Deposição de xilana sobre celulose kraft de eucalipto

Abstract

O desenvolvimento de propriedades físicas de polpa de eucalipto kraft branqueada é tipicamente baseado em processos de refino. Entretanto, muitos trabalhos relatam a viabilidade da deposição de xilana sobre as fibras de celulose. Como os mecanismos de deposição ainda não são claros, o principal objetivo deste trabalho foi buscar um melhor entendimento destas interações. Considerando a complexidade de uma matriz de celulose com deposição de xilana, alguns modelos foram utilizados. Nanofilmes de celulose foram preparados através das técnicas de spincoating e do método Langmuir- Schaefer (LS) com trimetilsililcelulose. As interações foram monitoradas através de Microbalança de Quartzo com Monitoramento por Dissipação (QCM-D). As alterações topográficas foram estudadas com Microscopia de Força Atômica (AFM). Para os estudos de RMN em Estado Sólido de 13 C, foram preparadas amostras com celulose microcristalina comercial (MCC) e xilana, que foi obtida através de extração alcalina a frio (CCE) de polpa kraft branqueada de bétula. Também foi avaliada a deposição de xilana sobre a celulose em condições industriais nos estágios de deslignificação e branqueamento, bem como sua estabilidade através do processo industrial além do estudo dos efeitos da deposição de xilana sobre as propriedades da polpa e sobre o processo de reciclagem das fibras e os efeitos da carga de NaOH e temperatura sobre as eficiências de extração de xilana de polpa kraft branqueada de eucalipto. O monitoramento por QCM-D mostrou deposição somente com soluções mais concentradas de xilana (1 mg L -1 ) nos experimentos com o método LS. As imagens de AFM mostraram que a xilana deposita na forma de aglomerados sobre a superfície da celulose e os experimentos de RMN indicaram que há interações entre xilana e celulose nas regiões cristalinas e amorfas da celulose. A deposição de xilana no estágio de deslignificação se mostrou tecnicamente viável apesar do elevado consumo de NaOH devido às condições ácidas do extrato de xilana. Entretanto, os experimentos de branqueamento indicam a redução do conteúdo de xilana através da sequência testada, em que a xilana depositada continua acessível para reações de oxidação e hidrólise. Os experimentos de deposição nos estágios do branqueamento demonstraram viabilidade principalmente no primeiro estágio com dióxido de cloro (D1), apesar da elevação dos consumos de NaOH e ClO 2 . Os melhores resultados de deposição e evolução das propriedades da polpa foram obtidos no estágio de deslignificação. Foram observadas melhorias de rendimento e propriedades físicas da polpa e, principalmente, redução do consumo de energia no processo de refino em todos os estágios testados. Finalmente, foi possível observar os efeitos da deposição da xilana sobre a histerese, melhorando a reciclabilidade das fibras. A carga de 240 g de NaOH nos testes de extração alcalina atingem as máximas eficiências. Cargas mais elevadas não mostraram diferenças significativas em relação ao teor de pentosanas. As extrações a 25 ºC mostraram melhores resultados. Entretanto, a extração a 60 ºC, que é uma condição mais adequada ao processo de produção de celulose, mostrou resultados similares aos obtidos com temperaturas mais baixas. Palavras-chave: AFM. Branqueamento. Celulose. Deslignificação. Deposição. RMN. QCM-D. Xilana.

The development of physical properties of bleached eucalyptus kraft pulp is typically based on the refining process. However, many works reported that xylan deposition is a viable alternative. Since the mechanisms of the xylan and cellulose interactions are not clear, the main goal of this work was to achieve a better understanding of these interactions. Considering that a sample of pulp enriched with xylan is a very complex matrix, a model system was developed. Cellulosic thin films were prepared by spincoating and Langmuir-Schaefer (LS) method from trimethylsilylcellulose. Their interactions with xylan were analysed by Quartz Crystal Microbalance with Dissipation Monitoring (QCM- D) technique. The topological changes on cellulose were studied by Atomic Force Microscopy (AFM). For the 13 C Solid-State NMR studies, samples were prepared using commercial microcrystalline cellulose (MCC) and xylan. The xylan was extracted from bleached birch kraft pulp using a cold caustic extraction (CCE) method. Other objectives of this work were: to evaluate xylan deposition on eucalyptus kraft pulp under industrial conditions in oxygen delignification and bleaching stages, as well as its stability along the production process; to study the effects of xylan deposition on the pulp properties and on the recycling process; to study the effect of NaOH load and temperature on the xylan extraction efficiency from bleached eucalyptus kraft pulp. The QCM- D monitoring showed deposition only with higher concentration of xylan solution (1 mg L -1 ) for the LS method. The AFM images showed that xylan deposits as agglomerates on the cellulose surface and the NMR experiments showed that there are interactions for the more ordered region of cellulose fiber and for the less ordered region. Xylan deposition in oxygen delignification stage showed to be technically viable, despite the higher sodium hydroxide consumption due to the acidic conditions of the cold extraction liquor. However, bleaching experiments indicate a xylan content decreasing throughout the bleaching sequence, meaning that the deposited xylan is still accessible for oxidation or hydrolysis reactions. Although a reduced drainability was observed, there was an increasing in yield and improvement the physical properties. The hornification phenomena was reduced by xylan deposition only in the first recycling cycle. The 240g NaOH load, in the alkaline extractions trials, showed similar results of pentosan reported for previous studies, achieving the maximum extraction efficiency. The higher loads did not show significant differences for pentosan content. The extraction trial at 25 ºC showed a better result. However, the extraction at 60 ºC, which is a more realistic condition for pulp mills, showed results similar to that at lower temperature. Keywords: AFM. Bleaching. Cellulose. Oxygen delignification. Deposition, NMR. QCM-D. Xylan.