Producción de celulosa micro y nanofibrilada con contenido de lignina (LMFC) a partir de subproductos de pulpa reciclada como aditivo para mejorar la calidad del papel

Abstract

En la actualidad, los productos celulósicos a base de fibra reciclada son cada vez más aceptados por los consumidores. No obstante, estos productos enfrentan desafíos asociados con la calidad y el suministro de materia prima, ya que las fibras se degradan progresivamente durante el proceso de reciclaje. Esto limita la cantidad de ciclos de reciclaje que las fibras pueden soportar y genera residuos celulósicos en la industria papelera, los cuales podrían ser aprovechados de manera más eficiente. El objetivo principal de la investigación es evaluar la factibilidad de producir celulosa micro y nanofibrilada con contenido de lignina (LMFC) a partir de subproductos de pulpa reciclada (finos o “paper sludge”) para emplearla como un aditivo para mejorar la calidad del papel reciclado y optimizar el aprovechamiento de los residuos generados en la industria del reciclaje de papel. Para esto se desarrollan dos líneas de producción de LMFC, a partir de materia prima lavada (LMFC-FL) y materia prima sin lavar (LMFC-FSL). Ambas líneas de trabajo consideraron procesos de blanqueo parcial, pretratamiento químico (oxidación) con catalizador TEMPO y un tratamiento mecánico de homogeneización y ultrasonido. La caracterización de las LMFC desarrolladas en ambas líneas de producción indica que las muestras obtenidas a partir de material lavado (LMFC-FL) presentan un mayor desempeño en los procesos de funcionalización y nanofibrilación. Por lo tanto, se seleccionaron para ser empleadas como aditivo en la formación de papeles con pulpa reciclada. Se utilizaron concentraciones de 0,5%, 1%, 1,5%, 3% y 5% p/p del aditivo aplicado a la masa “in bulk”, así como una concentración de 3% p/p mediante el método de aplicación “doble capa”. Las propiedades mecánicas de los papeles obtenidos fueron evaluadas mediante las pruebas CMT (Concora Medium Test), resistencia a la tracción (RCT), resistencia a la compresión a corto alcance (SCT) y resistencia al estallido (Mullen). Los resultados evidencian que el LMFC utilizado como aditivo influye en las propiedades mecánicas del papel reciclado, logrando mejoras significativas en el índice de Mullen para los papeles formados con el aditivo aplicado a la masa y en el índice CMT para los papeles con el método de aplicación doble capa. Se concluye que los finos generados durante el reciclaje de papel tienen un gran potencial para producir celulosa micro y nanofibrilada con lignina y ser empleadas para mejorar las propiedades mecánicas del papel reciclado. Sin embargo, dado que la aplicación de LMFC de forma aislada no presenta resultados plenamente satisfactorios para todas las pruebas mecánicas evaluadas, se recomienda continuar investigando alternativas para aprovechar de manera eficiente estos subproductos y promover una economía circular respetuosa con el medio ambiente.

Currently, cellulosic products made from recycled fiber are increasingly accepted by consumers. However, these products face challenges related to the quality and supply of raw materials, as fibers progressively degrade during recycling. This limits the number of recycling cycles the fibers can withstand and generates cellulosic waste in the paper industry, which could be utilized more efficiently. The primary objective of this research is to evaluate the feasibility of producing lignin-containing micro- and nanofibrillated cellulose (LMFC) from recycled pulp byproducts (fines or "paper sludge") to use it as an additive for improving the quality of recycled paper and optimizing the use of waste generated in the paper recycling industry. Two production lines of LMFC are developed: washed raw material (LMFC-FL) and unwashed raw material (LMFC-FSL). Both production lines include partial bleaching, chemical pretreatment (oxidation) with TEMPO catalyst, and mechanical treatment through homogenization and ultrasound. The characterization of LMFC developed in both production lines indicates that samples derived from washed material (LMFC-FL) perform better in functionalization and nanofibrillation processes. Therefore, they were selected for use as additives in forming recycled pulp paper. Concentrations of 0.5%, 1%, 1.5%, 3%, and 5% w/w of the additive were applied to the pulp "in bulk," and a 3% w/w concentration using the "double-layer" application method. The mechanical properties of the resulting papers were evaluated using CMT (Concora Medium Test), tensile strength (RCT), short-span compression strength (SCT), and burst strength (Mullen). The results show that LMFC used as an additive significantly improves the Mullen index for papers formed with the additive applied to the pulp and the CMT index for papers produced using the double-layer method. It is concluded that fines generated during paper recycling have great potential for producing lignin-containing micro- and nanofibrillated cellulose and for improving recycled paper's mechanical properties. However, since the isolated application of LMFC does not yield fully satisfactory results across all mechanical tests evaluated, further research is recommended to explore alternative ways to efficiently utilize these byproducts and promote a circular economy that respects the environment.