Seccions
- Introducció
- Procés de fabricació
- Principals aplicacions del cel·lulosa
- Mercat mundial de la indústria del cel·lulosa
- Tractament dels efluents derivats del procés de fabricació del cel·lulosa
- Resum
INTRODUCCIÓ
Dins dels productes fabricats per les indústries papereres, és el cel·lulosa el que té unes propietats que el proposen com a clar candidat a la substitució dels envasos i bosses de plàstic procedents del petroli. El cel·lulosa és una de les pel·lícules més fines derivades de la cel·lulosa.
Aquest polímer tendeix a caracteritzar-se per ser transparent i flexible. A més, resulta ser un material d’alta resistència per a treballs de tracció i de fàcil tall. Es fabrica a partir de la dissolució de fibres de cànem, cotó o fusta. D’aquesta dissolució s’obté una solució viscosa, la qual passa per un procés d’extrusió i posteriorment és banyada per un àcid que la converteix en cel·lulosa.
Aquest procés és molt semblant a la fabricació de fibra de raió, tot i que difereix en el seu procés d’extrusió ja que el cel·lulosa passa a través d’una ranura mentre que el raió passa per un orifici.
El cel·lulosa va ser inventat pel químic suís Jacques E. Brandenberger el 1900, inspirat en veure un vessament de vi al tovalló d’un restaurant, va decidir crear una tela que pogués repel·lir líquids en lloc d’absorbir-los.
El seu primer pas va consistir a ruixar una capa impermeable sobre la tela, i va optar per tractar-la amb viscosa.
El teixit revestit resultant era massa rígid, però la clara pel·lícula es separava fàcilment de la tela de reforç, i va abandonar la seva idea original quan les possibilitats del nou material es van fer evidents.
Brandenberger va necessitar deu anys per perfeccionar la seva pel·lícula, sent la principal millora sobre treballs anteriors amb aquest tipus de pel·lícules l’afegit de glicerina per a estovar el material. El 1912 ja havia construït una màquina per a la fabricació de la pel·lícula, que va anomenar cel·lulosa, de les paraules «cel·lulosa» i «diàfan» (transparent). Aquest producte es va patentar aquell mateix any.
El cel·lulosa es va començar a emprar per una companyia nord-americana de llaminadures. Aquesta companyia l’utilitzava com a embolcall per als seus dolços. Amb el pas del temps el cel·lulosa es va anar comercialitzant com un material útil dins de la indústria alimentària.
Posteriorment es va anar perfeccionant i adaptant a diferents aplicacions, com és el cas de la Nitrocel·lulosa que li donava resistència a la humitat externa, i a altres compostos que permetien fibres flexibles i poroses com és el cas dels embolcalls dels embotits.
ESTRUCTURA QUÍMICA
La cel·lulosa es tracta amb disulfur de carboni i àlcali (hidroxid de sodi) per produir la viscosa, la qual després s’extrudeix a través d’una ranura i s’immergeix en un bany àcid que la torna a convertir en cel·lulosa.
Mitjançant un procés similar, utilitzant un orifici en lloc d’una ranura, es produeix una fibra anomenada raió.
PROCÉS DE FABRICACIÓ
El cel·lulosa o cel·lulosa regenerada és un material plàstic transparent de cel·lulosa fet barrejant xantat de cel·lulosa amb una solució d’hidroxid de sodi diluït per formar una viscosa.
La pel·lícula de cel·lulosa és transparent, incolora, no tòxica i inodora composta de cel·lulosa regenerada, aigua i un humectant adequat (plastificant o suavitzant), que és generalment glicerol. A causa del seu baix cost i una àmplia gamma de propietats útils, el cel·lulosa és una de les pel·lícules més utilitzades avui dia.
Tot i que no es considera estrictament un material plàstic, el cel·lulosa es fabrica mitjançant un procés d’extrusió en què es passa una solució de cel·lulosa dissolta (viscosa) a un bany d’àcid. Això insolubilitza la solució i regenera la cel·lulosa.
Les propietats físiques, com ara la resistència a la tensió, l’elongació, la suavitat i la rigidesa, depenen de la composició d’aquest sistema de tres components, que varia considerablement dins dels següents límits aproximats: cel·lulosa regenerada 60-85%, humectant 10-25% i aigua 5-15%. El contingut d’humitat variarà addicionalment, perquè la pel·lícula és susceptible a canvis d’humitat en l’atmosfera.
El cel·lulosa és resistent i per tant, generalment, químicament inert, excepte a àcids concentrats i àlcals. També transmet un alt percentatge de raigs ultraviolats. Està disponible en una varietat de colors estàndard, es pot modificar per resistir la flama i es pot marcar i adornar per una varietat de tècniques d’impressió.
Els efectes contaminants del bisulfur de carboni i altres subproductes del procés usat per fer viscosa són tòxics; no obstant això, el cel·lulosa en si mateix, és 100% biodegradable; i és que, a diferència del que passa amb el plàstic, el procés de reciclatge del qual és limitat ja que no desapareix completament de la natura, el cel·lulosa sí que ho completa mitjançant el compostatge i torna a la terra en forma d’adob tancant el cicle del producte. Un procés que no dura més de cinc anys i que el converteix en una alternativa real al plàstic tradicional.
PRINCIPALS APLICACIONS DEL CEL·LULOSA
El cel·lulosa s’utilitza com a material d’embolic de protecció general. A causa de les seves bones propietats elèctriques, s’utilitza en la construcció de fils i cables i altres productes elèctrics. També funciona com a pel·lícula de separació, barrera o alliberament en motlle i laminació de plàstic. Per fer-la a prova d’humitat, la major part de la pel·lícula de cel·lulosa és recoberta amb una laca composta de nitrocel·lulosa (piroxilina), plastificants, resines i ceres. Aquest recobriment també pot donar a la pel·lícula de cel·lulosa una propietat de termosellat.
Addicionalment, gràcies a la seva semipermeabilitat, la pel·lícula de cel·lulosa és àmpliament utilitzada com a membrana per a diàlisi i és el material més popular per a la fabricació de paquets de cigarretes; la seva permeabilitat a la humitat fa que el cel·lulosa sigui el producte perfecte per a aquesta aplicació.
Entre els usos i aplicacions més comuns del cel·lulosa, destaquen els següents:
- S’empra com a embolcall d’aliments, regals i arranjaments florals.
- S’utilitza per a la fabricació de cintes adhesives.
- En aplicacions industrials s’empra per a la producció de membranes semipermeables, les quals s’utilitzen per a les bateries.
- Es pot aplicar com a recobriment.
- Un producte derivat s’utilitza com a embolcall dels embotits.
- El futur li dispensa un lloc important entre els substitutius dels polímers derivats del petroli com el polietilè o el polipropilè.
Però no només s’empra en el sector de l’alimentació, també en aquelles activitats econòmiques o comerços en què és necessari embolicar objectes delicats de manera suau, deixant entreveure el contingut com les floristeries, les joieries o en les pastisseries gourmet. Per tot això, es pot afirmar sense por a equivocar-nos que emprar cel·lulosa en la nostra activitat professional o personal és un exercici de responsabilitat ecològica i social.
EL MERCAT MUNDIAL DE LA INDÚSTRIA DEL CEL·LULOSA
Les primeres plantes productores de viscosa comercial van aparèixer a principis del segle XX a Gran Bretanya, Estats Units, França, Alemanya i Rússia.
Inicialment la viscosa es comercialitzava com a filaments, fins que als anys 30 es va començar a barrejar la viscosa amb cotó i llana creant nous teixits i opcions per a la indústria de la moda.
Els efectes nocius de la producció de viscosa van ser cada vegada més evidents i a finals del segle passat es van tancar moltes plantes molt contaminants i poc rendibles que van emigrar a Àsia, on hi havia una mà d’obra més barata i regulacions ambientals més laxistes.
A la primera dècada del segle XXI, la Xina va quadruplicar la seva capacitat de producció de viscosa i ara representa el 66% de la producció global. Índia i Indonèsia són el segon i tercer productor mundial. La indústria també va sobreviure a Europa on hi ha controls estrictes que han portat a crear sistemes de cicle tancat o circulars de tal manera que els químics que s’usen no escapen a l’entorn ni entren en contacte amb els treballadors.
El mercat de la viscosa actualment
Segons informació proporcionada per Lenzing AG, el consum mundial d’aquesta fibra va créixer un 1,5% el 2016 arribant als 99 milions de tones.
Segons Changing Markets Foundation, la fibra s’usa principalment per a la indústria de la indumentària (53%) però també en la indústria de tèxtils per a la llar (21%), la indústria (20%) i els tèxtils mèdics (6%).
I per fibres, segons Lenzing AG, el producte es distribueix al mercat de la següent manera:
- Fibres sintètiques provinents de petroli: 62.7% del mercat
- Fibres provinents de cel·lulosa i proteïna:
- Cotó: 24.3%
- Fibres de cel·lulosa provinents de la fusta 6.6%
- Fibres naturals: 5.3%
- Llana: 1.1%
Si observem la quota de mercat de la capacitat de producció a nivell mundial per regions (2016), veiem que la Xina és el principal productor d’aquest material seguida per Índia (11.10%), Sud-est Asiàtic (10,36%) i Europa (10,03%).
Font: Global Viscose Fibre Market Research Report.2017, May 2017, QYR Chemical & Materials
Molts fabricants mundials han optat per comprar la viscosa generada a la Xina i els països que poden vendre a un preu més baix a costa d’un important impacte ambiental. En l’esquema següent s’indiquen algunes d’aquestes empreses.
TRACTAMENT DELS EFLUENTS DERIVATS DEL PROCÉS DE FABRICACIÓ DEL CEL·LULOSA
Segons hem comentat en aquest article, el cel·lulosa és un polímer d’origen vegetal, que és 100 % biodegradable, per la qual cosa la seva creixent utilització substitutiva dels plàstics està perfectament justificada, a fi de reduir la contaminació del medi ambient; no obstant això, el procés productiu de la viscosa i els derivats que s’obtenen a partir d’ella, generen efluents molt contaminants que han de ser tractats per instal·lacions sofisticades i costoses.
Tractaments biològics
Quan el tipus d’efluents ho permet (relativament biodegradable), es realitzen tractaments biològics complexos, després d’un fisicoquímic previ destinat a separar sòlids i neutralitzar els vessaments. Un exemple d’això és el tractament biològic en llits mòbils
Tecnologia de llit mòbil.
Una de les tecnologies utilitzades per al tractament dels efluents de les fàbriques de cel·lulosa, és un procés biològic complex que combina els processos MBBR (Moving Bed Biofilm Reactor) i BAS (Biofilm Activated Sludge) amb limitació de nutrients, que s’ha anat emprant amb èxit.
El procés BAS consisteix a implantar un sistema mixt en el qual la càrrega contaminant influent és tractada per una combinació de biomassa adherida a suport mòbil i biomassa en suspensió. Combina un reactor de llit mòbil al capdavant, seguit d’un reactor de fangs actius.
Un disseny adequat del procés dóna lloc a un dimensionament correcte en l’etapa de fangs actius juntament amb un reactor de biopel·lícula MBBR, capaç de suportar els pics de càrregues contaminants. El resultat és un tractament eficaç i robust apte per a qualsevol tipus d’aigües residuals industrials.
El reactor de llit mòbil MBBR inicial està dissenyat per eliminar els compostos més fàcilment biodegradables, reduint el volum global de la instal·lació i millorant les propietats de sedimentabilitat del fang en comparació a les que s’obtenen en processos convencionals de fangs actius.
Aquest primer reactor proporciona, al seu torn, gran estabilitat davant variacions de càrrega en l’influent, amortitza els pics de càrrega i els efectes de qualsevol tòxic o inhibidor, eliminant entre el 50-70% de la DBO d’arribada.
A més, aquest pretractament augmenta entre 2 i 3 vegades la capacitat de tractament en comparació a un procés convencional de fangs actius, requerint al seu torn un menor volum.
La recirculació de fangs genera un cultiu mixt en el reactor de fangs actius, on es combinarà la biomassa en suspensió amb la biopel·lícula generada en el reactor de llit mòbil previ.
Així mateix, el procés BAS millora les característiques del fang actiu fent-lo més estable i amb una qualitat del fang més fàcil de deshidratar. El procés BAS amb limitació de nutrients té una funció d’ajust, que redueix la producció de fangs en els casos en què es requereix una addició de nutrients.
En l’etapa de biopel·lícula la DQO de l’aigua residual es transforma en polisacàrids que al seu torn s’empren per a la generació de nova biomassa en el fang actiu. La producció i consum de polisacàrids suposen un consum d’energia per a les bacteris, cosa que limita el seu creixement, que es tradueix en una reducció de producció de fangs i per tant en un estalvi dels costos operacionals.
Aquest sistema permet reduir la producció de fangs secundaris i disminuir la quantitat de nutrients requerida.
Els fangs en excés són sotmesos a concentració mitjançant processos de assecat mecànic i dosificació d’additius que faciliten la seva sequedat, però, en aquest cas són difícilment compostables com a adob, mentre que la tecnologia d’evaporació al buit sí que ho permet, sobretot en els casos en què es disposa de focus de calor en excés a la fàbrica (aigua calenta, vapor …etc.)
Tractaments d’oxidació química
També és freqüent trobar-se amb vessaments amb contaminacions molt poc biodegradables. Aquests efluents inclouen a més de vessaments fortament àcids i alcalins, compostos orgànics de difícil oxidació biològica, per la qual cosa la càrrega orgànica és considerada com a DQO refractària. El tractament en aquests casos resulta costós, ja que requereix de tecnologies d’oxidació específiques.
Després d’un pretractament de separació de sòlids amb reixes automàtiques i la neutralització i homogeneïtzació d’efluents, es procedeix a un tractament d’oxidació química que pot ser total o parcial.
En l’oxidació parcial, es pretén trencar els enllaços de les molècules orgàniques complexes, de tal manera que, després puguin ser digerides per les bacteris en un posterior tractament biològic, mentre que, en l’oxidació total, s’aconsegueix un vessament que veu reduïts aquests compostos orgànics en la seva gairebé totalitat.
En el primer cas, les instal·lacions són més simples, però els temps de contacte són llargs, cosa que imposa un volum elevat i àmplies superfícies per implantar les depuradores, cosa que no sempre és factible.
En el segon cas, les instal·lacions requereixen menys espai, però té un cost d’implantació i un consum energètic més elevat.
En alguns casos s’havien utilitzat oxidants basats en el Clor, però la formació d’organoclorats i THM els ha posat en desús.
També s’han assajat tecnologies que combinen l’Ozó amb les radiacions UV de baixa i mitjana càrrega, però, encara que s’utilitzin catalitzadors, els resultats obtinguts no han estat del tot satisfactoris.
L’evaporació al buit és una tecnologia aplicable en els casos en què la DQO volàtil és baixa i, especialment, si es disposa d’excés d’energia a la fàbrica i, en qualsevol cas, és aplicable per a la concentració dels fangs obtinguts.
RESUM
El cel·lulosa és un polímer que es genera a partir de la cel·lulosa. És molt biodegradable, cosa que li confereix un paper mediambiental creixent davant dels plàstics. No obstant això, i sent un producte perfectament compatible amb els aliments, i dotat d’unes característiques fisicoquímiques excel·lents, el seu procés de fabricació actual precisa de reactius i tractaments que produeixen uns efluents molt contaminants i complexos, al punt que la major producció mundial s’ha desplaçat als països asiàtics en què la normativa mediambiental és menys exigent.
Existeix doncs una important tasca en l’optimització dels processos productius i en les tecnologies de depuració aplicables, així com en la regulació i control de la procedència dels fabricats i matèries primeres.
Bibliografia i referències a Internet
- “Tractament de vessaments industrials i perillosos”. Welson L. Nemerow i Avigit Dasgupta – Ed. Díaz de Santos 1998.
- Metcalf-Eddy. 1994. Enginyeria sanitària. Tractaments, evacuació i reutilització d’aigües residuals. Ed. Labor. Barcelona.
- https://www.navarra.es/NR/rdonlyres/454BE94F-2114-4831-BE6C-A617E2CA1369/90744/ VISCOFAN.pdf
- https://fashionunited.es/noticias/moda/la-viscosa-una-fibra-sostenible/2017070724133