Consumo energético para obtenção das nanofibrilas

O consumo de energia foi calculado a partir da tensão, corrente e tempo gasto de cada passagem no grinder. As fibras de CTMP e PIN foram mais difíceis de desfibrilar. As polpas CTMP foram mais difíceis de dispersar e a suspensão se tornou mais líquida com o aumento do número de passagens pelo desfibrilador. As fibras de PIN têm comprimento maior que as fibras de EUC e por serem mais longas foram mais difíceis de dispersar, causando o acúmulo de polpa no grinder no início das passagens e dificultando a extração das nanofibrilas (Gunawardhana et al., 2017). As Figuras 24 a 26 apresentam a evolução do consumo energético acumulado com o aumento no número de passagens pelo grinder desfibrilador, das polpas Kraft de EUC e PIN e da polpa CTMP de EUC antes e após os diferentes pré- tratamentos.

Figura 24 - Evolução do consumo energético acumulado com o aumento do número de passagens pelo grinder desfibrilador para as polpas CTMP em diferentes pré-tratamentos.

Fonte: Da autora

Polpas CTMP sem tratamento (ST) e pré-tratadas não formaram o aspecto de gel no material desfibrilado. Em alguns casos o produto desfibrilado ficava com a viscosidade muito reduzida a medida que o número de passagens aumentou. Por esse motivo, nesse caso a distância entre as pedras precisou ser diminuída para que as nanofibrilas pudessem ser extraídas. Nos pré-tratamentos com NaOH5% 2 h e NaOH10% 1 h a distância inicial entre os discos de pedra do desfibrilador foi de -70 μm e a distância final de -120 μm.

Mesmo não conseguindo a aparência gelatinosa, a extração de nanofibrilas ocorreu, sendo mais eficientes em alguns pré-tratamentos. Os melhores resultados foram para os pré- tratamentos com NaOH5% 2 h e NaOH10% 1 h. Para estes dois pré-tratamentos, as imagens ópticas mostram a presença de nanofibrilas antes das 15 passagens. Por outro lado as polpas CTMP com 30 passagens, a formação de nanofibrilas não foi tão eficiente. A produção de nanofibrilas de CTMP tratadas com NaOH5% 2 h a 15x consumiu 4.992 kW.h/t enquanto que CTMP pré-tratata com NaOH10% 1 h consumiu 4.147 kW.h/t e sem pré-tratamento (ST) consumiu 6.275 kW.h/t para completar as 30 passagens pelo desfibrilador.

Figura 25 - Evolução do consumo energético acumulado com o aumento do número de passagens pelo grinder desfibrilador para EUC em diferentes pré-tratamentos. O C1 h não formou gel.

Fonte: Da autora

Assim como nas outras polpas, os melhores resultados para obtenção de nanofibrilas para EUC foi com os pré-tratamentos NaOH5% 2 h e NaOH10% 1 h. As setas na Figura 27 indicam os pontos de formação do gel de nanofibrilas, que ocorreram nas passagens 8 e 9. Esta formação de gel indica a presença de nanofibrilas. Foram necessárias menos passagens para obtenção do gel em relação aos demais pré-tratamentos, consequentemente consumiu menos energia. Como nesses pré-tratamentos mencionados acima, obteve-se o aspecto gelatinoso antes que nos demais pré-tratamentos, confirma-se que o consumo final foi reduzido. Apesar de o pré-tratamento NaOH10% 2 h aparentemente ter resultado em um menor gasto de energia, as fibras não foram tão bem desfibriladas.

Figura 26 Evolução do consumo energético acumulado com o aumento do número de

passagens pelo grinder desfibrilador para PIN em diferentes pré-tratamentos. As setas indicam onde ocorreu a formação de gel para os diferentes pré-tratamentos. O pré-tratamento com NaOH 10% 2 h não formou gel.

Fonte: Da autora

Rambabu et al. (2016) trataram fibras de PIN com diferentes concentrações de solução de NaOH (2-6% por 4 h a 70°C), conseguindo a remoção de componentes estruturais e facilitando a desfibrilação mecânica e obtendo nanofibrilas na 9ª passagem pelo grinder. Os pré-tratamentos com NaOH 5% 2 h e 10% 1 h formaram gel com menor número de passagens em comparação com as demais polpas tratadas e sem pré-tratamento (ST) de PIN. O pré- tratamento com NaOH5% em 2 h tiveram a formação de gel na 7° passagem com consumo de 2.349 kW.h/t. A formação do gel foi mais rápida se comparada com os demais pré- tratamentos. Assim como o pré-tratamento NaOH5% 2 h, o pré-tratamento NaOH10% 1 h consumiu menos energia (2.640 kW.h/t) e a formação mais rápida do gel. Com o pré- tratamento onde somente usou-se o aquecimento (C1 h) sem reagente químicos, obteve-se o gasto de energia de 3.528 kW.h/t sendo necessárias 14 passagens para que tivesse a aparência gelatinosa que indica a formação das nanofibrilas. Os pré-tratamentos NaOH10% 2 h e o pré-

tratmento híbrido (NaOH/H2O2) não foram eficazes na desfibrilação. Em ambos a remoção de

de polpas tratadas com enzimas e avaliou a influência da presença de hemiceluloses na obtenção de nanofibrilas. Observou-se que as polpas estavam com maiores valores de hemiceluloses e tiveram melhores desfibrilações. O grau de desfibrilação nas polpas depende da presença de hemiceluloses. Sabe-se que existe uma repulsão causada pelos grupos carboxílicos presentes nas hemiceluloses que geram uma repulsão eletrostática nas fibras deixando as mesmas mais dispersas e mais fáceis de desfibrilar (Desmaisons et al., 2017). As hemiceluloses também são responsáveis por ligações de hidrogênio com a celulose inibindo as probabilidades de agregações das micro/nanofibrilas (Barbetta, 2017; Ovalle-Serrano et al., 2018).

No início das desfibrilações dos pré-tratamentos NaOH5% 2 h e NaOH10% 1 h, a distância entre os discos foi de -20 μm, mas após a formação de gel com 10 passagens a suspensão ficou com gel consistente e essa distância precisou ser aumentada gradativamente até chegar na distância final de 100 μm. As hemiceluloses são importantes para que a obtenção de nanofibrilas seja eficiente. O pré-tratamento 10% 2 h e o pré-tratamento híbrido, devido a remoção excessiva de hemiceluloses, não foram muito eficazes na desfibrilação. As hemiceluloses inibem a hornificação que é prejudicial para a desfibrilação (Iwamoto et al., 2007). Quando ocorre a hornificação, o intumescimento da fibra é reduzido. Mesmo que sejam submetidas a pré-tratamentos que possam causar hidratação, a estrutura da fibra sofreu colapso, permanecendo resistente a etapa de desfibrilação mecânica (Ballesteros et al., 2017). A Tabela 6 mostra o consumo de energia gasto para a formação de gel nas suspensões de polpas CTMP, EUC e PIN tratadas e sem pré-tratamentos (ST). Para as polpas que não tiveram a formação de gel, foram calculados os valores do consumo energético com 15 passagens. Os pré-tratamentos 5% 2 h e 10% 1 h nas polpas EUC e PIN permitiram os menores consumos energéticos para a formação de gel. Quando comparado o consumo de energia entre as polpas, para a CTMP o consumo de energia foi maior devido a necessidade de mais passagens para a desfibrilação desta polpa. As desfibrilações feitas com EUC foram as que causaram menor consumo de energia.

Tabela 4 - Valores médios de consumo de energia para formação de gel no processo de desfibrilação e informações sobre o processo de desfibrilação para as diferentes condições das polpas CTMP, EUC e PIN. A economia de energia foi calculada em comparação com as polpas sem pré-tratamento (ST).

Polpas Número de passagens para formação de gel Distâncias dos discos (μm) Inicial/ Final

Consumo energético para formação de gel (kW.h/t) Economia (%) CTMP ST 15* -10 -30 3.731 - CTMP 5%2 h 15* -70 -120 4.900 + 31 CTMP 10%1 h 15* -70 -120 4,147 + 11 CTMP 10%2 h 15* 30 60 3.869 + 3 CTMP H202/NaOH 15* 0 -10 2,810 24 CTMP C1 h 15* 0 -40 2.942 21 CTMP C2 h 15* 20 -60 3.728 1 EUC ST 13 50 100 3.553 - EUC 5%2 h 8 -20 100 2.850 20 EUC 10%1 h 9 -20 100 2.119 40 EUC 10%2 h 14 -10 50 3.345 5 EUC H202/NaOH 14 -40 100 3.921 + 10 EUC C1 h 15* 0 100 3.883 + 9 EUC C2 h 12 50 100 2.864 20 PIN ST 11 50 100 3.239 - PIN 5%2 h 7 -20 100 2.349 28 PIN 10%1 h 10 20 100 2.640 18 PIN 10%2 h 15* -10 50 3.551 +9 PIN H202/NaOH 13 -40 100 3.289 +1 PIN C1 h 14 0 100 3.548 +9 PIN C2 h 12 50 100 3.708 +14

*Não ocorreu a formação de gel. Foram calculados com os valores obtidos com 15x com base nas imagens de microscopia óptica que já mostravam nanofibrilas.

CONCLUSÕES

Este estudo analisou pré-tratamentos alcalinos com NaOH em diferentes concentrações (5% e 10%) e períodos de tempo (1 h e 2 h) e pré-tratamento híbrido com

NaOH/H2O2 em polpa químiotermomecânica de eucalipto (CTMP), polpa Kraft de eucalipto

(EUC) e Pinus (PIN) para obtenção de nanofibrilas de celulose com o objetivo de diminuir o consumo de energia do processo de desfibrilação mecânica.

O pré-tratamento com NaOH 5% 2 h gerou nanofibrilas com diâmetros menores e mais dispersas, apresentando valores mais altos na turbidez e indicando maiores conteúdos de nanofibrilas dispersas no sobrenadante em comparação com os demais, as suspensões foram mais estáveis no teste de decantação e conseguiu alcançar o objetivo de redução do consumo energético para sua obtenção. A remoção de hemiceluloses neste pré-tratamento não foi agressiva facilitando a desfibrilação mecânica. O consumo energético foi menor para as polpas com este pré-tratamento devido ao menor número de passagens necessárias no desfibrilador mecânico. Em polpas de EUC tratadas com NaOH5% por 2 h conseguiu-se a redução do consumo de energia de 20% e para PIN a redução foi de 28%. Quando feito o pré- tratamento com NaOH10% 1 h a redução no consumo energético foi de 40% para EUC e de 18% para PIN. A remoção excessiva de hemiceluloses dificulta o processo de desfibrilação e as nanofibrilas obtidas não ficaram muito dispersas, além de aumentar a curvatura nas fibras. Pré-tratamentos que foram mais agressivos foram os responsáveis pela maior curvatura nas fibras que dificultam uma desfibrilação eficiente. Portanto a remoção parcial de hemiceluloses (pré-tratamento 5% 2 h e 10% 1 h) facilita a extração de nanofibrilas com diâmetros menores e mais dispersas. O pré-tratamento híbrido para as polpas CTMP, EUC e PIN não facilitou as desfibrilações. Este pré-tratamento causou um branqueamento nas polpas devido a retirada de lignina e agentes cromóforos, entretanto parece não ter aumentado o grau de desfibrilação.

Este estudo demonstrou que pré-tratamentos alcalinos em fibras celulósicas não branqueadas de EUC (Kraft e CTMP) e PIN (Kraft) podem ser facilitadores na obtenção de nanofibrilas em escala industrial. Houve também a contribuição para o desenvolvimento de métodos mais eficientes para obtenção de nanofibrilas celulósicas para diferentes aplicações.

AGRADECIMENTOS

Os autores gostariam de agradecer à FAPEMIG, CNPq, CAPES e Klabin S.A., Brasil. Também graças ao apoio do Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Biomateriais (UFLA / Brasil) e do Centro de Microscopia da Universidade Federal de Minas Gerais (http://www.microscopia.ufmg.br) para fornecimento de equipamentos e suporte técnico para experimentos envolvendo microscopia eletrônica de transmissão (MET).

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