos usados ​​( peróxido de hidrogênio e ditionito de sódio ) produzem subprodutos benignos (água e sulfato de sódio (finalmente), respectivamente).

As fábricas de celulose química, especialmente as de kraft, são autossuficientes em energia e de ciclo quase fechado com relação aos produtos químicos inorgânicos.

O branqueamento com cloro produz grandes quantidades de compostos organoclorados , incluindo dibenzo-p-dioxinas policloradas, dibenzofuranos policlorados (PCDD / Fs). Muitas fábricas adotaram alternativas aos agentes de branqueamento clorados, reduzindo assim as emissões de poluição organoclorada.

Problemas de odor

A reação de polpação kraft, em particular, libera compostos de mau cheiro. O reagente de sulfeto de hidrogênio que degrada a estrutura da lignina também causa alguma desmetilação para produzir metanotiol , sulfeto de dimetila e dissulfeto de dimetila . Esses mesmos compostos são liberados durante muitas formas de decomposição microbiana, incluindo a ação microbiana interna do queijo Camembert , embora o processo kraft seja químico e não envolva qualquer degradação microbiana. Esses compostos têm limiares de odor extremamente baixos e cheiros desagradáveis.

Formulários

As principais aplicações da celulose são a produção de papel e cartão . O fornecimento de polpas usado depende da qualidade do papel acabado. Parâmetros de qualidade importantes são o fornecimento de madeira , brilho , viscosidade, extrativos, contagem de sujeira e resistência.

Polpas químicas são usadas para fazer nanocelulose .

Os graus de celulose especial têm muitas outras aplicações. A polpa dissolvida é usada na fabricação de celulose regenerada que é usada na produção de têxteis e celofane . Ele também é usado para fazer derivados de celulose . A celulose fluff é utilizada em fraldas , produtos de higiene feminina e não tecidos .

Produção de papel

A Máquina Fourdrinier é a base para a maioria da fabricação de papel moderna e tem sido usada em algumas variações desde sua concepção. Ele cumpre todas as etapas necessárias para transformar a celulose em um produto final de papel .

Economia

Em 2009, a celulose NBSK foi vendida por US $ 650 / t nos Estados Unidos. O preço caiu devido à queda da demanda quando os jornais reduziram seu tamanho, em parte, como resultado da recessão.

Veja também

Referências

Bibliografia

  • "Pulp and Paper" , Environment Canada , Government of Canada, 2014, arquivado do original em 2016-04-21 , recuperado em 2014-03-31.