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Tratamiento de aguas residuales procedentes de la fabricación de celofán

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INTRODUCCIÓN

Dentro de los productos fabricados por las industrias papeleras, es el celofán el que tiene unas propiedades que lo proponen como claro candidato a la sustitución de los envases y bolsas de plástico procedentes del petróleo. El celofán es una de las películas más finas derivadas de la celulosa.

Este polímero tiende a caracterizarse por ser transparente y flexible. Además, resulta ser un material de alta resistencia para trabajos de tracción y de fácil corte. Se fabrica a partir de la disolución de fibras de cáñamo, algodón o madera. De esta disolución se obtienen una solución viscosa, la cual pasa por un proceso de extrusión y posteriormente es bañada por un ácido que la convierte en celulosa.

Este proceso es muy parecido a la fabricación de fibra de rayón, aunque difiere en su proceso de extrusión ya que el celofán pasa a través de una ranura mientras que el rayón pasa por un orificio.

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El celofán fue inventado por el químico suizo Jacques E. Brandenberger en 1900, inspirado al ver un derrame de vino en el mantel de un restaurante, decidió crear una tela que pudiera repeler líquidos en lugar de absorberlos.

Su primer paso consistió en rociar una capa impermeable sobre la tela, y optó por tratarla con viscosa.

El tejido revestido resultante era demasiado rígido, pero la clara película se separaba fácilmente de la tela de refuerzo, y abandonó su idea original cuando las posibilidades del nuevo material se hicieron evidentes.

Brandenberger necesitó diez años para perfeccionar su película, siendo la principal mejoría sobre trabajos anteriores con este tipo de películas el añadido de glicerina para ablandar el material. En 1912 ya había construido una máquina para la fabricación de la película, que llamó celofán, de las palabras «celulosa» y «diáfano» (transparente). Este producto se patentó ese mismo año.

El celofán se comenzó a emplear por una compañía estadounidense de golosinas. Esta compañía lo empleaba como envoltorio para sus dulces. Con el paso del tiempo el celofán se fue comercializando como un material útil dentro de la industria alimenticia.

Posteriormente se fue perfeccionando y adaptando a distintas aplicaciones, como es el caso de la Nitrocelulosa que le daba resistencia a la humedad externa, y a otros compuestos que permitían fibras flexibles y porosas como es el caso de los envoltorios de los embutidos.

ESTRUCTURA QUÍMICA

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La celulosa se trata con disulfuro de carbono y álcali (hidróxido de sodio) para producir la viscosa, la cual luego es extruida a través de una ranura y sumergida en un baño ácido que la vuelve a convertir en celulosa.

Por medio de un proceso similar, utilizando un orificio en lugar de una ranura, se produce una fibra llamada rayón.

PROCESO DE FABRICACIÓN

El celofán o celulosa regenerada es material plástico transparente de celulosa hecho mezclando xantato de celulosa con una solución de hidróxido de sodio diluido para formar una viscosa.

La película de celofán es transparente, incolora, no tóxica e inodora compuesta de celulosa regenerada, agua y un humectante adecuado (plastificante o suavizante), que es generalmente glicerol. Debido a su bajo costo y una amplia gama de propiedades útiles, el celofán es una de las películas más utilizadas hoy en día.

Aunque no se considera estrictamente un material plástico, el celofán, se fabrica mediante un proceso de extrusión en el que se pasa una solución de celulosa disuelta (viscosa) a un baño de ácido. Esto insolubiliza la solución y regenera la celulosa.

Las propiedades físicas, tales como la resistencia a la tensión, la elongación, la suavidad y la rigidez, dependen de la composición de este sistema de tres componentes, que varía considerablemente dentro de los siguientes límites aproximados: celulosa regenerada 60-85%, humectante 10-25% y agua 5-15%. El contenido de humedad variará adicionalmente, porque la película es susceptible a cambios de humedad en la atmósfera.

El celofán es resistente y por lo por lo general, químicamente inerte, excepto a ácidos concentrados y álcalis. También transmite un alto porcentaje de rayos ultravioleta. Está disponible en una variedad de colores estándar, se puede modificar para resistir la flama y se puede marcar y adornar por una variedad de técnicas de impresión.

Los efectos contaminantes del bisulfuro de carbono y otros subproductos del proceso usado para hacer viscosa son tóxicos; sin embargo, el celofán en sí mismo, es 100% biodegradable; y es que, a diferencia de lo que ocurre con el plástico, cuyo proceso de reciclaje es limitado ya que no desaparece completamente de la naturaleza, el celofán sí que lo completa mediante el compostaje y regresa a la tierra en forma de abono cerrando el ciclo del producto. Un proceso que no dura más de cinco años y que le convierte en una alternativa real al plástico tradicional.

PRINCIPALES APLICACIONES DEL CELOFAN

El celofán se usa como material de envoltura de protección general. Debido a sus buenas propiedades eléctricas, se utiliza en la construcción de alambres y cables y otros productos eléctricos. También funciona como película de separación, barrera o liberación en moldeo y laminación de plástico. Para hacerla a prueba de humedad, la mayor parte de la película de celofán es recubierta con una laca compuesta de nitrocelulosa (piroxilina), plastificantes, resinas y ceras. Este recubrimiento también puede dar a la película de celofán una propiedad de termosellado.

Adicionalmente, gracias a su semipermeabilidad, la película de celulosa es ampliamente utilizada como membrana para diálisis y es el material más popular para la fabricación de paquetes de cigarrillos; su permeabilidad a la humedad hace que el celofán sea el producto perfecto para esta aplicación.

Entre los usos y aplicaciones más comunes del celofán, destacan los siguientes:

  • Se emplea como envoltorio de alimentos, regalos y arreglos florales.
  • Se utiliza para la fabricación de cintas adhesivas.
  • En aplicaciones industriales se emplea para la producción de membranas semipermeables, las cuales se emplean para las baterías.
  • Se puede aplicar como recubrimiento.
  • Un producto derivado se utiliza como envolvente de los embutidos.
  • El futuro le dispensa un lugar importante entre los sustitutivos de los polímeros derivados del petrolero como el polietileno o el polipropileno.

Pero no sólo se emplea en el sector de la alimentación, también en aquellas actividades económicas o comercios en los que es necesario envolver objetos delicados de manera suave, dejando entrever el contenido como las floristerías, las joyerías o en las pastelerías gourmet. Por todo ello, se puede afirmar sin temor a equivocarnos que emplear celofán en nuestra actividad profesional o personal es un ejercicio de responsabilidad ecológica y social.

EL MERCADO MUNDIAL DE LA INDUSTRIA DEL CELOFÁN

Las primeras plantas productoras de viscosa comercial aparecieron a inicios del siglo XX en Gran Bretaña, Estados Unidos, Francia, Alemania y Rusia.

Inicialmente la viscosa se comercializaba como filamento, hasta que en los años 30 se empezó a mezclar la viscosa con algodón y lana creando nuevos tejidos y opciones para la industria de la moda.

Los efectos nocivos de la producción de viscosa fueron cada vez más evidentes y a finales del siglo pasado se cerraron muchas plantas muy contaminantes y poco rentables que emigraron a Asia, donde había una mano de obra más barata y regulaciones ambientales más laxas.

En la primera década del siglo XXI, China cuadruplicó su capacidad de producción de viscosa y ahora representa el 66% de la producción global. India e Indonesia son el segundo y tercer productor mundial. La industria también sobrevivió en Europa donde hay fuertes controles que han llevado a crear sistemas de ciclo cerrado o circulares de tal manera que los químicos que se usan no escapan al entorno ni entran en contacto con los trabajadores.

El mercado de la viscosa en la actualidad

Según información proporcionada por Lenzing AG, el consumo mundial de esta fibra creció un 1,5% en 2016 llegando a los 99 millones de toneladas.

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Según Changing Markets Foundation,  la fibra se usa principalmente para la industria de la indumentaria (53%) pero también en la industria de textiles para la casa (21%), la industria (20%) y los textiles médicos (6%).

Y por fibras, según Lenzing AG, el producto se distribuye en el mercado de la siguiente manera:

  • Fibras sintéticas provenientes de petróleo: 62.7% del mercado
  • Fibras provenientes de celulosa y proteína:
  • Algodón: 24.3%
  • Fibras de celulosa provenientes de la madera 6.6%
  • Fibras naturales: 5.3%
  • Lana: 1.1%

Si observamos la cuota de mercado de la capacidad de producción a nivel mundial por regiones (2016), vemos que China es el principal productor de este material seguido por India (11.10%), Sudeste Asiático (10,36%) y Europa (10,03%).

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Fuente: Global Viscose Fibre Market Research Report.2017, May 2017, QYR Chemical & Materials

Muchos fabricantes mundiales han optado por comprar la viscosa generada en China y los países que pueden vender a un precio más bajo a expensas de un importante impacto ambiental. En el siguiente esquema se indican algunas de estas empresas.

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TRATAMIENTO DE LOS EFLUENTES DERIVADOS DEL PROCESO DE FABRICACIÓN DEL CELOFAN

Según hemos comentado en este artículo, el celofán es un polímero de origen vegetal, que es 100 % biodegradable, por lo que su creciente utilización sustitutiva de los plásticos está perfectamente justificada, a fin de reducir la contaminación del medio ambiente; no obstante, el proceso productivo de la viscosa y los derivados que se obtienen a partir de ella, generan efluentes muy contaminantes que deben ser tratados por instalaciones sofisticadas y costosas.

Tratamientos biológicos

Cuando el tipo de efluentes lo permite (relativamente biodegradable), se realizan tratamientos biológicos complejos, tras un fisicoquímico previo destinado a separar sólidos y neutralizar los vertidos. Un ejemplo de ello es el tratamiento biológico en lechos móviles

Tecnología de lecho móvil.

Una de las tecnologías utilizadas para el tratamiento de los efluentes de las fábricas de celofán, es un proceso biológico complejo que combina los procesos MBBR (Moving Bed Biofilm Reactor) y BAS (Biofilm Activated Sludge) con limitación de nutrientes, que se ha venido empleando con éxito.

El proceso BAS consiste en implantar un sistema mixto en el cual la carga contaminante influente es tratada por una combinación de biomasa adherida a soporte móvil y biomasa en suspensión. Combina un reactor de lecho móvil en cabeza, seguido de un reactor de fangos activos.

Un adecuado diseño del proceso da lugar a un dimensionamiento correcto en la etapa de fangos activos junto con un reactor de biopelícula MBBR, capaz de soportar los picos de cargas contaminantes. El resultado es un tratamiento eficaz y robusto apto para cualquier tipo de aguas residuales industriales.

El reactor de lecho móvil MBBR inicial está diseñado para eliminar los compuestos más fácilmente biodegradables, reduciendo el volumen global de la instalación y mejorando las propiedades de sedimentabilidad del fango en comparación a las que se obtienen en procesos convencionales de fangos activos.

Este primer reactor proporciona, a su vez, gran estabilidad ante variaciones de carga en el influente amortigua los picos de carga y los efectos de cualquier tóxico o inhibidor, eliminando entre el 50-70% de la DBO de llegada.

Además, este pretratamiento aumenta entre 2 y 3 veces la capacidad de tratamiento en comparación a un proceso convencional de fangos activos, requiriendo a su vez un menor volumen.

La recirculación de fangos genera un cultivo mixto en el reactor de fangos activos, donde se combinará la biomasa en suspensión con la biopelícula generada en el reactor de lecho móvil previo.

Así mismo, el proceso BAS mejora las características del fango activo haciéndolo más estable y con una calidad del fango más fácil de deshidratar. El proceso BAS con limitación de nutrientes tiene una función de ajuste, que reduce la producción de fangos en los casos en los que se requiere una adición de nutrientes.

En la etapa de biopelícula la DQO del agua residual se transforma en polisacáridos que a su vez se emplean para la generación de nueva biomasa en el fango activo. La producción y consumo de polisacáridos suponen un consumo de energía para las bacterias, lo que limita su crecimiento, que se traduce en una reducción de producción de fangos y por tanto en un ahorro de los costes operacionales.

Este sistema permite reducir la producción de fangos secundarios y disminuir la cantidad de nutrientes requerida.

Los fangos en exceso son sometidos a concentración mediante procesos de secado mecánico y dosificación de aditivos que facilitan su sequedad, pero, en este caso son difícilmente compostables como abono, mientras que la tecnología de evaporación al vacío sí que lo permite, sobre todo en los casos en que se dispone de focos de calor en exceso en la fábrica (agua caliente, vapor …etc.)

Tratamientos de oxidación química

También es frecuente encontrarse con vertidos con contaminaciones muy poco biodegradables. Estos efluentes incluyen además de vertidos fuertemente ácidos y alcalinos, compuestos orgánicos de difícil oxidación biológica, por lo que la carga orgánica es considerada como DQO refractaria. El tratamiento en estos casos resulta costoso, pues requiere de tecnologías de oxidación específicas.

Tras un pretratamiento de separación de sólidos con rejas automáticas y la neutralización y homogeneización de efluentes, se procede a un tratamiento de oxidación química que podrás ser total o parcial.

En la oxidación parcial, se pretende romper los enlaces de las moléculas orgánicas complejas, de tal forma que, luego puedan ser digeridas por las bacterias en un posterior tratamiento biológico, mientras que, en la oxidación total, se consigue un vertido que ve reducidos estos compuestos orgánicos en su casi totalidad.

En el primer caso, las instalaciones son más simples, pero los tiempos de contacto son largos, lo que impone un volumen elevado y amplias superficies para implantar las depuradoras lo que no siempre es factible.

En el segundo caso, las instalaciones requieren menos espacio, pero tiene un coste de implantación y un consumo energético más elevado.

En algunos casos se venían utilizado oxidantes basados en el Cloro, pero la formación de organoclorados y THM los ha puesto en desuso.

También se han ensayado tecnologías que combinan el Ozono con las radiaciones UV de baja y media carga, pero, aun utilizando catalizadores, los resultados obtenidos no han sido del todo satisfactorios.

La evaporación a vacío es una tecnología aplicable en los casos en que la DQO volátil es baja y, especialmente, si se dispone de exceso de energía en la fábrica y, en cualquier caso, es aplicable para la concentración de los fangos obtenidos.

RESUMEN

El celofán es un polímero que se genera a partir de la celulosa. Es muy biodegradable lo que le confiere un papel medioambiental creciente frente a los plásticos. No obstante, y ser un producto perfectamente compatible con los alimentos, y dotado de unas características físico químicas excelentes, su proceso de fabricación actual precisa de reactivos y tratamientos que producen unos efluentes muy contaminantes y complejos, al punto que la mayor producción mundial se ha desplazado a los países asiáticos en los que la normativa medioambiental es menos exigente.

Existe pues una importante tarea en la optimización de los procesos productivos y en las tecnologías de depuración aplicables. así como en la regulación y control de la procedencia de los fabricados y materias primas.

Bibliografía y referencias en Internet

  •  “Tratamiento de vertidos industriales y peligrosos”. Welson L. Nemerow y Avigit Dasgupta – Ed. Díaz de Santos 1998.
  • Metcalf-Eddy. 1994. Ingeniería sanitaria. Tratamientos, evacuación y reutilización de aguas residuales. 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

Reducción de los residuos líquidos en el sector de las artes gráficas

En este post vamos a repasar algunos de los principales residuos líquidos que se generan en el sector de las artes gráficas y las tecnologías más adecuadas para su tratamiento.

Recuperación de disolventes de limpieza residuales mediante destilación

Descripción: Los disolventes residuales empleados para la limpieza se pueden destilar y reutilizar. Existen equipos para la operación específica del destilado de estos disolventes.

Cuando se aplican sistemas de limpieza de grasa o de purgado, se emplean  disolventes para limpiar este sistema después de cada cambio de color. Los equipos modernos de suministro de tintas ya llevan incorporados equipos de recuperación de estos disolventes.

Beneficios ambientales alcanzados: Los beneficios ambientales conseguidos  mediante esta técnica son muy importantes: Por un lado, se consigue reducir la cantidad de disolventes residuales, que son una vez empleados gestionados como residuos contaminantes. Por otro lado, la utilización del disolvente reciclado reduce la cantidad necesaria de disolvente fresco de limpieza a consumir, lo que conlleva un importante ahorro económico.

Efectos adversos: La destilación del disolvente contaminado requiere del consumo de energía.

Datos operativos: El equipo de destilación debe ser instalado y operado con cuidado.

Los agentes de limpieza con un alto punto de inflamación normalmente también tienen un alto punto de ebullición. Para estos disolventes, sólo se puede aplicar un equipo de destilación a vacío, de forma que no se alcancen temperaturas excesivamente altas. En esta situación, sin embargo, el empleo de una membrana de filtración puede ser una alternativa más barata. Ya existen máquinas de lavado con un sistema de destilación incorporado.

Aplicabilidad: La recuperación de disolventes de limpieza mediante destilación es una técnica aplicable a todos los sectores industriales. En particular: En las industrias de impresión por huecograbado, flexografía y offset de secado por calor (heat-set offset) es de común aplicación la recuperación de disolventes por destilación. Es sobre todo muy empleada en plantas cuyo consumo supere los 200 litros de disolventes de limpieza a la semana.

Costes económicos: Los costes de instalación del equipo de recuperación de disolventes por destilación varían en un amplio rango, ya que dependen del tamaño necesario del equipo y de la aplicación específica del mismo. Sin embargo, mediante la aplicación de esta técnica se consigue también un considerable ahorro de costes debido a la reutilización del disolvente, así como una minimización en los costes de gestión de los residuos generados, que al ser éstos menores también se reducen.

Razones para su implementación: Reducción de las emisiones de COVs y cumplimiento de la normativa referente a los mismos. Ahorro económico en materias primas por reciclado de disolvente, y reducción de costes de gestión de residuos generados.

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Destilación y evaporación de residuos de productos en base solvente

Descripción: Los residuos en base solvente, como por ejemplo las tintas, barnices y adhesivos empleados en las plantas de impresión pueden ser destilados y evaporados al vacío para recuperar el disolvente y reducir de esta manera la cantidad de residuos peligrosos.

Beneficios ambientales alcanzados: La cantidad de residuos contaminantes y/o peligrosos se reduce y se consigue una reducción en el consumo de materias primas (disolvente).

Efectos adversos: La destilación del disolvente contaminado requiere del consumo de energía.

Aplicabilidad: Esta técnica es aplicable en todas las instalaciones de impresión, tanto nuevas como existentes.

Costes económicos: Los costes de instalación del equipo de recuperación de disolventes por destilación varían en un amplio rango, ya que dependen del tamaño necesario del equipo y de la aplicación específica del mismo. Sin embargo, mediante la aplicación de esta técnica se consigue también un considerable ahorro de costes debido a la reutilización del disolvente, así como una minimización en los costes de gestión de los residuos generados, que al ser éstos menores también se reducen.

Reducción y tratamiento del agua residual mediante ultra y nanofiltración

Descripción: Con la ultrafiltración y la nanofiltración (UF y NF), también conocidas como ósmosis inversa, el agua contaminada pasa a través de una membrana semi-permeable a alta presión, que deja pasar las pequeñas moléculas de agua, pero no las moléculas de mayor tamaño. La concentración de los compuestos contaminantes sobre la membrana se incrementa por el paso repetido del agua contaminada a través de esta membrana.

Beneficios ambientales alcanzados: Se reduce el volumen de sustancias contaminantes y el agua puede ser reutilizada para, por ejemplo operaciones de limpieza, etc. El residuo filtrado, por ejemplo de tinta o de pintura, puede ser recuperado y re-utilizado.

Efectos adversos: El agua filtrada si no es re-utilizada se vierte por el sistema de alcantarillado. La filtración requiere del consumo de energía

Aplicabilidad: Esta técnica es comúnmente aplicada en las plantas de impresión en las que se emplean grandes cantidades de tintas en base agua, barnices y adhesivos, como son las plantas de impresión de embalaje. También se emplea en la industria automovilística.

Costes económicos: Los costes de instalación del equipo de ultrafiltración ó nanoflitración son bastante elevados.

Destilación al vacío

Descripción: Se trata de una destilación efectuada realizando un vacío en la columna, de forma que la ebullición del disolvente ó del líquido que se quiere separar se produzca a una Tª inferior a la que se produciría a la presión atmosférica. En el resto de las características, esta técnica es similar a la destilación convencional.

Aplicabilidad: Aplicable en toda la industria gráfica.