PARTIR DE RESIDUOS CELULÓSICOS

CAMPO TECNOLÓGICO

La presente invención se relaciona con un proceso para la producción de una gran variedad de materiales de construcción a partir del residuo papelero, que consume una alta cantidad de este desperdicio industrial, lo que implica una reducción de los depósitos de estos residuos contaminantes y por ende, la disminución de los efectos adversos que dichos residuos causan sobre el ambiente.

El proceso de la invención permite obtener un material apto para la construcción, a partir de residuos generados durante el proceso de fabricación de papel, sin necesidad de agregar aglomerantes o aglutinantes. La materia prima del proceso es tomada directamente de la fábrica de papel sin ningún pre-tratamiento ni adición de agua en ninguna de las etapas del proceso.

El material producido mediante este proceso presenta excelentes propiedades físicas de resistencia a la compresión y a la absorción de humedad, además de ser no corrosivo, no reactivo, no explosivo, no tóxico y no inflamable, lo cual lo hace superior a productos similares debido a la no utilización de agentes neutralizantes.

La invención contenida en la presente solicitud, suministra un procedimiento para la obtención de una serie de productos aplicables o útiles en el campo de la construcción, en particular pero no exclusivamente, tales como: bloques, adoquines, tejas, postes, placas divisoras, cielos rasos, entre otros, todos a partir de residuos papeleros. ESTADO DE LA TÉCNICA

Para la elaboración de papel a partir de celulosa es necesario un gran consumo de agua y de energía. Los procesos de fabricación de papel se basan en una mezcla de papel reciclado o celulosa virgen y agua cuyo resultado es una pasta a partir de la cual se producen varios tipos de papel y muchos tipos de materiales de desecho. A esta pasta se le adicionan productos químicos y el papel se forma por medio de una variedad de subprocesos.

Normalmente, el agua utilizada durante la fabricación de papel se envía a un tanque donde los componentes más pesados se depositan en el fondo y se extraen como "lodos". El "lodo" obtenido al final del proceso en la planta papelera pasa por una prensa (normalmente mecánica), para eliminar el agua adicional y son sumados con otro "lodos" para su disposición final. Este "lodo" es conocido en la industria como: residuo papelero, residuo celulósico o "lodos papeleros", por nombrar unos pocos.

Estos lodos básicamente contienen grandes cantidades de agua, fibras cortas de celulosa inservible para hacer papel, cargas minerales, carbonato de calcio, arcillas y otros minerales, diversos catalizadores de mezcla o cloro para la fabricación de papel en el proceso. No hay una composición precisa de éstos, puesto que existen variaciones sustanciales en la madera y en las otras materias primas utilizadas, así como en el procesamiento y los otros componentes que se emplean para hacer diferentes tipos de productos de papel. Incluso se presenta una considerable variación en los procesos usados por los fabricantes de papel en la elaboración de productos similares.

La eliminación de este "lodo" es un problema constante para las fábricas de papel y para el ambiente en general. La práctica actual consiste en someter el "lodo papelero" a una operación de prensado mecánico como último proceso del tratamiento de éste en la papelera para eliminar el exceso de humedad. No obstante, el residuo resultante aún tiene gran proporción de agua de los materiales mencionados anteriormente. Según los procedimientos vigentes, el residuo así obtenido es normalmente depositado en vertederos para el almacenamiento indefinido.

A la fecha se han reportado varios problemas asociados con este tratamiento del "lodo" de papel. En primer lugar, se está haciendo cada vez más difícil localizar los rellenos sanitarios adecuados, pues los vertederos existentes se llenan y los residentes frecuentemente se oponen a la expansión o creación de nuevos vertederos cerca de sus viviendas. Además, los materiales de lixiviación de los lodos depositados en dichos rellenos son peligrosos en sí. Esto aumenta el costo de la ingeniería de un vertedero adecuado pues se requiere de manejo idóneo de los lixiviados de este tipo e incrementa las quejas de la comunidad aledaña y las preocupaciones por los efectos indeseables en el ambiente. A pesar que el "lodo papelero" tiene variedad de aplicaciones, ninguna cumple simultáneamente con los pilares del desarrollo sostenible donde se conjuga lo ambiental, con lo económico y lo social.

Dentro de este contexto, existen un importante número de solicitudes dirigidas a la utilización de residuos de celulosa para la producción de nuevos materiales. Entre ellas las solicitudes JP52090585, JP200101 1799, CO5470292, ES2242535, MX2000PA000929, MX199504829, US5392721 y US5549059A, las cuales se relacionan con procesos para la obtención de materiales a partir de lodos papeleros, los cuales incluyen pasos como mezclas con cemento, cenizas, silicatos; conversión de la pulpa a cenizas ó mezcla con aglomerantes antes del proceso de secado. Esto no solo incrementa el costo de producción de los nuevos materiales sino que en muchas ocasiones aportan características no deseables al material, pues lo hace corrosivo, reactivo, explosivo, tóxico e inflamable. Igualmente, en los procesos donde se utilizan cenizas la incineración genera gases de invernadero. Adicionalmente, en estos procesos la cantidad de lodos empleadas es muy baja pues en ellos se considera que es necesario incluir un alto porcentaje de aglomerantes para lograr la resistencia deseada en materiales para la construcción.

Igualmente, existen procesos que no emplean aglomerantes, como es el proceso divulgado en la patente US6379594 que utiliza material fibroso que contiene celulosa que no es parte de un árbol y es seleccionada de un grupo que comprende fibras crudas de plantas, celulosa pura, residuos de papel, residuos de cartón. En este caso, se adiciona agua a esta materia prima y se pica finamente en una maquina de molido continuo con un gasto de energía total de al menos 0.5 KWh/kg, basado en el peso seco de la materia prima. La pulpa de microfibra producida tiene un incremento en superficie de fibra interna y en el grado de entrecruzamiento, esta pasta es entonces sometida a un proceso de moldeado para darle una forma específica y entonces se seca para remover el agua y endurecer el cuerpo moldeado en la pieza de trabajo especifica. Aunque esta solicitud tiene la ventaja de producir materiales sin la adición de otros agentes aglomerantes como cemento, requiere la incorporación de más agua lo que resulta innecesario pues a lo largo del proceso será indispensable removerla. Además, exige un alto consumo de energía tanto para retirar el exceso de agua como para la molienda.

Por su parte, el documento DE19952459 reporta un proceso para desarrollar partes moldeadas que comprenden una mezcla de papel. Durante este proceso los materiales moldeados se producen inicialmente preparando una suspensión de fibras a partir de residuo papelero. Posteriormente el agua es retirada y la pasta es moldeada por presión, secada e impregnada con un agente aglutinante, seleccionado entre gomas ó adhesivos repelentes al fuego y humedad, de base biológica ó química. Aunque este proceso elimina los aglomerantes de la mezcla con que se produce el material, requiere de otros aglutinantes y aún así se debe reforzar con barras metálicas para lograr la resistencia deseada. Los dos procesos descritos anteriormente no utilizan los residuos que generan las industrias papeleras, con lo cual limitan la capacidad de reciclaje de la celulosa.

Otro método existente en el estado de la técnica es el mencionado en la solicitud EP1 158094 donde se eliminan los aglomerantes pero se requiere de óxido de aluminio (Al ₂ 0 ₃ ), dióxido de aluminio (SiO ₂ ), óxido de calcio (CaO), óxido de sodio (Na ₂ O), óxido de magnesio (MgO), pentóxido de fósforo (P ₂ O ₅ ), óxido de azufre (SO3), óxido de potasio (KO ₂ ), óxido de titanio (TiO ₂ ), óxido de magnesio (MnO), óxido de férrico (Fe ₂ O ₃ ), óxido de zinc (O ₃ ), arcillas (AI ₂ O ₃ - SiO ₂ ), vidrio (AI ₂ O ₃ -SiO ₂ -CaO), carbonato de calcio (CaCO ₃ ), halógenos, cuerpos de cristal, aglutinantes, como resinas termoestables y otros óxidos para la producción del material. En este caso el proceso incluye un paso de orientación del material fibroso, lo que repercute en mayor tiempo invertido en el proceso. El material obtenido en este caso, presente una alta resistencia a la flexión debido principalmente a las laminas superficiales poliméricas que componen el material, pero no hace alusión alguna a la resistencia a la compresión, que es una característica relevante en los materiales empleados en la construcción.

Así las cosas, es evidente que en el estado de la técnica existía la necesidad de establecer un método que permita aprovechar del "todo" para evitar que éste sea precipitado en basurales cercanos a las industrias papeleras o su incineración afectando el ambiente. Específicamente, se requiere un proceso que emplee altos porcentajes de "lodo" y por ende, ayude a solucionar el problema ambiental generado por la enorme cantidad de residuos de la industria papelera generados anualmente.

En este sentido, se requiere de un método que permita maximizar el consumo de lodos para la producción de materiales de construcción u otras aplicaciones, optimizando el servicio ambiental de la celulosa; sin que ello implique altos consumos de energía, la adición grandes cantidades de aglomerantes, la incorporación de compuestos ambientalmente no amigables, ni costos tan altos que lleven a que el proceso no sea rentable. Adicionalmente, es indispensable que el material obtenido cumpla con las condiciones de resistencia exigidas por la normatividad internacional.

DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS

Figura 1 . Gráfico de la relación costo del aglomerante, específicamente resina, contra su resistencia a la compresión.

Figura 2. Gráfico de la relación costo del aglomerante, específicamente cemento, contra su resistencia a la compresión.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

La presente invención trata de un proceso al que es sometido el "lodo" para ser convertido en material de construcción, donde los costos son muy bajos, la adición de aglutinantes es nula y la cantidad de lodo empleado es el 100% del material producido.

El proceso comprende las etapas de homogeneizado, prensado, secado y impermeabilizado. A continuación se describe detalladamente cada una de ellas:

El último proceso al que se somete el "lodo" en la papelera es un prensado mecánico, en este proceso el residuo pierde gran cantidad de agua y sale con diferentes tamaños de grano, pues durante esta etapa se forman grumos.

La primera etapa del proceso que acá se reivindica es la homogenización, donde el tamaño de las partículas de "lodo" es nivelado entre 0,1 mm y 20mm, con el fin de aumentar la cohesión de las fibras y disminuir los concentradores de esfuerzos que se generan en la solidificación entre los puntos de unión de los grumos, para seguir con la siguiente etapa. Este trabajo puede ser ejecutado manualmente o por medio de una desmoronadora (criba giratoria), desterronador, un molino de martillos u otro equipo similar que permita fraccionar el "lodo" hasta tener un tamaño óptimo, capaz de atravesar una malla de las dimensiones descritas anteriormente.

Durante la siguiente etapa el material es prensado, preferiblemente con una fuerza hidráulica, a una presión entre un rango de 0,98 MPa a 6,86 MPa sobre la pieza, preferiblemente 1 ,41 MPa a 6,86 MPa, y aún mejor 4,90 MPa a 6,86 MPa aplicando la fuerza de manera continua hasta la posición que permite lograr el tamaño estándar, mediante esta compresión se elimina parte de la humedad y se compactan las fibras de celulosa aumentando la unión entre ellas. De esta presión también depende la porosidad del material la cual afecta de manera directa la absorción de humedad.

En la etapa de secado, el producto prensado es llevado a una cámara de secado donde el material termina de perder humedad a condiciones ambientales o por convección forzada de aire externo, controlando la temperatura sin superar los 1 10°C, preferiblemente entre 42 °C y 90 °C y manteniendo la humedad relativa entre el 30 y 80% en la cámara de secado, preferiblemente entre 30 y 60%. En caso de que el proceso se lleve a cabo en algún lugar donde la temperatura sea inferior a 14°C, se requerirá la utilización de hornos o equipos para calentar y deshumidificar el aire de la cámara.

Finalmente, después del secado se aplica un impermeabilizante al material para reducir la penetración del agua en el mismo, el cual puede ser una emulsión acuosa sellante o tapaporos o una composición de polihidroxilos. Este proceso se lleva a cabo sobre la superficie exterior del producto por inmersión o aspersión, siguiendo la recomendación de dosificación aportada por el fabricante.

EJEMPLOS

En procura de mostrar las bondades de este proceso y del material obtenido mediante el mismo, se presentan a continuación ejemplos no limitantes sobre la mejor manera de llevar a cabo la invención.

Ejemplo 1

Los ensayos realizados para evaluar la compresión se realizaron sometiendo probetas cilindricas del material a diferentes presiones de compactacion. Las pruebas se efectuaron siguiendo los procedimientos establecidos en la norma NTC 673 correspondiente a "ENSAYO DE RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN DE CILINDROS NORMALES DE CONCRETO".

Se sometieron 15 probetas cilindricas a diferentes presiones de compactacion para determinar la resistencia mecánica a la compresión. Los resultados se presentan en la tabla 1 , mostrada a continuación:

Tabla 1

Ejemplo 2

Comparando los valores reportados en la tabla 1 con el valor mínimo establecido en la tabla 2 de la norma NTC 4205 relativa a "INGENIERÍA CIVIL Y ARQUITECTURA. UNIDADES DE MAMPOSTERÍA DE ARCILLA COCIDA, LADRILLOS Y BLOQUES CERÁMICOS", norma que establece los requisitos que deben cumplir los ladrillos y bloques cerámicos utilizados como unidades de mampostería y fija los parámetros con que se determinan los distintos tipos de unidades, se evidencia que los valores de compresión del novedoso material están más de 4 veces por encima del mínimo establecido por la norma. Como se puede observar en la tabla 2, la resistencia mínima a la compresión para la perforación horizontal es de 2,0 MPa mientras que el valor reportado para el material de la invención es de 9,02 MPa, es decir, más de 4 veces lo establecido en la norma.

Tabla 2

1 ) Para el caso de ladrillos de perforación vertical, los valores establecidos corresponden a Resistencia Neta mínima a la compresión, en los otros casos corresponden a Resistencia Bruta.

PH= Unidad de mampostería de perforación horizontal (Ladrillo y Bloque) PV= Unidad de manipostería de perforación vertical (Ladrillo y Bloque)

M= Unidad de mampostería maciza (ladrillo)

Ejemplo 3

Igualmente, se evaluó la absorción de agua del material de la invención según el procedimiento establecido en la Norma NTC 4017 relacionada con "MÉTODOS PARA MUESTREO Y ENSAYOS DE UNIDADES DE MAMPOSTERÍA Y OTROS PRODUCTOS DE ARCILLA". Los resultados obtenidos se muestran en la tabla 3 que se anexa a continuación.

Tabla 3

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Como se puede observar, el valor máximo de absorción de agua se encuentra dentro de los límites estandarizados en la tabla 2 de la norma NTC 4205 relativa a "INGENIERÍA CIVIL Y ARQUITECTURA. UNIDADES DE MAMPOSTERÍA DE ARCILLA COCIDA, LADRILLOS Y BLOQUES CERÁMICOS". Dichos valores fluctúan desde 45% hasta la impermeabilización total.

Ejemplo 4

Se realizó una prueba para determinar la resistencia del material en función de la cantidad y por ende, del valor del aglomerante. El análisis anterior se realizó con resinas y cemento. Como se observa en las gráficas 1 y 2, aún cuando no se agregan aglomerantes es posible obtener una buena resistencia a la compresión. Como se puede corroborar en la figura 1 , cuando los materiales son realizados mediante el proceso de la invención y no se adicionan resinas se obtiene una resistencia a la comprensión entre 3 MPa y 4 MPa, lo cual es superior a la resistencia lograda con materiales que incluyen estos aglomerantes. Por su parte, la figura 2, que comprende los ensayos comparativos entre la no presencia de aglomerantes y la adición de cemento, muestra que se obtienen resistencias a la compresión en un rango de 2 MPa a 3MPa con el material producido según el procedimiento de la presente invención, es decir, sin la adición de cemento u otro aglutinante.

De lo anterior es evidente que el material de la invención constituye una muy buena alternativa para hacer económicamente factible el tratamiento de lodos papeleros, toda vez que los procesos que se basan en mezclas con aglomerantes aumentan el costo de producción de los materiales lo que hace inviable su aplicación industrial.

Ejemplo 5

Para dar mayor claridad a los beneficios logrados con el material producido mediante el proceso de la invención, a continuación se presentan en la tabla 4 las características de un bloque (ladrillo) convencional y se comparan con las características del bloque de material desarrollado con el proceso de la invención, las cuales son resumidas en la tabla 5:

Tabla 4

ESPECI FICACIONES TÉCNICAS DE UN BLOQUE TRADICIONAL

Dimensiones Largo Ancho Alto

33 cm 9 cm 23 cm

Paredes 10 mm

Tabiques 10 mm

Masa Unidad 5,3 Kg

Rendimiento 12,25 Unidades/m ^A 2

M, asa de os ble je m itt i! 63.7 Kg m ^A 2 de muro

mure

Aplicación Mampostería confinada

Muros divisorios

Muros a la vista

Clasific; ación Unidad de Mampostería de Perforación

Horizontal

Resis tencia a ls i compre sión 4,9 MPA

Absorción de agua

Normas aplicadas INCONTEC NTC 4205

AIS NSR 98

ASTM C 56, C212, C216

Tabla 5

ESPECI FICACIONES TÉCNICAS DEL MATERIAL DE LA INVENCIÓN

Dimensiones Largo Ancho Alto

30 cm 10 cm 20 cm

Paredes 19 mm

Tabiques 19 mm

Masa Unidad 3,1 Kg

Rendimiento 15,36 Unidades/m ^A 2

Masa de los bloques en el 47.61 Kg m ^A 2 de muro

muro

Aplicación Mampostería confinada

Muros divisorios

Clasificación Unidad de Mampostería de Perforación

Horizontal

Resistencia a la compresión 8.8 MPA

Absorción de agua 10%

Normas aplicadas INCONTEC NTC 4205. NTC 4017

Al contrastar los datos de las masas en las tablas 4 y 5 se observa como el valor del nuevo material (3,1 kg) disminuye en comparación con el reportado para el bloque convencional (5,3 kg), esto es alrededor del 41 %, lo que además de reducir las cargas muertas y costos de transporte, brinda mayor seguridad en casos de sismos. También cabe destacar la superioridad del material de la invención en cuanto a resistencia a la compresión, ya que está en 8,8 MPa, mientras la resistencia del material tradicional es 4,9 MPa. Esto permite afirmar que con el proceso de la invención se incrementa en un 44% la resistencia de los materiales obtenidos a partir de los lodos papeleros.