Printer Friendly

Estudio experimental de la estabilidad de emulsiones o/w formadas con licor negro proveniente del proceso de pulpeo alcalino en diferentes fases organicas.

Resumen

El licor negro es uno de los residuos de las empresas de pulpa y papel, su contenido de ligninas permite su utilizacion como fase acuosa para la formacion de emulsiones O/W. Con el fin de evaluar la estabilidad de emulsiones O/W formadas con licor negro provenientes del proceso de pulpa alcalina y distintas fases organicas, se realizaron estudios de estabilidad a sistemas constituidos con licor negro y como fases organicas: benceno, tolueno, xileno, kerosen, heptano, y decano. Los resultados obtenidos muestran mayor estabilidad para las emulsiones formadas con fases organicas aromaticas que con las alffaticas.

Palabras clave: Licor negro, emulsiones, pulpa alcalina.

Abstract

Study on the stability in the oil/water-emulsions made with black liquor from alkaline pulp process and different organic phases

The black liquor is one of the by-products of pulp and paper factory, this waste liquor from the digestions process contains organic and inorganic compounds. The oil/water-emulsions were prepared from the black liquor as the main sources for lignin. Its stability was studied for different organic phases, among: benzene, toluene, xylene, kerosene, heptane, decane. The results demonstrate the major stability for the emulsions with organic aromatic than aliphatic phases

Key words: Black liquor, emulsions, alkali pulp.

Introduccion

El objetivo general de este trabajo es estudiar el comportamiento del licor negro como agente tensoactivo en emulsiones con diferentes fases organicas, utilizando como variable de formulacion la cantidad de licor negro y las fracciones de agua (fw).

Una emulsion es un sistema heterogeneo, que esta formado por lo menos de un liquido inmiscible intimamente disperso en otro en formade gotitas, cuyos diametros, en general, exceden de 0,1[micron]m. Estos sistemas son termodinamicamente inestables, la estabilidad se puede mejorar agregando aditivos tales como productos tensoactivos, solidos finamente divididos, etc. [1].

En los sistemas a estudiar el licor negro sera el agente tensoactivo a utilizar en la preparacion de las emulsiones. Tomando como referencia la cantidad aproximada de lignina que contiene [2].

El licor negro es un sub-producto de la zona de pulpeo. Para llegar a la obtencion del licor negro hacen falta una serie de procesos, como son astillado de la madera, digestion de la misma con reactivos (licor blanco), que ayuden a disolver la lignina. Este proceso quimico se realiza por una hora aproximadamente, dejando solubilizar los componentes de la lignina en el medio alcalino (proceso de pulpa alcalina). Este producto solubilizado es el llamado licor negro [3].

El nombre "licor negro" es debido a su coloracion oscura y esta compuesto de materia organica, producto de la extraccion de la lignina, y por otra parte inorganica, principalmente NaOH y [Na.sub.2]S. Dependiendo del tipo de proceso y del tipo de madera utilizada, los derivados de las ligninas presentes en el licor negro seran diferentes, por consiguiente, tambien sera diferente su importancia y su valor agregado en el ambito industrial.

Por lo general el licor negro se concentra e incinera, pero la perdida de las ligninas y sus derivados es uno de los aspectos mas negativos de los metodos convencionales de recuperacion de reactivos de licor negro [4].

El estudio de este efluente es de gran interes, ya que representa la fuente principal de lignina a nivel mundial. La lignina es un compuesto que tiene una amplia variedad de usos. En cuanto a sus propiedades dispersantes, resultan de interes en la fabricacion de neumaticos, en la industria de ceramicas y en la preparacion de colorantes y pesticidas. Como aditivo en lodos lubricantes para perforaciones petroleras, la lignina mejora las propiedades reologicas de los mismos y protege los taladros. Como emulsionantes son usados en la fabricacion de asfalto [5].

Estos licores han sido sometidos a diversos estudios, observandose comportamientos interesantes. Romero L. [6] determino que la lignina recuperada del licor negro de pulpado a la soda de bagazo, tenia mejores propiedades dispersantes que los productos ]ignicos comerciales usados como referencia. Gundersen y Sjoblom [7] usaron medidas de conductividad electrica para el estudio de lavelocidad de separacion en emulsiones aceite-agua estabilizadas con cinco lignosulfonatos y una lignina kraft, resultando ser un metodo satisfactorio para este tipo de medidas. Jimenez [8] estudio las propiedades de tension superficial, carga electrica superficial de las moleculas y el poder emulsionante (reologia y estabilidad), en sistemas preparados con fracciones de lignina precipitadas del licor negro de la empresa Smurfit Mocarpel, obteniendose buenos resultados de estabilidad a pH basicos. Padilla [2] estudio la estabilidad, distribucion del tamana de gota de emulsiones preparadas con licor negro provenientes de Smurfit Mocarpel (industrial), y del Laboratorio Nacional de Productos Forestales (LABONAC), utilizando como variable de formulacion el pH, obteniendose emulsiones de mayor estabilidad con el licor industrial.

Metodologia Experimental

Caracteristicas del licor negro

Las muestras de licor negro utilizado provienen de la empresa Smurfit Mocarpel, de la linea quimica del proceso a la soda para la obtencion de pulpa celulosica; el licor fue tomado justo antes de entrar a la seccion de evaporacion. La caracterizacion de este licor se realizo en funcion del contenido de solido, por medio de un analisis gravimetrico y la concentracion de lignina mediante la aplicacion de un ensayo fotometrico, en un Colorimetro (Datalogic HACH) [9].

Preparacion de las emulsiones

Para la preparacion de los sistemas se adicionaron los componentes en el siguiente orden; fase acuosa que contiene licor negro y agua destilada, luego la fase oleica que puede ser benceno, tolueno, xileno, kerosen, heptano, y decano, hasta completar un volumen de 10 mL. Los sistemas se sometieron a una agitacion leve, se dejaron en reposo por un tiempo aproximado de 24 horas con el fin de que se alcance el equilibrio, luego se emulsionaron sometiendolos a agitacion de 11.000 rpm por 10 segundos en un agitador Ultra-Turrax modelo T25, y se midio la conductividad en un Conductimetro METROHM modelo CDM 210. La medida de conductividad permite conocer la formacion de emulsiones fase externa agua o/w o fase externa aceite w/o. Este procedimiento se realizo a diferentes fracciones de agua (fw).

La fraccion de agua establece la relacion volumetrica entre la fase acuosa y el volumen total (fases acuosa + oleica).

Medidas de estabilidad

Inmediatamente despues de preparadas las emulsiones se procedio, a medir la estabilidad.

La estabilidad de una emulsion se relaciona con el volumen de fases separadas. Se toma el tiempo en que una fraccion volumetrica se separa, puede ser volumen coalescido o clarificado [10].

Discusiones y Resultados

La Figura 1, representa medidas de conductividad de emulsiones preparas con distintas fases organicas y fracciones de agua. Esta grafica permite visualizar la influencia de la fraccion de agua en la formacion de una emulsion y con las medidas de conductividad determinar el tipo de emulsion formada.

Los sistemas se estudiaron en un amplio rango de fw (0,2-0,9), los puntos no representados en la grafica, indican ausencia de emulsion. Es decir, a un fw de 0,2 en ningun sistema se formaron emulsiones, las emulsiones se formaron a partir de un fw de 0,4 para los sistemas Kerosen y Xileno y 0,6 para el heptano. Todas las emulsiones formadas fueron fase externa agua (o/w). Este resultado nos permitio seleccion el rango adecuado de fracciones de agua utilizado en la fase principal del estudio que es la estabilidad.

En las Figuras 2, 3 y 4. Se pueden observar las curvas de estabilidad para los sistemas emulsionados con diferentes fases organicas en funcion del volumen de licor negro utilizado. Cada figura representa un fw (0,4, 0,6 y 0,8) y un medida de estabilidad que se refiere al tiempo que tarda el sistema para alcanzar la relacion V/[V.sub.inf] (volumen clarificado/volumen total) [10].

[FIGURA 1 OMITIR]

[FIGURA 2 OMITIR]

En las Figuras 2, 3 y 4. Se observa la variacion de estabilidad de las diferentes fases organicas. Para un mismo volumen de licor negro existe una tendencia de aumento en la estabilidad de la emulsiones en el siguiente orden; decano, heptano, kerosen, xileno, tolueno y benceno, es decir, aumenta la estabilidad hacia los sistemas con fase organicas aromaticas.

Si se observan las curvas de estabilidad para diferentes volumenes de licor negro, a un mismo fw, hay un aumento de estabilidad hasta un punto, en el cual comienza a disminuir la misma.

[FIGURA 3 OMITIR]

Adicionalmente hay volumenes de licor negro que no tienen una representacion para algunas curvas, lo que significa es que para esos volumenes no se forman emulsiones, o si se llegan a formar son extremadamente inestables. Es importante acotar que a medida que el fw es mayor se pueden obtener emulsiones con mayor volumen de licor negro.

El eje que se encuentra a la derecha de las figuras, representa la concentracion de NaCl en la fase acuosa asociado con el volumen de licor negro utilizado. A pesar que el contenido de electrolitos del licor negro proviene de diferentes fuentes, se relaciono solo con NaCl como unica fuente de iones para simplificar el estudio del comportamiento de la lignina en presencia de estos. Estos calculos se realizaron tomando medidas de conductividad en la fase acuosa de las emulsiones y relacionando estas medidas con una curva de referencia (conductividad vs. %NaCl). Es importante acotar, que iones multivalentes pudieran afectar significativamente el comportamiento de fase y la estabilidad de las emulsiones.

Para los volumenes de licor negro en los cuales no se forman emulsiones o son muy inestables esta relacionado con el hecho, que despues de cierta cantidad de licor negro la concentracion de electrolitos es tan alta que desactiva el comportamiento anfifilo de la molecula de lignina. Este comportamiento esta sustentado en estudios previos [11].

Con respecto a la afinidad de lignina por las fases organicas se puede observar claramente que esta es mas ann a los compuestos aromaticos que alifaticos. Para corroborar lo antes expuestos se utilizaron parametros que permiten caracterizar la fase organica en sistemas agua-surfactante-fase organica, conocido como ACN (numero de atomos de carbonos de cadena alifatica en la fase organica) [12].

La Tabla 1 presenta los valores de ACN asignados a las fases organicas utilizadas. A medida que ACN de la fase organica es menor, la polaridad de este aumenta. Lo que evidencia la afinidad de la lignina por el benceno, tolueno y xileno, es decir, fases oleicas mas polares.

[FIGURA 4 OMITIR]

Como complemento del estudio de la afinidad de la lignina por las fases aromaticas, se prepararon sistemas de 0,3% salmuera, 0,22% lignina comercial (Indulin AT), y diferentes fases organicas a un fw de 0,6, evidenciandose una estabilidad marcada para las emulsiones con Tolueno con respecto a las demas fase estudiadas (Figura 5). La afinidad de la lignina por las fases aromaticas esta relacionado en gran parte con la composicion quimica de su estructura, la cual esta formada principalmente por unidades fenilpropano enlazadas al azar por unidades eter (metoxilos), hidroxilos y carbono-carbono [14]. Estos grupos aromaticos y grupos oxigenados altamente polares le proporcionan a la molecula un caracter fuertemente hidrofilico. Este hecho genera el interes de estudiar en una segunda fase experimental, estos sistemas con otro tipo de fases oleicas de polaridades mayores a la de los aromaticos usados en este estudio.

[FIGURA 5 OMITIR]

Conclusiones

Los resultados obtenidos de esta investigacion indican que la estabilidad de las emulsiones preparadas con licor negro es sensible al tipo de fase organica y a la cantidad de licor negro utilizado. Al aumentar la cantidad de licor la estabilidad de las emulsiones disminuye, incluso hasta llegar a un punto donde no se forman emulsiones. Tendencia relacionada con la concentracion de electrolitos que contiene el licor, a mayor cantidad de licor mayor concentracion de electrolitos. El tipo de fase organica tambien juega un papel importante, ya que a fases organicas aromaticas se obtienen emulsiones mas estables.

Agradecimientos

Se agradece el financiamiento al Fondo Nacional de Ciencia, Tecnologia e Innovacion (FONACIT), a traves del Proyecto $1-2000000 816.

Recibido el 30 de Junio de 2006

En forma revisada el 30 de Julio de 2007

Referencias Bibliograficas

[1.] Salager J L. "Emulsiones, Propiedades y Formulacion". Cuaderno FIRP 231. Laboratorio de Formulacion, Interfases, Reologla y Procesos. Escuela de Ingenieria Quimica, ULA. Venezuela. 1993.

[2.] Padilla V. "Aplicacion del licor negro proveniente de la planta de pulpa celulosica como agente emulsionante". Informe tecnico FIRP No 0213. Escuela de Ingenieria Quimica, ULA, Merida, Venezuela. 2002.

[3.] Casey J. "Pulpa y Papel. Quimica y Tecnologia Quimica". Vol. 1. Editorial Limusa. Mexico. 1990.

[4.] Pena V. "Manual Basico Sobre Pulpa Y Papel". Escuela de Ingenieria Quimica, ULA. Merida-Venezuela. 2000.

[5.] Rojas O. "Segregacion Interfacial de Derivados de Lignina". Informe Tecnico FIRP No 9306. Ingenieria Quimica, ULA. Merida, Venezuela. 1993.

[6.] Romero L. "Obtencion de Agentes Dispersantes a Partir de Lignina Recuperadas de Licores de Pulpado a la Soda de Bagazo de Cana". Informe Tecnico FIRP No 9205. Ingeniena Quimica, ULA, Merida, Venezuela. 1992.

[7.] Gundersen, Sjoblom. "High-Molecular and Low Molecular-Weight Linosulfonates and Lignins as Oil/Water-Emulsion Estabilizers Studied By Means Of Electrical-Conductivity" Colloid and polymer science. Vol. 277, Iss 5 (1999) 462-468.

[8.] Jimenez J, "Actividad Superficial, Reologia y Movilidad Electroforetica de Ligninas de Licores Negros" Informe tecnico FIRP No 0110. Escuela de Ingenieria Quimica, ULA, Merida, Venezuela. 2001.

[9.] Valdivieso, A. "Estudio del Comportamiento de Fase para el Sistema Fracciones de Lignina Obtenidas por Filtracion con Membranas--Agua--Hidrocarburos". Tesis de grado. Escuela de Ingenieria Quimica, ULA, Merida, Venezuela. 2004.

[10.] Salager, J L. "Propiedades de las Emulsiones y su Medicion". Cuaderno FIRP 747-B. Laboratorio de Formulacion, Interfases, Reologia y Procesos. Escuela de Ingenieria Quimica, ULA. Venezuela. 1999.

[11.] Alayon M, Valdivieso A, Bullon J, Forgiarini A, Rojas O. "Efecto De La Fuerza Ionica sobre la Estabilidad de las Emulsiones Preparadas con Ligninas Provenientes de Licor Negro Provenientes de la Industria Papelera" Jornadas de investigacion, facultad de ingenieria UCV. 2004.

[12.] Salager J. "Formulation concepts for the emulsion maker". En laboratoire de Technique Pharmaceutique Industrielle. Universite Montpellier I y Montpellier. France. New York. Marcel Dekker, Inc; 20-72 (2000).

[13.] Salager J, Anton R, Anderez J, Aubry J. "Formulation des Microemulsions par la Methode du HLD" Techniques de L'Ingenieur. J 2-157-10. (2000).

[14.] Rojas O; Salager J. "Surface activity of bagasse lignin derivatives found in the spent liquor of soda pulping plants". Tappi Journal. 77(3): 169-174. June 1993.

Victoria Padilla (2), Mario Alayon (2), Jenny K. Garcia (1), Arsenio Valdivieso (1) y Johnny Bullon (1)

(1) Laboratorio de Membranas, Separacion y Sintesis Industrial, Escuela de Ingenieria Quimica, Universidad de Los Andes. Merida 5101, Venezuela. (2) Unidad Multidisciplinaria en Ciencias Basicas e Ingenieria, Universidad Nacional Experimental del Tachira.
Tabla 1

Valor del numero de atomos de carbono
de cadena alifatica (ACN) de cada una
de las fases organicas estudiadas 1131

Fase organica   ACN o EACN

Benceno              0
Tolueno             +1
Xileno              +2
Kerosen              8
Heptano              7
Decano              10
COPYRIGHT 2007 Universidad del Zulia - Facultad de Ingenieria
No portion of this article can be reproduced without the express written permission from the copyright holder.
Copyright 2007 Gale, Cengage Learning. All rights reserved.

Article Details
Printer friendly Cite/link Email Feedback
Author:Padilla, Victoria; Alayon, Mario; Garcia, Jenny K.; Valdivieso, Arsenio; Bullon, Johnny
Publication:Revista Tecnica
Date:Nov 1, 2007
Words:2682
Previous Article:Cristalizacion del sulfato de potasio mediante la reaccion de fosfoyeso y silvita por el metodo amoniacal en un cristalizador por carga.
Next Article:Reduccion catalitica de NO por CO sobre catalizadores de Pd soportado: efecto de los tratamientos termicos.

Terms of use | Privacy policy | Copyright © 2020 Farlex, Inc. | Feedback | For webmasters