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EFEITO DA SECAGEM CONVECTIVA NAS PROPRIEDADES FÍSICAS DE PAPEL RECICLADO

COM INCORPORAÇÃO DE URUCUM

M. G. A., Vieira; M. L., Verzola; N. D. L., González; S. B., Badra; S. C. S., Rocha

Endereço: Av. Albert Einstein, 500, Cidade Universitária “Zeferino Vaz”, Campinas- SP- 13083-852,

Brazil - Tel: +55 19 35210358 – Fax: +55 19 35213910 – e-mail: [email protected]

Local de trabalho: Laboratório de Engenharia e Processos Ambientais- LEPA- Faculdade de

Engenharia Química (FEQ)- Unicamp.

RESUMO

A indústria papeleira gera um grande volume de resíduos prejudiciais ao meio- ambiente. Nas

últimas décadas, a reciclagem mostrou- se uma alternativa na redução de matérias- primas na

produção de papel. Uma forma de agregar valor ao papel reciclado é a incorporação de corantes

naturais. Além de dar características especiais aos papéis, esses corantes ganham uma nova

possibilidade de aplicação. Nesse trabalho, papel de escritório foi reciclado com a incorporação do

corante natural urucum. A secagem da polpa foi feita em secador convectivo descontínuo para

secagem de polpas em formato de folhas instalado no Laboratório de Fluidodinâmica e Secagem (LFS)

da Faculdade de Engenharia Química da UNICAMP. As características do papel, como espessura,

gramatura, teor de umidade e resistência à tração, foram analisadas variando as condições de

secagem (velocidade e temperatura). Este estudo tem um apelo ao desenvolvimento sustentável, pois o

secador utilizado pode ser instalado em cooperativas de reciclagem.

PALAVRAS-CHAVES: papel, reciclagem, corante, urucum, secagem.

INTRODUÇÃO

O papel é um objeto de grande importância, apesar de sua simplicidade devido à amplitude de uso

em diversas áreas, como jornais e revistas, artigos de higiene e o papel moeda. O papel como hoje é

conhecido foi criado na China em 105 a.C. e teve como antecessores, o papiro e o pergaminho (1).

TTT 2012 - VI Conferência Brasileira sobre Temas de Tratamento Térmico17 a 20 de Junho de 2012, Atibaia, SP, Brasil

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Como é um produto muito utilizado, há um investimento significativo no processo de produção

para diminuir custos e aumentar a qualidade final do produto. Um setor importante a ser explorado é o

de reciclagem de papel, que visa à preservação de matéria prima, em geral árvores que fornecem as

fibras de celulose, principal constituinte do papel.

Tanto no processo de produção do papel, quanto do papel reciclado, uma das principais etapas é

a de secagem que em ambos os casos é a etapa que consome maior quantidade de energia e

influencia nas características do produto final. A secagem pode se dar de duas maneiras, de forma

natural e de forma forçada, na última pode-se controlar as condições de secagem com maior precisão

tendo assim um melhor controle sobre a qualidade do produto final (2), (3).

Para tornar o produto mais atraente ao consumidor, em muitos casos pode-se incorporar corantes

ao papel. Em geral são utilizados corantes sintéticos que em sua maioria agride o ambiente, porém

existe a alternativa dos corantes naturais, uma área ainda pouco explorada. Os corantes sintéticos são

preferidos aos naturais, pois são de mais fácil obtenção e possuem maior estabilidade, daí a

importância do estudo dos corantes naturais em suas diversas possibilidades.

Nesse estudo foi usado o corante natural de Urucum. O corante é encontrado e extraído do

revestimento da parede externa das sementes de Bixa orellana, uma planta nativa da América do Sul. É

constituído em sua maioria, cerca de 80% de bixina, um monometilester do ácido carboxílico da

norbixina. O corante não se apresenta estável na presença de luz e oxigênio atmosférico (4).

Sua principal aplicação está na indústria de alimentos, pois o corante se combina bem com

proteínas, apresentando uma coloração estável (5).

MATERIAIS E MÉTODOS

Materiais

Neste trabalho utilizou-se polpa de celulose feita a partir de papel sulfite tingido a toner, oriundo de

atividades de escritório, com gramatura de 75 g/m2. Para a preparação da polpa foram adicionados

amido de mandioca, carboximetil celulose (CMC- agente adesivo) (1,25g de cada reagente /30g de

papel) e corante líquido de Urucum (3g / 30g de papel).


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Sistema experimental

Cinética de secagem: utilizou-se um secador convectivo instalado no Laboratório de

Fluidodinâmica e Secagem do DEPro/FEQ/UNICAMP. O secador foi fabricado em chapa de aço

inoxidável galvanizado e tem suporte para 5 telas com capacidade de uma folha de papel (10 cm x 10

cm) por tela. Estas telas são inseridas nas aberturas da parte superior da câmara de secagem. As telas

são constituídas de telas rígidas de aço na parte externa com 2 mm de abertura e, na parte interna, de

uma tela de Mesh 150 com o objetivo de reter a polpa de papel (6).

A Figura 1 ilustra o esquema do sistema experimental utilizado para a secagem convectiva da

polpa de papel. O ar é fornecido por um compressor radial CRE03, 2 cv (1). A vazão do ar é controlada

por uma válvula globo (2) e em seguida passa por um leito de sílica gel a fim de reduzir a umidade

relativa do ar de entrada no secador (3). A vazão de ar é medida por um conjunto da pressão estática

na linha (4) e a queda de pressão na placa de orifício (5), acoplados a dois manômetros diferenciais de

água em forma de U (6). O ar passa por um aquecedor elétrico composto por um conjunto de

resistências (7). O ar quente e seco passa por um distribuidor de ar e chega à câmara de secagem (8),

atravessando a câmara em paralelo às telas. A temperatura da tela que suporta a polpa de papel é

obtida por indicadores de temperatura conectados às telas (9). Dois termohigrômetros (10) são

acoplados na entrada e na saída do secador, para a medição da temperatura e da umidade relativa do

agente de secagem. Durante o estudo da cinética, a perda de massa da umidade evaporada é

quantificada em uma balança analítica (11). A câmara de secagem é isolada a fim de se reduzir a perda

de calor para o ambiente.

Figura 1. Esquema do sistema experimental de secagem (VIEIRA, 2006).

1- Soprador 2- Válvula globo 3- Leito de sílica 4- Tomada de pressão estática 5- Placa de orifício 6- Manômetros diferenciais 7- Aquecedor elétrico 8- Câmara de secagem 9- Indicador de temperatura 10- Termohigrômetro 11- Balança analítica


546

Para analisar o efeito das condições de secagem na qualidade do papel, foram realizados em três

condições operacionais, mostradas na Tabela 1.

Tabela 1. Codificação das condições do ar de secagem.

Codificação -1 0 +1

Tar (oC) 70 80 90

Var (m/s) 0,3 0,5 0,7

As curvas de secagem foram construídas com os dados de X/X0 em função do tempo. A taxa

inicial de secagem foi determinada traçando-se uma reta tangente ao primeiro ponto da curva de

cinética (X/X0= 1). A taxa de secagem constante foi obtida através da derivada da curva de secagem,

aproximando- se para uma reta os pontos desse período.

Espessura: para a realização das medidas referentes à espessura do papel foi utilizado um

micrômetro (marca Mitutoyo 169 – 201), sendo realizadas dez medições para cada folha de amostra.

Gramatura: as amostras foram cortadas em quadrados. Estes tiveram sua área medida com um

paquímetro digital (marca Mitutoyo, modelo 500 – 170 – 20B) e foram pesados individualmente em uma

balança analítica. Para cada folha de amostra foram realizadas 7 medições.

Alongamento, Resistência à Tração e Índice de Tração: cada folha de amostra foi cortada em tiras

de 1,5 cm de largura com estilete e régua. As tiras obtidas foram testadas em um texturômetro (marca

Stable Micro System, modelo TA. XT, Plus).

RESULTADOS E DISCUSSÃO

Os resultados a seguir referem- se aos ensaios realizados nas condições (-1, -1), (0, 0) e (+1, +1).

O teste de Tukey foi usado para verificar se os valores obtidos diferem significativamente em um

intervalo de confiança de 95%. As médias com as mesmas letras no expoente não diferem

significativamente ao nível de probabilidade de 5%. Os resultados do estudo da secagem convectiva e

propriedades físicas aqui apresentados são os relativos à tela no 3 (tela central do secador) de forma

representativa para as demais telas.


547

Cinética de secagem

A Figura 2 mostra as curvas de secagem para os ensaios realizados. Como esperado, o aumento

das condições de temperatura e velocidade influenciaram positivamente no processo de secagem,

diminuindo o tempo que esse leva.

As curvas mostram uma fase inicial de secagem rápida, aproximadamente nos primeiros cinco

minutos do processo. Em seguida, há o período de secagem à taxa constante, caracterizada pela

eliminação de umidade superficial livre presente no material. Nos últimos minutos de secagem, vê- se

um período de taxa decrescente, em que a umidade removida não é mais do tipo superficial.

0 20 40 60 80 100 120

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

X/X

0

t (min)

Tela 3 Ensaio (-1; -1)

Tela 3 Ensaio (0; 0)

Tela 3 Ensaio (+1; +1)

Figura 2. Curvas de secagem para a tela 3.

Gramatura

A Tabela 2 e a Figura 3 mostram os resultados obtidos para a gramatura da tela 3 nos ensaios de

secagem.

Tabela 2. Resultados da análise da gramatura (g/m2) para a tela 3.

Condição operacional Média Desvio

(A) (-1; -1) 219,10a 21,76

(B) (0;0) 191,01b,c 12,54

(C) (+1; +1) 199,35b,c 13,62


548

O teste de Tukey mostra que as gramaturas não diferem estatisticamente na condição central de

secagem (80 oC; 0,5 m/s) e para a mais severa (90 oC; 0,7 m/s). O maior valor médio de gramatura foi

observado para a condição mais branda de secagem (70 oC; 0,3 m/s).

Na Figura 3 não se observa uma tendência clara do comportamento da propriedade com a

mudança das condições operacionais.

A B C

100

120

140

160

180

200

220

240

260

280

300

320

340

360

380

400

Gra

matu

ra (

g/m

2)

Condiçoes de secagem

Tela 3

Figura 3. Influência das condições de secagem na gramatura da tela 3.

Legenda: A: (-1, -1); B: (0, 0); C: (-1, -1).

Espessura

Na Tabela 3 e Figura 4 são mostrados os dados referentes à análise da espessura na tela 3.

Tabela 3. Análise da espessura (mm) da tela 3.


(A) (-1; -1) 0,669a,b 0,057

(B) (0;0) 0,661a,b 0,063

(C) (+1; +1) 0,598c 0,052


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O teste de Tukey mostra que a gramatura não difere estatisticamente na condição mais branda e

na condição central de secagem. Na condição mais drástica, o papel apresentou uma menor

espessura. Analisando a Figura 3, há uma tendência de diminuição da espessura da folha de papel

com o aumento das condições operacionais de secagem.

Observa- se que o papel obtido na condição mais branda de secagem apresentou os maiores

valores de gramatura e espessura.

Figura 4. Influência das condições de secagem na espessura da tela 3.

Legenda: A: (-1, -1); B: (0, 0); C: (-1, -1).

Alongamento, resistência à tração e índice de tração

Os resultados obtidos nos ensaios de tração são apresentados na Tabela 4 e na Figura 5.

Tabela 4. Resultados da análise de resistência à tração e alongamento para a tela 3.

Condição operacional Resistência à tração

(kN/m) Alongamento

(%) Índice de tração

(Nm/g)

Média Desvio Média Desvio

(A) (-1; -1) 6,12a,b,c 1,18 1,83a,b,c 0,32 26,89

(B) (0; 0) 7,08a,b,c 1,59 2,04a,b,c 0,28 35,76

(C) (+1; +1) 7,72a,b,c 0,98 2,24a,b,c 0,23 37,06

A B C

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

1.1

1.2

Espessura

(m

m)


Tela 3


550

Na Tabela 4 o teste de Tukey mostra que a resistência à tração nos ensaios realizados não difere

estatisticamente. Embora não haja uma diferença significativa entre os valores obtidos na Figura 5 (a),

percebe-se uma tendência de aumento da resistência à tração com o aumento das condições

operacionais de secagem.

Para o alongamento, os valores obtidos também não diferem estatisticamente entre si. O gráfico

apresentado na Figura 5 (b) não mostra uma tendência para o comportamento da propriedade com a

mudança da temperatura e velocidade do ar de secagem, indicando que essa pode não ser afetada

pela variação das condições operacionais.

A B C

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

Alo

ngam

ento

(%

)


Tela 3

Figura 5. (a) Influência das condições de secagem na resistência à tração para a tela 3; (b) . Influência

das condições de secagem no alongamento para a tela 3.

Legenda: A: (-1, -1); B: (0, 0); C: (-1, -1).

O papel cartão encontrado no mercado apresenta índices de tração entre 35 e 54 Nm/g (7). Os

valores médios obtidos nesse trabalho estão muito abaixo dessa faixa de valores. Entretanto, esse

menor índice não impede o uso desse papel para artesanato e decoração, atividades comuns em

cooperativas de reciclagem.

A B C

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

Re

sis

tên

cia

à t

raçoم

(kN

/m)


Tela 3

(a) (b)


551

Teor de umidade

A Tabela 5 apresenta o teor de umidade para o papel obtido em cada ensaio para a tela 3.

Tabela 5- Teor de umidade (kg/kg) para a tela 3.


A(-1; -1) 0,0260 0,0048

B(0;0) 0,0159 0,0024

C(+1; +1) 0,0256 0,0021

Esses valores mostram que a secagem convectiva do papel foi eficiente em todas as condições

operacionais. O desvio calculado a partir da média de cinco medições é alto, comparado com o valor

médio do teor de umidade. Entretanto, levando-se em conta que esse desvio é oriundo da não

uniformidade da umidade presente na folha de papel seco, esses desvios podem ser considerados

baixos.

CONCLUSÕES

A temperatura e a velocidade do ar de secagem influenciam positivamente na secagem

convectiva do papel, diminuindo o tempo de secagem.

O processo de secagem convectiva é eficiente, uma vez que o teor de umidade da folha seca é

baixo.

A gramatura média da folha foi maior para a condição de secagem mais branda, entretanto não

se observou uma tendência no comportamento dessa grandeza com a mudança das condições

operacionais.

Há uma tendência de diminuição da espessura da folha com o aumento das condições

operacionais. O maior valor de espessura foi observado para a condição que apresentou a maior

gramatura média.

A resistência à tração apresenta uma tendência crescente com o aumento das condições de

secagem.

O alongamento, assim como a gramatura média, não apresentou uma tendência de

comportamento de acordo com a velocidade e a temperatura do ar de secagem.


552

Os valores de índice de tração do papel reciclado com incorporação de corante natural de

Urucum obtido neste trabalho são menores em relação aos de papel cartão encontrado no

mercado. Entretanto, isso não inviabiliza o uso para atividades como artesanato e decoração.

AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem ao CNPq, a FAPESP e ao SAE/UNICAMP pelo apoio financeiro.

REFERÊNCIAS

1. ASUNCIÓN, J. The Complete Book of Papermeking. Nova York: Lark Books (2003), p 10-17.

2. MOTTA LIMA, O.C.; PEREIRA, N.C.; MENDES, E.S. Análise de cinética de papel artesanal com

ar ambiente em convecção forçada. In: Acta Scientiarum (2002). Maringá. Anais. Maringá (2002).

3. VIEIRA, M.G.A; ESTRELLA, L.; ROCHA,S.C.S. Análise da cinética de secagem de papel

reciclado em secador convectivo. Congresso Brasileiro de sistemas particulados. Uberlândia

(2004).

4. FERREIRA, Vera Lúcia Pupo et al . Cinética da degradação da cor de solução hidrossolúvel

comercial de urucum, submetida a tratamentos térmicos. Ciênc. Tecnol. Aliment., Campinas, v.

19, n. 1, Jan. (1999).

5. LEVY, L. W.; RIVADENEIRA, D. M. Natural Food Colorants: Science and Technology.

Chicago:Marcel Decker (2000), p. 115-142.

6. VIEIRA, M. G. A., ROCHA, S. C. S. Mathematical modeling of handmade recycled paper drying

kinetics and sorption isotherms paper. Brazilian Journal of Chemical Engineering (Impresso),

v.25, p.299 – 312 (2008).

7. VIEIRA, M. G. A. Análise de secagem de polpa de celulose para obtenção de papel tipo cartão.

Tese de doutorado. Campinas: Faculdade de Engenharia Química. UNICAMP, 2006.

8. NBR NM ISO 1924- 2: 2001- Papel e papelão- Determinação da resistência à tração e

alongamento. Método de velocidade constante.


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TITLE

Effect of the convective drying in the recycled paper physical properties with incorporation of

Urucum

ABSTRACT

The paper industry generates a great amount of waste which is prejudicial to the environment. In

the past decades, the recycling process has been presented as an alternative to reduce the use of raw

material in the paper production. The incorporation of natural dyes to recycled paper aggregates value

to the product. Besides giving special characteristics to the paper, those dyes get a whole new

application possibility. In this work, regular office paper was recycled with the addiction of the natural

dye Urucum. The pulp was dried in a discontinuous convective dryer at the Laboratory of Fluid

Dynamics and Drying (LFS), School of Chemical Engineering University, UNICAMP. The paper

characteristics, such as, thickness, grammage, moisture content and tension resistance were analyzed

changing the drying conditions (air velocity and temperature).This work supports the sustainable

development once the dryer used can be installed in recycling cooperatives.

KEY-WORDS

paper, recycling, dyes, Urucum, drying


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