A importância das medições de pH e condutividade para a Indústria de Papel e Celulose
Felipe Salomão Banci Luiz Antônio Aleixo Mettler-Toledo Ind. e Com. LTDA Barueri – SP
Resumo As medições de pH e condutividade na Indústria de Papel e Celulose podem ser feitas em diversas etapas do processo, começando pela lavagem e separação da polpa de celulose e recuperação de químicos, passando pelo tratamento químico da polpa de celulose até a máquina de papel. Algumas características importantes devem ser observadas nos processos: altas temperaturas, pressões e concentrações de sólidos e sulfetos. No digestor, a medição da condutividade é utilizada para relacionar a efetividade alcalina, parâmetro que indica quando o licor que é reutilizado não é mais forte o suficiente para decompor adequadamente a madeira. Neste ponto, como a temperatura e a pressão são elevadas, é utilizado o princípio indutivo de medição de condutividade. Na lavagem da polpa de celulose, o controle da condutividade é utilizado para determinar o fator de diluição. Além da condutividade, o pH é outro importante parâmetro para esta etapa do processo utilizado como forma de diferenciar o comportamento das fibras em soluções de diferentes pH. Na recuperação do licor negro, o sistema de condutividade é utilizado para proteção ao meio ambiente e cumprimento de normas, já que o licor negro é muito contaminante para a estação de tratamento de efluentes, e economia de custos visto que o licor negro carrega grande quantidade de químicos que podem ser recuperados.
Abstract The pH and conductivity measurements in the Pulp and Paper Industry can be made in several steps of the process, beginning in the pulp separation and washing, chemical recovery, pulp chemical treating and also in the paper machine. Some important features must be observed in the process: high temperatures, pressures and solids and sulfides concentration. In the digesting, the conductivity measurement is used to relate the alkalinity effectiveness, a parameter that indicates when the liquor that must be reused in no longer strong enough to decompose the wood efficiently. In this point, due to high levels of temperature and pressure, the inductive conductivity sensor is used. In the pulp washing, the conductivity control is used to determine the dilution factor. pH control is also important at this stage of the process and it is used as a way of differentiating the fiber’s behavior in solutions of different pH. In the black liquor recovery, the conductivity system is used for environmental protection and to be in accordance to regulations, because this liquor is highly contaminant in the effluents treating, and also cost savings due to the amount of chemicals carried by this liquor. Medição analítica; pH; condutividade Analytical measurement; pH; conductivity
1. Principais Conceitos de medição Analítica 1.1.
Medição de pH
pH é o número que descreve o grau de acidez ou alcalinidade de uma solução. Quanto maior for a concentração de íons H+ em uma solução, maior será sua acidez, enquanto que quanto maior for a concentração de íons OH-, maior será sua alcalinidade. O valor de pH é medido por potenciometria. Os sensores são compostos por por um eletrodo de medição (ou de vidro) e um eletrodo de referência. A diferença de potencial entre o eletrodo de medição e o eletrodo de referência é função da solução a ser medida. Tal diferença de potencial é medida através da membrana de vidro presente no sensor. Um esquema da membrana de vidro é mostrado na Figura 1.
Figura 1 - Membrana de Vidro
Na prática, a medição de pH é a diferença de potencial entre a capa interna e externa da membrana de vidro. Deve-se salientar o fato de que o potencial do eletrodo de referência deve ser o mesmo, independente da solução a ser medida. Mede-se o pH por diversos motivos, entre eles:
Obtenção de produtos com propriedades definidas; Obtenção de produtos com menor custo; Evitar danos a pessoas, materiais e meio ambiente; Cumprimento de regulamentos e legislações; Aquisição de novos conhecimentos.
Seja qual for o motivo de medição e controle de pH em um determinado ponto, as condições do meio a ser medido, tais como pressão, temperatura, componentes do meio, irão ditar qual o melhor sensor para uma determinada aplicação.
1.2.
Medição de condutividade
A condutividade é definida como a capacidade de uma solução em conduzir corrente. A quantidade de corrente que é conduzida é diretamente proporcional ao número de íons presentes na solução. Dessa forma, A medição de condutividade informa sobre a concentração total de íons na solução. A resistividade de uma solução é inversamente proporcional à sua condutividade, isto é: quanto maior for a concentração de íons em uma solução, maior será sua condutividade e conseqüentemente menor sua resistividade; quanto menor for a concentração de íons na solução, menor será sua condutividade e maior sua resistividade. Existem dois tipos básicos de sensores de condutividade: os de contato (2 ou 4 eletrodos) e o indutivo (ou toroidal).
A Figura 2 esquematiza o sensor de dois eletrodos. Entre os eletrodos é aplicada uma voltagem. A partir daí, os íons dissolvidos na solução atuam como condutores de corrente. Tal fluxo de corrente é diretamente proporcional a concentração dos sólidos dissolvidos na solução.
Figura 2 - Sensor de condutividade de 2 eletrodos
O sensor de 4 eletrodos, representado na figura Figura 3, mede a queda de corrente e voltagem. Este tipo de eletrodo é utilizado para níveis de condutividade mais elevados dos que aqueles meios onde os sensores com 2 eletrodos são utilizados. Os quatro eletrodos presentes no sensor aumentam a qualidade da medição em altos níveis de condutividade.
Figura 3 - Sensor de condutividade 4 eletrodos
Por fim, o sensor indutivo, esquematizado na Figura 4, é utilizado onde os ranges de medição possam chegar a até 2 S/cm, o que já é considerado um nível de condutividade bem elevado. Os sensores indutivos são compostos por duas bobinas eletricamente acopladas pela condutividade da solução. A espiral de transmissão gera um campo elétrico de baixa freqüência. Uma corrente AC é induzida na solução e sentida pela espiral receptora. Esta corrente é proporcional à condutividade da solução. O circuito elétrico equivalente pode ser comparado a um transformador com as espirais formando as ligações primária e secundária, e o núcleo substituído por uma curva formada pela solução condutora.
Figura 4 - Sensor de condutividade indutivo
Vários são os motivos pelos quais a condutividade é medida:
Determinar a pureza da água; Medir a eficiência dos sistemas de tratamento de água; Medir a concentração de soluções ácidas e alcalinas; Monitorar processos de produção; Controlar a qualidade final de um produto; Monitorar os efluentes; etc.
Dessa forma, podem-se diminuir os custos de produção, aumentar a vida útil dos equipamentos, fabricar produtos com qualidade definida, além de estar de acordo com leis e regulamentações. Além das características do processo tais como temperatura e pressão, o range de medição de condutividade tem um papel chave na escolha do sensor de condutividade para um determinado meio. De forma geral, os sensores com dois eletrodos são utilizados em meios de baixa condutividade. Os sensores de quatro eletrodos são utilizados onde os ranges de medição estão entre médio e alto. Já os sensores indutivos são utilizados onde a condutividade é extremamente elevada, além de suportar meios mais agressivos, visto que o sensor não tem contato direto com o meio de medição.
2. Aplicações de medição de pH e condutividade na Indústria de Papel e Celulose Existem diversas aplicações da medição de pH e condutividade na Indústria de Papel e Celulose ao longo de seu processo produtivo. Os principais pontos de aplicação são nos digestores, na lavagem da celulose, na recuperação de químicos, na lavagem da celulose e na máquina de papel.
2.1. Digestores Nos digestores, os cavacos da madeira são carregados. É adicionado o licor branco que contém sulfito de sódio e soda cáustica para o cozimento com o intuito de se obter a polpa da celulose. As condições do processo são severas: a pressão pode variar de 7 a 10 bar e a temperatura pode atingir 170oC. A efetividade ou força inicial do licor é importante, assim como a força alcalina residual do licor no digestor. Durante o processo de cozimento, a força do licor muda, dependendo da espécie da madeira assim como da mistura de madeiras. Nesta etapa do processo, são utilizados sensores de condutividade indutiva para relacionar a efetividade alcalina. Tal parâmetro indica quanto o licor branco, que deverá ser reutilizado, continua eficiente para decompor adequadamente a madeira. Este controle é importante visto que, ao mesmo tempo em que há economia de licor branco devido a possibilidade de seu reuso, a qualidade da polpa final não é prejudicada, já que é feito o monitoramento da eficiência deste licor reutilizado.
A força do licor branco pode ser determinada no laboratório, mas geralmente os resultados são muito demorados para se ter um controle rápido do processo. A condutividade não é uma medição específica de um determinado íon e sim a soma da condutividade de todos os íons presentes na solução. Porém, como o NaOH e Na2S são muito mais condutivos do que o restante dos íons, a condutividade será representativa da concentração da efetividade alcalina. Quando comparado a qualquer medição no laboratório, este método tem a vantagem de fazer medições on-line, o que é essencial para o controle do processo. Deve-se, porém possuir dados empíricos que permita a comparação da condutividade com dados de laboratório para a efetividade alcalina. Uma vez que se possui tal correlação, a condutividade pode ser utilizada para controlar o processo e os dados de laboratório podem ser utilizados para ajustar a correlação. Apesar da necessidade de tempo para determinar tal correlação relevante para a planta, ganha-se uma poderosa ferramenta de otimização do processo.
2.2.
Lavagem da celulose
A polpa que sai do digestor deve ser separada do licor de cozimento e então lavada. O licor de cozimento (também chamado de licor negro) é bombeado para o tanque de estocagem para ser recuperado. Na lavagem, a polpa passa por peneiras para a separação de lascas que não foram cozidas no digestor. Tal polpa, então, é chamada de polpa espessada. A produtividade nesta etapa do processo é definida pela obtenção de polpa de celulose limpa utilizando a menor quantidade possível de água e por evitar diluição desnecessária de agentes químicos. Tais agentes são recuperados em caldeiras, sendo que altas concentrações de água faz tal processo ser ineficiente ou até mesmo impossível. A concentração de químicos na solução que sai na última etapa de lavagem determina o grau de limpeza da polpa assim como o fator de diluição. Nesta etapa, água é adicionada ao sistema. A quantidade determina a limpeza da polpa e a concentração de químicos da solução que vai para a caldeira de recuperação. Neste ponto, a condutividade é uma ótima forma de determinar o fator de diluição de forma contínua. Através dela, pode-se determinar o ponto ótimo entre a limpeza da polpa e a concentração de químicos que vai para o recuperador. O pH é outro importante parâmetro desta etapa do processo. Ele é utilizado para diferenciar o comportamento das fibras em soluções de diferentes níveis de pH.
2.3.
Recuperação de químicos
Hoje em dia, quase todas as indústrias de papel e celulose recuperam e reusam agentes químicos. Após decompor a madeira no digestor, o licor branco passa a ser chamado de licor negro. O licor negro extraído da polpa de celulose durante o processo de lavagem deve ser novamente utilizado. O licor branco (licor negro recuperado) é a solução química nova inicialmente adicionada no digestor. O licor negro coletado através de drenos vai para a área de recuperação de químicos. A medição de condutividade nesta etapa do processo é extremamente importante devido a dois fatores: Ambiental: o licor negro é muito contaminante para a estação de tratamento de efluentes; Econômico: o licor negro contém grande quantidade de químicos que podem ser recuperados e não perdidos (entre 95 e 98% do total de substâncias que entraram no digestor) Os sensores utilizados neste ponto devem ser muito resistentes em condições severas, visto que o licor possui agressividades mecânica e química muito elevadas, além de níveis de pressão e temperatura muito altos.
2.4.
Branqueamento
Depois que a polpa passa pelo processo de lavagem que retira o licor negro e os cavacos não cozidos no digestor, tal polpa é alvejada com substâncias tais como dióxido de cloro e hipoclorito de cálcio. Estes agentes alvejantes oxidam os corantes da madeira acentuados pela presença de sulfetos presentes no licor de cozimento. Os agentes alvejantes podem, porém, podem deixar resíduos na água de lavagem e danificar as fibras de celulose. As condições do processo são severas: elevado teor de sólidos, adição de agentes químicos fortemente oxidantes, pressão não faixa de 9 bar e temperatura de 90oC.
Nesta etapa do processo, o monitoramento de pH é utilizado como forma de controlar a dosagem de agentes químicos necessários para se obter a celulose branca no final do processo.
2.5.
Máquina de papel
Existe uma aplicação de extrema importância na máquina de papel: a medição de pH. Através do controle de pH da massa de celulose que entrará na máquina de papel, pode-se controlar a qualidade final do produto e uniformizar suas características, tais como densidade, impregnação e tinta e uniformidade. Nesta etapa do processo, apesar de ser menor que no branqueamento, ainda existe um alto teor de sólidos.
3. Conclusões O eficiente controle de variáveis analíticas traz benefícios tanto ambientais quanto de economia de custos. O controle da condutividade na recuperação de licor negro, por exemplo, evita que o licor negro extremamente contaminado vá para a estação de tratamento de efluente. Existe ainda a economia de custos, na lavagem de polpa de celulose devido à adição otimizada de água através do controle de condutividade.
Bibliografia SHREVE, R. Norris; BRINK, Joseph A. Jr. Indústrias de Processos Químicos. Guanabara, Rio de Janeiro, 4a Edição.
