Influence of process variables of ECF Ep bleaching stage

Abstract

Kraft pulp bleaching is difficult, since residual lignin does not dissolve in a single stage with chlorinated compound application. Multiple stages using a significant amount of reagents are necessary to obtain high levels of brightness. The inclusion of hydrogen<br />peroxide in the last alkaline stage of the ECF (Elemental Chlorine Free) bleaching of kraft pulps is at present common practice, as it increases brightness and its stability, besides preserving pulp viscosity and improving the quality of the effluents. The objective of this work consisted in evaluating the process variables of the Ep stage of a pine kraft pulp bleaching process. A fractionated factorial design was initially applied, using as variables the temperature (72ºC – 90ºC), the initial pH (10.5 and 11.5), the initial concentration of H2O2 (0.2% and 0.4% on o.d. pulp – oven-dry pulp), and two types of chelants (DTPA and DTPMPA) at 0.025% on o.d. pulp. A laboratory bleaching was simulated at 10% consistency and 1h residence time. Temperature, initial concentration of H2O2, and pH were the significant variables for the optical pulp properties. An experimental Central Composite Design (CCD) of two factors at five levels was applied with the first two factors, totalling 11 experiments (8 + 3 central point<br />repetitions for pure error determination), a fixed NaOH (% on o.d. pulp) / H2O2 (% on o.d. pulp) ratio equal to 3 having been establishing to maintain the alkalinity. Bleaching processes at different times (5, 10, 20, 45, 90, 180, and 240 minutes) were carried out for each of these experiments, and brightness values higher than 89% ISO were obtained at initial concentrations of 0.25% on o.d. pulp and 0.39% on o.d. pulp of H2O2 at 81ºC, and with 0.35% on o.d. pulp of initial H2O2 at 90ºC and 72ºC, at 180 minutes’ bleaching. The initial concentration of hydrogen peroxide was significant at the different reaction times. At 45 minutes’ reaction (as usually put into practice by the industry for this stage), the maximum brightness values were obtained under the following conditions: T = 81ºC at 0.39% on o.d. pulp of initial H2O2, and T = 90ºC at 0.35% o.d. pulp of initial H2O2. However, it should be observed that the pulp submitted to these last conditions presented higher brightness reversion.

As polpas kraft são de branqueamento difícil, pois que a lignina residual não se dissolve em um só estágio de aplicação de compostos clorados, sendo necessários múltiplos estágios e uma quantidade expressiva de reagentes para a obtenção de altos níveis de alvura. A inclusão de peróxido de hidrogênio no último estágio alcalino do branqueamento ECF (Elemental Chlorine Free) de polpas kraft é atualmente uma prática comum, pois incrementa a alvura e sua stabilidade, além de preservar a viscosidade das polpas e melhorar a qualidade dos efluentes. O presente trabalho consistiu em avaliar as variáveis de processo do estágio Ep de uma polpa kraft de pinho. Foi inicialmente aplicado um desenho fatorial fracionado, utilizando-se como variáveis a temperatura (72ºC – 90ºC), o pH inicial (10,5 e 11,5), a concentração inicial de H2 O2 (0,2% e 0,4% sobre polpa a.s. – absolutamente seca) e dois tipos de quelantes (DTPA e DTPMPA) a 0,025% sobre polpa a.s. Foi simulado branqueamento em laboratório com consistencia de 10% e com tempo de residência de 1h. As variáveis significativas para as propriedades ópticas das polpas foram: a temperatura, a concentração inicial de H2 O2 e o pH. Com os primeiros dois fatores foi aplicado um desenho experimental tipo central composto (Central Composite Design: CCD) de dois fatores e cinco níveis, com um total de 11 experimentos (8 + 3 repetições do ponto central para a determinação do erro puro), sendo estabelecida uma relação NaOH (% sobre polpa a.s.) / H2 O2 (% sobre polpa a.s.) fixa e igual a 3, para manutenção da alcalinidade. Para cada uma destas experiências foram realizados branqueamentos com tempos diferentes (5, 10, 20, 45, 90, 180 e 240 minutos). Foram obtidos valores de alvura superiores a 89% ISO com concentrações iniciais de 0,25% sobre polpa a.s. e 0,39% sobre polpa a.s. de H2 O2 a 81ºC, e com 0,35% sobre polpa a.s. de H2 O2 inicial a 90ºC e 72ºC, com 180 minutos de branqueamento. A concentração inicial de peróxido de hidrogênio foi significativa aos diferentes tempos de reação. Aos 45 minutos de reação (o normalmente praticado na indústria para esse estágio), as alvuras máximas foram obtidas com as seguintes condições: T = 81ºC com 0,39% sobre polpa as de H2 O2 inicial e T = 90ºC com 0,35% sobre polpa a.s. de H2 O2 inicial. De se observar, contudo, que a polpa submetida a essas últimas condições apresentou maior reversão de alvura.