XXI Encontro Nacional da TECNICELPA / VI CIADICYP 2010 12-15 Outubro 2010 - Lisboa, Portugal

ANÁLISIS COMPARATIVO DE LA OBTENCIÓN Y CALIDAD DE FIBRA A PARTIR DE ENVASES DE CARTÓN PARA LÍQUIDOS MEDIANTE TRATAMIENTOS CON HIDRAPULPER Y MOLINO DE BOLAS José Turrado1*, Martha F. Dávalos-Gómez 2, Ezequiel Delgado2 1

Universidad de Guadalajara, Centro Universitario de Ciencias Exactas e Ingenierías, Departamento de Madera Celulosa y Papel “Ing. Karl Augustin Grellmann”, Km 15.5 Carr. Guadalajara - Nogales, 04171 Zapopán, Jal., México, [email protected]

RESUMEN El empleo de envases de líquidos en los anaqueles del mercado actual muestra una creciente manifestación, la cual esta congruente con los datos reportados por las empresas más fuertes en el mercado: en este tipo de envases a nivel mundial se registra para el año 2009 una producción de ciento cuarenta y cinco mil millones de unidades. Si se parte del peso promedio de los envases es de 24.3 g, los 145000x106 envases representa un peso aproximado de envases de 4600 t, considerando la fracción de material fibroso 0.77%, la cantidad de fibra empleadas es del orden de 2716 t/año. La empresa Tetra Pak® México registra una cantidad de envases fabricados para 2009 del orden de 5910 x 106. Utilizando envase escéptico (TBA) como materia prima y tratado en molino de bolas e hidrapulper se separan los componentes del envase y se rescata del orden del 90 % de fibra celulósica presente. El consumo de energía del molino de bolas es 41% menor comparado con la energía que consume el hidrapulper. PALABRAS CLAVE: consumo de energía específico, envase para líquido, hidrapupler, molino de bolas. SUMMARY The employment of packing of liquids in the market shows an increasing manifestation of it, it is coherent with the information brought by the strongest companies in the market: in this type of packings worldwide a production of hundred forty five million units is registers for the year 2009. if it is consider the average weight of the packings as 24.3 g/unit. The 145000x106 packings are represented by an approximate weight of 4600 t. Considering 0.77 % as the fibrous fraction of the material, the quantity of fiber used for the same quantity is of the order of 2716 t/año. the company Tetra Pak Mexico registers a quantity of packings made in 2009 of the order of 5910 x 10 6. Using sceptical packing (TBA) as raw material treated in ball mill and hidrapulper the components of the packing were separated and the rescued fiber was of the order of 90 %, the energy consumption of the ball mill is 41 % minor compared with the energy that the hidrapulper consumes. KEYWORDS: ball mill, packing of liquid, pulper, specific energy consumption.

INTRODUCCIÓN Actualmente la industria papelera del país se ve en la necesidad de importar papel postconsumo para satisfacer la demanda de fibra. Se considera que el envase de cartón para líquidos es una fuente potencial de fibras desaprovechada, ya que al término de su uso, éste se considera como un residuo sólido, sin embargo a través de un proceso adecuado de recuperación y separación, la fibra del envase de cartón para líquidos puede ser recuperada y así contribuirá a disminuir la importación de papel desperdicio. La humanidad ha tenido necesidad desde sus orígenes por conservar líquidos, así aparecen recipientes vegetales (calabaza, bules), cerámica, vidrio y desde 1900 aparecen los envases flexibles. Con el envase de cartón los costos de almacenaje y transporte se disminuyeron principalmente para la

industria lechera. El cartón laminado es utilizado para envasar una gran variedad de líquidos y alimentos; por lo que este envase puede encontrase en el mercado con diferentes formas y tamaños. Por esta razón el envase de cartón laminado recibe diferentes nombres: envase multicapas para líquidos, envases de larga duración, envases laminados, envases Tetra Pak, envases pack, papel estratificado, envase flexible de cartón, entre otros. Los envases de cartón asépticos y no asépticos se diferencian por la presencia o ausencia Figura 1. Envase aséptico, de una capa de aluminio. fuente SIGCombibloc. Los materiales empleados en el envase de cartón para líquidos se pueden encontrar en diferentes proporciones dependiendo de la empresa fabricante, lo cual se manifiesta en la Tabla 1. Polietileno Cartón Polietileno Aluminio Polietileno Polietileno

Empresa Tetra Pak SIG Combibloc Elopak

Tabla 1. Composición de los envases de cartón para líquidos Cartón Polietileno (%) (%) 75 20 75 21 80 20

Aluminio ( %) 5 4 -

El potencial de la fibra en el envase de cartón para líquidos es poco conocida. La clasificación del envase de cartón laminado resulta complicada, ya que este está conformado por diferentes materiales (cartón, polietileno y aluminio) [1]. El interés del presente trabajo es la recuperación de la fibra del envase de cartón para líquidos. El hidrapulper es comúnmente empleado en la liberación de fibras secundarias, no obstante el efecto de este equipo en la calidad de fibra ha sido poco estudiado. Exactamente no se conoce quien desarrolló por primera vez la metodología para la recuperación de fibra a partir del envase para líquidos, la primera planta para recuperar fibra del cartón recubierto con polietileno destinado a envasar alimentos se instalo en 1960 [2]. A nivel laboratorio se reportó condiciones para la recuperación de fibra con envases no aséptico [3]. A nivel industrial se emplea el hidrapulper como equipo de desintegración con con parámetros cercano a lo establecidos a nivel laboratorio [4, 5, 6]. En cuanto a la calidad de la fibra se han reportado valores similares de Shopper Riegler en las fibras desintegradas a baja y alta consistencia, también se ha reportado que las fibras recuperadas a baja consistencia producen papeles con mayor resistencia. Además de los valores de Shopper Riegler se han evaluado propiedades físicas (resistencia a la tensión, índice de rasgado), sin embargo es conocido que la calidad de la fibra no se define solo por estos valores [5]. En el trabajo realizado 2007 [7] se estudió la recuperación de la fibra del envase de cartón para líquidos empleando un molino de bolas bajo las siguientes condiciones: consistencia 4-5 (%), tiempo de desintegración 40-90 (min) y NaOH 0.65 (%). El rendimiento obtenido fue del 90%. La fibra presentó las siguientes características: longitud de 1.09 (mm) aproximadamente, el factor de reflexión 85 (%), la curvatura de la fibra registró un valor 0.137. El proceso de recuperación de la fibra del envase de cartón para líquidos es complejo debido a la proporción de contaminantes adhesivos y otros materiales no fibrosos presentes, estos contaminantes tienen la siguiente clasificación de acuerdo a su origen [8]: Aditivos utilizados en la producción previa del papel como cargas y tintas. Substancias adicionadas de acuerdo a la aplicación: como tintas de impresión, recubrimientos, adhesivos y películas de metal y plástico. Materiales mezclados con el papel durante su ciclo de vida y su colección subsecuente incluyendo grapas, piedras, clips, etc. Las características mecánicas del papel dependen de la calidad y limpieza de la fibra secundaria, la cual actualmente reemplaza a la fibra virgen en diversos tipos de papel y cartón.

El proceso de separación de fibras varía de acuerdo al tipo y cantidad de contaminantes a remover. Por lo que se necesita una clara idea de los procedimientos en la recuperación de fibra a partir de este material posconsumo para no afectar negativamente las características de la misma. Los equipos empleados en la obtención de fibras juegan un rol muy importante. Las unidades principales de un sistema de recuperación de fibra y su tarea son las siguientes: Desintegración: destrucción del papel para la liberación de fibras Depuración: separación de fibras y contaminantes no fibrosos en función de su forma, tamaño y peso. PARTE EXPERIMENTAL Materiales y equipos El presente estudio se realizó utilizando envases posconsumo de cartón para líquidos. En la Figura 2a, 2b, 2c se muestran de manera correpondiente los materiales agrupados en a, b y c.

a)

b)

c)

Figura 2. Grupo de envases de cartón laminado para líquidos

Equipos El hidrapulper y el molino de bolas utilizados para la obtención de la fibra a partir de envase para líquidos base cartón se encuentran disponibles en el Departamento de Madera, Celulosa y Papel de la Universidad de Guadalajara. El hidrapulper de media consistencia tiene una capacidad de 64 (L) y opera entre 500 y 900 (rpm). El molino de bolas tiene una capacidad de 35(L), opera a una velocidad entre 25 y 50 (rpm). Los balines empleados para el molino de bolas son de acero inoxidable y tienen un diámetro de 2.5 (cm). Parámetros de los equipos En cada molino se estudian los factores más importantes en la recuperación de fibra secundaria: consistencia (%), temperatura (°C), cantidad de NaOH (%), tiempo (min) y velocidad (rpm). En la Tabla 5 se concentra la información de los factores controlados y sus parámetros bajo los cuales se desarrolló la separación de la fibra del envase de cartón en el presente trabajo. Tabla 1. Factores controlados en la recuperación de la fibra del envase para líquidos base cartón Velocidad Consistencia Tiempo NaOH (rpm) (%) (min) ( %) Equipo (1)Hidrapulper 500 y 900 4, 8 y 12 (2)Molino de bolas 15 y 30 0.3 y 0.6 25 y 50 o balines

Diseño experimental El trabajo estudia el impacto sobre el proceso de desintegración del envase de cartón para líquidos, calidad de fibra y consumo de energía de cinco variables en el proceso: tipo de molino, consistencia, NaOH, tiempo y velocidad de molino empleando un diseño factorial anidado en virtud de que la velocidad fue distinta para cada equipo. El modelo matemático para cinco variables es:

En el diagrama de la Figura 2 se aprecia el orden jerárquico, así como la posición anidada de la velocidad en los dos equipos empleados en el presente trabajo, esto se debe a que el funcionamiento del equipo 1 y 2 trabajan con diferente rango de velocidad. De no existir esta diferencia de las velocidades se podría trabajar con un diseño factorial. El desarrollo de este diseño experimental condujo a una serie de 48 experimento.

Figura 2. Esquema del orden jerárquico de los factores estudiados

En la Tabla 6 se observa la composición en peso de fibra, plástico y aluminio presentes en los envases empleados como materia prima (grupo a, b y c).

Grupo a b c Mezcla (a, b y c)

Tabla 2. Composición del material de estudio Fibra Plástico ( %) (%) 77.6 17.8 77.7 17.6 75.8 19.6 77.0 18.3

Aluminio (%) 4.7 4.7 4.6 4.7

Entre los diferentes productos se puede apreciar ligeras diferencias en la integración de las películas que le componen, lo cual indica que el cartón empleado varía entre grupos. En la Tabla 7 se observa la distribución de la fibra del material laminado y se aprecia que la fibra se retiene principalmente en la malla 30 con una participación de aproximadamente del 56 (%), lo que indica presencia de fibra larga.

Grupo a b c Mezcla(a, b y c)

Tabla 3. Distribución de fibra por mallas del material de estudio Retenido en malla, % 30

50

100

200

Finos

60.0 55.8 53.5 56.4

6.9 7.5 7.6 7.3

11.1 12.6 18.7 14.1

1.2 3.4 2.8 2.5

20.9 20.7 17.4 19.7

El material fibroso está integrado por fibra de maderas blandas y una fracción de fibras de maderas duras, tal como se desprende de las imágenes en la Figura 3, en donde se registra la presencia de vasos en la Figura 3a y 3c, estos son elementos indicadores de la presencia de madera dura. Se registra además la presencia de material adhesivo, el cual mantiene las fibras formando paquetes en la Figura 3b.

a)

c)

b)

Figura 3. Fibras del envase de cartón para líquidos

RESULTADOS Y DISCUSIÓN Las variables de respuesta seleccionadas para el análisis son: cantidad de fibra recuperada representada como rendimiento en fracción porcentual (%) y en peso (g), además se incluye el consumo de energía específica (KWh/ton). La medición de estas tres variables tiene la finalidad de confirmar los efectos más significativos en la recuperación de fibra a partir del envase para líquidos. Con ayuda del análisis del ANOVA se generan las gráficas de medias por mínimos cuadrados en donde se aprecia que empleando el equipo 1(hidrapulper) y velocidad 2 (900 rpm) se genera un rendimiento en peso de fibra del 82(%). El rendimiento de la recuperación de fibra a partir del envase está entre 60-80 (%) [5]. La influencia de otros factores se analizó con el ANOVA en función de la cantidad de fibra (g). Con las gráficas de medias por mínimos cuadrados en la Figura 4a, b y c se observa que si se desea obtener mayor cantidad de fibra se debe trabajar al 12 (%) de consistencia en el equipo 1 y velocidad 2. El factor de consistencia implica una relación entre cantidad de sólidos y un volumen de 100 (ml), por lo que a mayor consistencia la cantidad de fibra (g) es mayor y se recupera mayor cantidad.

Medias y 95.0% de Fisher LSD

540 440 340

b)

240 140 4

8

Cantidad de fibra recuperada (g)

a)

Cantidad de fibra recuperada (g)

Medias y 95.0% de Fisher LSD

360 340 320 300 280 1

12

Cantidad de fibra recuperada (g)

c)

2

Equipo (No)

Medias y 95.0% de Fisher LSD Consistencia (%)

340 330 320

Figura 4.a) Gráfica de media por mínimos cuadrados de la cantidad de fibra recuperada

310 300 290 1

2

Velocidad (No)

c)

Consumo de energía específico (KWh/t)

350 310 270 230

b)

190 150 110 4

8

12

Consistencia (%) Medias y 95.0% de Fisher LSD

Consumo de energía específico (KWh/ton)

a)

Consumo de energía específico (KWh/ton)

Se analizó el ANOVA del consumo de energía (KWh/ton) de donde se desprenden los factores que influyen en la recuperación de la fibra. En la Figura 5a se observa específicamente que el consumo de energía es de 321 (KWh/ton) cuando se emplea consistencia de 4 (%), mientras que en cuando se trabaja con 8 o 12 (%) de consistencia se registra en promedio 166 (KWh/ton). Esto se debe a que hay mayor interacción entre fibra-fibra, lo cual propicia mayor liberación, siendo el caso de consistencia de 8 (%) y 12 (%), por lo tanto, el consumo de energía es menor. Mientras que en la Figura 5b se observa que el consumo de energía del equipo 2 (molino de bolas) es de 161 (KWh/ton), esto representa el 41 (%) más bajo que el consumo de energía del equipo 1(hidrapulper). En la Figura 5c se observa que a velocidad 1 (la cual representa los niveles altos 900 y 50 rpm) la energía consumida es de 275 (KWh/ton), mientras que con la velocidad 2 (la cual representa por 500 y 25 rpm) la energía Medias y 95.0% de Fisher LSD Medias y 95.0% de Fisher LSD consumida es de 161(KWh/ton). 310 280 250 220 190 160 130 1

2

Equipo (No)

270 250

Figura 5. Graficas de la media por mínimos cuadrados para el consumo de energía específico

230 210 190 170 1

2

Velocidad (No)

Los valores de los Amperes (A) registrados en ambos equipos cuando operan a 8 y 12 (%) de consistencia fueron similares, en consecuencia, la gráfica de interacciones en la Figura 6 no muestra

diferencia entre estos valores. Consumo de energía específico (KWh/ton)

Gráfico de Interacciones

217.7

430

Consistencia (%) 4 8 12

380 330

276.0

134.4

0.3 210.1

Figura NaOH6. (%)Gráfica de interacciones del anova del 245.1 273.1 consumo de energía específica

280 230

1

180 Equipo (No)

0.6 197.4

130 1

Velocidad (No)

2

30

Tiempo (min)

186.8 20

2

En el análisis factorial anidado se encontró que los factores principales registrado en la Tabla 8: equipo, velocidad y consistencia; para la evaluación de la fibra producto del estudio se seleccionaron de la serie de experimentos aquellos que cumplían con las condiciones efectivas para la recuperación de la fibra con base a los análisis del ANOVA. Tabla 8. Niveles de los factores del diseño factorial anidado para obtener el valor de recuperación de fibra máximo y mínimo Experimento Velocidad Consistencia Condiciones Equipo seleccionado (rpm) (%) Alta recuperación y Bajo 35 Hidrapulper 900 12 consumo de energía 45 Baja recuperación y alto 34 Molino de bolas 25 4 consumo de energía 40

El análisis de la fibra Ln (malla 30, 50, 100, 200 y finos) de la fibra recuperada se observa en la Tabla 9 que en promedio la fibra del hidrapulper es 10 (%) más larga en el hidrapulper (H) que en el molino de bolas(MB) y 25 (%) más corta con respecto a la longitud previa al proceso; cuando se trabaja al 4 (%) de consistencia, la longitud de la fibra recuperada del molino de bolas (MB) es en promedio 17 (%) superior al hidrapulper (H) y 19 (%) menor respecto a la longitud de la fibra previa al proceso. La longitud Lw (malla 30, 50 ,100 y 200) de la fibra recuperada a 12 (%) de consistencia en el H en la Tabla 9 es en promedio 4 (%) mayor que la fibra recuperada en el MB. A 4% de consistencia, la fibra del MB es 8 (%) superior al H. Para Lww (malla 30, 50 y 100) se registra en la Tabla 9 que la longitud de la fibra recuperada en el MB a 12 (%) de consistencia es 1 (%) superior a la recuperada en H, y esta es 2 (%) menor respecto a la longitud previa al proceso de recuperación de fibra. La fibra del MB a 4% de consistencia es 5 (%) mayor que la recuperada en H y es 13 (%) menor respecto a la longitud previa al proceso. Tabla 9. Propiedades de la fibra con el método T271 empleando el equipo FQA Índice de Índice de Experimento Ln, Lw, Lww, Equipo curl, kink, (No) (mm) (mm) (mm) (mm-1) (-) 12% de consistencia 2 y 32 MB 0.622 1.5 2.5 0.17 2.1 35 y 45 H 0.6875 1.6 2.5 0.14 1.9 4% de consistencia 34 y 40 MB 0.750 1.7 2.7 0.15 2.1 20 y 44 H 0.641 1.6 2.6 0.15 2.0 Longitud previa al proceso de recuperación de fibra en H y 0.93 2.0 3.1 0.11 1.4 MB.

Finos, ( %) 41.5 38.7 35.8 42.9 29.6

Como se muestra en el análisis de longitud de fibra los resultados obtenidos indican que la fibra recuperada a 12 (%) de consistencia tiene menor daño empleando el hidrapulper; mientras que la fibra recuperada en el molino de bolas tiene menor daño cuando se trabaja a 4 (%) de consistencia. En la Tabla 9 se aprecia que la fibra recuperada a 12 (%) de consistencia en el molino de bolas tiene 2.8 (%) más finos, mientras que a 4 (%) de consistencia el hidrapulper registra 7 (%) más finos que el molino de bolas, estos valores indican que la fibra sufre mayor daño en el hidrapulper que en el molino de bolas. Analizando los resultados para ambos equipos, los valores del Índice de Kink se observa que la diferencia entre ellos es de 0.6 (%), sin embargo respecto al valor inicial se puede decir que índice o ángulo de la fibra es 32 (%) mayor.

CONCLUSIONES El método desarrollado para la recuperación de fibra del envase para líquidos base cartón es 9 (%) más eficiente en un hidrapulper comparado con un molino de bolas. El consumo de energía del molino de bolas es 41(%) menor comparado con la energía que consume el hidrapulper. La fibra recuperada del hidrapulper tiene una longitud mayor en 1.1 (%) respecto a la fibra recuperada con el molino de bolas y 1.38 (%) menor respecto a la fibra con que inicialmente se trabajó. Trabajando en 4 (%) de consistencia la longitud de la fibra recuperada en el molino de bolas es mayor a 1.17 (%). AGRADECIMIENTOS Se agradece a la empresa REPAK por la aportación de material de estudio

REFERENCIAS 1. M. Dunai. Cost benefit analysis of aseptic carton recycling in bandung, Indonesia. Trabajo de tesis: Environmental Management degree in the Nicholas School of the Environment of Duke University, (2009). 2. J. Felton. The process and economics of polymer-coated wood fiber recovery. Tappi (59), Nr 5,7173,(1960) 3. J. M. Neves y A. P. Blanco, (1996). Recuperação de fibras secundárias de materiais com resistência a úmido: cartões para embalagens de leite. O papel,(1996). 4. H. Ali, T. Nystrom. Method and apparatus for separating paper fiber and plastics from mixed wasted material and products obtained thereby, United States -Patent Number 5390860, (1995). 5. F. Neves,. Reciclagem de Embalagens Cartonadas Tetra Pak, O Papel, (LXI), 38-45, (1999). 6. M. Abreu . Reciclagem de Embalagens Cartonadas Tetra Pak para Alimentos Líquidos, O Papel, (LXIV), 91-96, (2001). 7. M. F. Dávalos. Tesis: Estudio de la recuperación de los principales componentes del envase Tetra Pak, análisis cuantitativo de la fibra obtenida y presencia de contaminantes adhesivos, (2007). 8. H. Holik. Units operations and equipment in recycled fiber processing. L. Göttsching, H. Pakarinen. Recycled Fiber and Deinking , (7) , 90-209, (2000).