Controle de qualidade de papel e celulose e triagem de produtos com espectroscopia NIR

Todos os tipos de materiais podem ser usados para fazer papel, por exemplo, junco, linho, algodão e até mesmo bagaço (polpa de cana-de-açúcar). Entretanto, a maior parte do papel é feita de fibras de madeira tratadas. O processamento da madeira para esse fim é feito em fábricas de celulose e de papel, o que envolve o uso de produtos químicos e muita energia. A triagem e o controle de qualidade (QC) são medidas importantes a serem tomadas ao longo de toda a cadeia de produção, desde a madeira até o produto de papel acabado. Este artigo do blog mostra como a espectroscopia no infravermelho próximo (NIRS) é capaz de monitorar vários parâmetros importantes de CQ simultaneamente no processo de fabricação de papel e celulose.

Introdução ao setor de papel e celulose

O setor de celulose e papel produz e vende produtos à base de celulose derivados de diferentes tipos de madeira. As fábricas de celulose e papel processam a madeira usando métodos mecânicos e químicos para produzir vários produtos de papel para todos os tipos de uso.

Na Figura 1, é mostrada a participação global da produção de papel, tissue e papelão por país em 2019 [1]. A China é responsável pela maior parte, seguida pelos Estados Unidos, Brasil e Japão. Esses cinco países são responsáveis por mais da metade da produção global.

A madeira, precursora do papel, é composta principalmente de celulose, hemicelulose e lignina. As diferenças em sua microestrutura permitem que a madeira seja classificada como madeira macia ou madeira dura. As árvores coníferas (com agulhas e cones, por exemplo, pinheiros, abetos e abetos vermelhos) são compostas de madeira macia. As árvores decíduas (com folhas e sementes, por exemplo, carvalho, faia, nogueira) são espécies de madeira de lei.

As madeiras de lei têm fibras mais curtas e produzem um papel mais fraco. Entretanto, o produto final é mais suave, mais opaco e mais adequado para impressão. As madeiras macias produzem fibras longas e fortes que conferem resistência ao papel. Esse tipo de madeira é mais comumente usado para a fabricação de caixas e outras embalagens.

O processo de fabricação de papel e celulose

O processo de fabricação de celulose e papel consiste em quatro etapas principais, a saber: preparação da matéria-prima, polpação, branqueamento e fabricação de papel. Cada uma dessas etapas é descrita nas seções abaixo. Uma visão geral do processo completo é mostrada na Figura 2.

A triagem e o monitoramento de vários parâmetros de controle de qualidade antes, durante e depois do processo de fabricação são essenciais para produzir produtos de papel de alta qualidade nos quais os consumidores possam confiar. A espectroscopia de infravermelho próximo (NIR) é um método que pode ser usado para o controle de qualidade de todos os estágios durante a produção de celulose e papel. Este artigo explica como a NIRS funciona em geral e mostra como ela é superior a outros métodos de controle de qualidade e triagem no setor de celulose e papel, usando o exemplo da celulose de madeira.

Visão geral da tecnologia de espectroscopia no infravermelho próximo

A luz e a matéria interagem de várias maneiras (por exemplo, absorção, reflexão, dispersão, emissão e transmissão). Ao discutir a luz usada em métodos espectroscópicos, ela é normalmente descrita em comprimento de onda ou números de onda. Os espectrômetros NIR, como o Metrohm DS2500 Solid Analyzer, geram espectros repletos de informações ao medir a interação entre a luz e a matéria (Figura 3).

A sensibilidade do NIRS à presença de determinados grupos funcionais faz dele um excelente método para quantificar parâmetros químicos como teor de água (umidade), número kappa, teor de lignina e teor de resina. Como essa interação também depende da matriz da amostra, a detecção de parâmetros físicos (por exemplo, densidade e resistência) também é possível com o NIRS. 

A grande quantidade de informações contidas sobre uma amostra no espectro resultante torna o NIRS ideal para a análise rápida de vários parâmetros.

Modo de medição NIRS para produtos de papel e polpa de madeira

A decisão sobre o modo de medição NIRS a ser usado depende do tipo de amostra. Ao analisar sólidos como polpa de madeira e produtos de papel, o modo de reflexão difusa deve ser usado (Figura 4). Nesse modo de medição, a amostra é exposta à luz NIR, absorvendo parte dela. A luz NIR não absorvida é refletida de volta e medida pelo detector.

Vantagens para os produtores de papel ao usar o NIRS

A espectroscopia NIR oferece aos usuários muitas vantagens para aplicações analíticas, especialmente quando se trata de controle de qualidade e triagem. A economia de tempo e de custos está entre os principais benefícios por vários motivos. A preparação da amostra não é necessária e os resultados são fornecidos em segundos. A NIRS é uma técnica de análise multiparâmetro, eliminando a necessidade de realizar várias análises separadas e demoradas em diferentes instrumentos para obter os mesmos resultados. A técnica também não é destrutiva e não requer o uso de nenhum reagente químico.

Além desses pontos, a NIRS também é aprovada para fins de controle de qualidade por organizações padrão, como a ASTM [2]. Além disso, a NIRS é de fácil utilização e pode ser operada por pessoal não técnico, o que a distingue de técnicas analíticas mais complexas.

Triagem de produtos e parâmetros de controle de qualidade para a produção de papel e celulose

A pesquisa, o desenvolvimento e o controle de qualidade dependem de testes de laboratório. As fábricas de papel e celulose usam vários métodos de teste padronizados para a determinação das propriedades físicas e químicas das matérias-primas, dos intermediários e dos produtos finais. Os parâmetros de teste mais relevantes para triagem e controle de qualidade de produtos de papel e celulose são encontrados na Tabela 1.

Uma solução pronta para análise de papel e celulose

A solução NIRS da Metrohm para análise de polpa vem com um modelo de pré-calibração pronto para uso para a determinação do número kappa, da densidade, da resistência à flambagem, da resistência à ruptura, da resistência à tração e da resistência da polpa (Tabela 2). Devido a esse conjunto de pré-calibração, essa solução pode ser usada como um modelo inicial pronto para uso sem nenhum desenvolvimento prévio de método.

A Tabela 3 mostra os resultados do controle de qualidade da polpa de madeira processada. Esse exemplo mostra que a espectroscopia no infravermelho próximo visível (Vis-NIRS) pode determinar simultaneamente seis parâmetros diferentes de controle de qualidade (número kappa, densidade aplicada, freeness da polpa, resistência à ruptura, resistência à flambagem e resistência à tração) na polpa de madeira.

Resumo

O uso do NIRS para controle de qualidade e triagem de produtos de papel e celulose é preferível a outros métodos laboratoriais de referência convencionais. Esse método espectroscópico não só economiza o tempo dos produtores e garante um produto de alta qualidade, como também é ecologicamente correto e fácil de usar. A análise simultânea de vários parâmetros de qualidade importantes é possível com uma única varredura. 

Os resultados para o número kappa, a densidade aplicada, a resistência da polpa (CSF), a resistência à ruptura (SCT), a resistência à flambagem (RCT) e a resistência à tração da polpa de madeira podem ser fornecidos em 30 segundos, mesmo por pessoal não técnico. É possível ter um controle mais rígido da produção, pois os dados são gerados com mais frequência do que com outras técnicas de laboratório.

Referências

[1] Departamento de Pesquisa da Statista. Participação na capacidade global de produção de papel por país. Statista. https://www.statista.com/statistics/664968/global-paper-production-capacity-share-by-country/ (acessado em 2023-11-23).

[2] ASTM International. Práticas padrão para análise quantitativa multivariada por infravermelho; ASTM E1655-17; ASTM International, 2018.

Suas conclusões de conhecimento

Nota de aplicação: Análise multiparâmetro de polpa de madeira usando espectroscopia Vis-NIR

Nota de aplicação: Determinação do teor de madeira dura/madeira macia em produtos de madeira por espectroscopia de infravermelho próximo

Nota de aplicação: Determinação de lignina em polpa de madeira

Nota de aplicação: Determinação do teor de fibra de algodão e polpa em celulose

Nota de aplicação: Pureza, grau de substituição e teor de água das carboximetilceluloses

Nota de aplicação: Teor de umidade e valor de pH em tall oil bruto (CTO)