ES2208445T3 - ELCTROCHEMICAL PROCEDURE TO DETERMINE THE LIGNIN CONTENT OF THE CELLULOSE PASTE. - Google Patents
ELCTROCHEMICAL PROCEDURE TO DETERMINE THE LIGNIN CONTENT OF THE CELLULOSE PASTE.Info
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Abstract
Un procedimiento para determinar el índice kappa o el contenido de lignina de una pasta de celulosa, el cual comprende: i) poner en contacto una muestra (26) de la pasta de celulosa con un electrodo vatimétrico (18) dentro de una célula electroquímica (12) en presencia de un mediador de reducción-oxidación (24) en estado de oxidación que sea eficaz para oxidar lignina dentro de la pasta de celulosa, con formación de un estado reducido de dicho mediador de reducción-oxidación (24) y una corriente de descarga a dicho electrodo, la cual reoxida el mediador de reducción-oxidación, ii) la medición de la intensidad pico de la corriente descarga (Ip) por medios vatimétricos en dicho electrodo (18), y iii) la determinación del índice kappa o el contenido de lignina de la muestra de pasta de celulosa (26) partiendo de la intensidad pico (Ip) medida en ii).A method for determining the kappa index or lignin content of a cellulose pulp, which comprises: i) contacting a sample (26) of the cellulose pulp with a vathometric electrode (18) within an electrochemical cell ( 12) in the presence of a reduction-oxidation mediator (24) in the oxidation state that is effective to oxidize lignin within the cellulose pulp, with formation of a reduced state of said reduction-oxidation mediator (24) and a current of discharge to said electrode, which re-oxidizes the reduction-oxidation mediator, ii) the measurement of the peak intensity of the discharge current (Ip) by means of wattmetric means in said electrode (18), and iii) the determination of the kappa index or the lignin content of the cellulose pulp sample (26) based on the peak intensity (Ip) measured in ii).
Description
Procedimiento electroquímico para determinar el contenido en lignina de la pasta de celulosa.Electrochemical procedure to determine the lignin content of cellulose pulp.
La presente invención se refiere, en general, a la industria de la pasta y el papel y, en particular, a procedimiento electroquímico nuevo para medir el contenido de lignina y/o el índice kappa de las pastas de celulosa y de las lejías empleadas en la fabricación y blanqueo de pasta papelera.The present invention relates, in general, to the pulp and paper industry and, in particular, to new electrochemical procedure to measure the content of lignin and / or the kappa index of cellulose pastes and Lyes used in the manufacture and bleaching of pulp.
Con el fin de producir una pasta de kraft de calidad excelente y uniforme es necesario regular con eficiencia los procesos de la fabricación y blanqueo de pasta papelera. La medición del índice kappa de la pasta de celulosa es utiliza, corrientemente, para monitorizar y regular las condiciones de la cocción, y para calcular la cantidad de los productos químicos blanqueadores que se tienen que añadir para obtener el brillo de punto de referencia de la pasta de celulosa, sin desperdicios de productos químicos. Además, las fábricas de papel que emplean una etapa de de deslignificación con oxígeno también requieren mediciones fiables del índice kappa con el fin de evitar una deslignificación excesiva y la degradación de las fibras. La medición del índice kappa, con el procedimiento estándar de la valoración con permanganato sódico, lleva varias horas. El tiempo que transcurre entre la medición del índice kappa y la modificación del proceso no es compatible con una estrategia de control eficiente del proceso, el cual requiere una monitorización ininterrumpida de la calidad de la pasta de celulosa. Los analizadores automáticos del índice kappa en la línea de producción son capaces de medir el índice kappa en unos cuantos minutos, de forma que los cambios en el proceso se puedan ejecutar con rapidez Para aplicaciones comerciales se han desarrollado varios sistemas analizadores automatizados del índica kappa. Todos ellos miden las propiedades ópticas de las fibras de la pasta de celulosa. En el analizador Opti-Kappa, descubierto por STFI (Kubulnieks y col., Revista de la Asociación Técnica de la Pasta y el Papel (TAPPI), noviembre 1987, pp. 38-42) se utiliza la absorción de la luz UV, mientras que en otros sistemas, los cuales funcionan bajo un principio similar, se en emplea la reflexión de la luz UV, en lugar de la absorción. Estos sistemas fueron ideados por la BTG Inc. (Agnéus y Damlin, Reuniones de la XXIV Conferencia de la Eucepa, Estocolmo, Suecia, 1990, pp. 234-241), Valmet Automation Kajaani Inc. (Olilla y Erkkilä, Reuniones de la TAPPI en la Conferencia sobre la Calidad y los Productos y Exposición Industrial de 1997l, Jacksonville, Fl, pp. 177-122), y Honeywell-Measurex (Van Fleet y Whalley, Reuniones de la TAPPI en la Conferencia sobre la Fabricación de Pasta Papelera de 1998, pp. 1509-1512) y la patente de los EE.UU. número 5.953.111. La medición de la fluorescencia (Berthold y col, patentes de los EE.UU.: números 5.216.483 y 5.220.172), y el cambio de color de la fluorescencia (Jeffers y Malito, patente de los EE.UU. núm. 5.486.915), se aplicaron para medir el contenido de lignina en la pasta de celulosa. En general los sistemas de medición basados en aparatos ópticos son muy sensibles a las variaciones en la consistencia de la pasta de celulosa. De esta manera, con el fin de obtener una medición precisa de la lignina, se requiere también un control estricto de la consistencia de la pasta de celulosa.In order to produce a kraft paste of excellent and uniform quality it is necessary to regulate efficiently the manufacturing processes and bleaching of pulp. The measurement of the cellulose pulp kappa index is currently used to monitor and regulate cooking conditions, and to calculate the amount of bleaching chemicals that are they have to add to get the reference point brightness of Cellulose pulp, without waste of chemical products. In addition, paper mills that employ a stage of oxygen delignification also require reliable measurements of the kappa index in order to avoid a delignification excessive and fiber degradation. Index measurement kappa, with the standard valuation procedure with sodium permanganate, takes several hours. The time that elapses between the measurement of the kappa index and the modification of the process no It is compatible with an efficient process control strategy, which requires uninterrupted monitoring of the quality of cellulose pulp Automatic analyzers of the Kappa index in the production line they are able to measure the kappa index in a few minutes, so that changes in the process are can run quickly for commercial applications have developed several automated indica analyzer systems kappa. They all measure the optical properties of the fibers of cellulose pulp In the Opti-Kappa analyzer, discovered by STFI (Kubulnieks et al., Association Magazine Pulp and Paper Technique (TAPPI), November 1987, pp. 38-42) UV light absorption is used, while in other systems, which work under a similar principle, the reflection of UV light is used instead of absorption. These systems were devised by BTG Inc. (Agnéus and Damlin, Meetings of the XXIV Eucepa Conference, Stockholm, Sweden, 1990, pp. 234-241), Valmet Automation Kajaani Inc. (Olilla and Erkkilä, TAPPI Meetings in the Conference on Quality and Products and Exhibition Industrial of 1997l, Jacksonville, Fl, pp. 177-122), and Honeywell-Measurex (Van Fleet and Whalley, TAPPI Meetings at the Conference on the Paper Pulp Manufacturing 1998, pp. 1509-1512) and US Pat. number 5,953,111. The fluorescence measurement (Berthold et al, U.S. Patents: Nos. 5,216,483 and 5,220,172), and change of fluorescence color (Jeffers and Malito, patent of the USA no. 5,486,915), were applied to measure the content of lignin in cellulose pulp. In general measurement systems based on optical devices are very sensitive to variations in the consistency of cellulose pulp. In this way, in order to obtain an accurate measurement of lignin, it is also required Strict control of the consistency of cellulose pulp.
El empleo de sensores electroquímicos, dentro de una amplia gama de aplicaciones, tales como la monitorización ambiental, el control de calidad industrial y el análisis bioquímico, son corrientes. En la industria de la pasta y el papel se utilizan sensores amperimétricos/polarográficos y sensores detectores potenciométricos para medir la concentración de diversos productos químicos oxidantes o reductores en las lejías de la fabricación y blanqueo de pasta papelera. De ese modo, con los procedimientos polarográficos se pueden medir, de una manera selectiva y cuantitativa, los compuestos de sulfuro, sulfito, tiosulfito y sulfihidrilo en las lejías de la pasta kraft (Noel, Revista de la Tappi 61(5), pp. 73-76, 1978) dióxido de cloro y cloro en la lejías gastadas en el blanqueo (Williams and Williamson, en: Dence, C.W y Reeve, D.W., editores, Blanqueo de la Pasta de celulosa, Principios y Práctica, Tappi Press, 1996, pp. 625-645). Sin embargo estos sensores no son capaces de medir la lignina dentro de la fibra, porque se necesita que haya un contacto íntimo entre la lignina y la superficie del electrodo con el fin de permitir el paso libre a los electrones. Recientes descubrimientos en el campo del blanqueo enzimático de la pasta kraft han demostrado que la enzima laccasa puede deslignificar la pasta kraft y oxidar los compuestos de la muestra de la lignina, cuando un mediador de la reducción-oxidación se halla presente (Borbonnais y Paice, FEBS Lett 267:99-102, 1990, y Aplic. de Biotecnología Microbiológica 36:823-827, 1992). El mediador de la reducción/oxidación actúa en calidad de portador de electrones difusibles entre la lignina residual en la pared de la fibra y la molécula grande de la laccasa en solución. Los estudios electroquímicos de la interacción entre la lignina y los mediadores de la reducción-oxidación han demostrado que el mediador, oxidado, por medios electroquímicos se regenera continuamente en la superficie del electrodo a continuación de su reducción por medio de los componentes del tipo de la lignina (Bourbonnais y col., Actas de Biof. y Bioquímica, 1379:381-390, 1998). Se demostró que la cinética de la reacción de la reducción-oxidación estaba relacionada con la concentración del compuesto de muestra de la lignina.The use of electrochemical sensors, within a wide range of applications, such as monitoring Environmental, industrial quality control and analysis Biochemical, they are common. In the pulp and paper industry ammeter / polarographic sensors and sensors are used potentiometric detectors to measure the concentration of various oxidizing or reducing chemicals in the bleach manufacture and bleaching of pulp. That way, with the Polarographic procedures can be measured, in a way selective and quantitative, sulfur compounds, sulfite, thiosulfite and sulfihydrile in the lyes of the kraft paste (Noel, Tappi Magazine 61 (5), pp. 73-76, 1978) chlorine dioxide and chlorine in bleach spent on bleaching (Williams and Williamson, in: Dence, C.W and Reeve, D.W., editors, Bleaching of cellulose pulp, Principles and Practice, Tappi Press, 1996, pp. 625-645). However these sensors are not able to measure lignin inside the fiber, because there needs to be intimate contact between lignin and the electrode surface in order to allow free passage to the electrons Recent discoveries in the field of money laundering enzymatic kraft paste have shown that the enzyme laccasa can delignify the kraft paste and oxidize the compounds of the sample of lignin, when a mediator of the reduction-oxidation is present (Borbonnais and Paice, FEBS Lett 267: 99-102, 1990, and App. from Microbiological Biotechnology 36: 823-827, 1992). The reduction / oxidation mediator acts as a carrier of diffusible electrons between the residual lignin in the wall of the fiber and the large laccasa molecule in solution. The studies electrochemicals of the interaction between lignin and mediators of oxidation reduction have shown that the mediator, oxidized, by electrochemical means regenerates continuously on the electrode surface following its reduction by means of lignin type components (Bourbonnais et al., Proceedings of Biof. And Biochemistry, 1379: 381-390, 1998). It was shown that the kinetics of the oxidation reduction reaction was related to the concentration of the sample compound of the lignin
En el documento DE-A-1974278 se describe el uso del mediador de la reducción-oxidación ABTS en combinación con la pasta de celulosa para aumentar la deslignificación de la pasta de celulosa, resultando un blanqueo reforzado obtenido mediante el empleo de un mediador de la reducción-oxidación.In the document DE-A-1974278 describes the use of ABTS reduction-oxidation mediator in combination with cellulose pulp to increase the delignification of cellulose pulp, resulting in bleaching reinforced through the use of a mediator of the oxidation reduction
En el documento WO-A-99 54545 se da a conocer un complejo metálico de transición en calidad de mediador de la reducción-oxidación, el cual se puede añadir a una pasta de celulosa.In the document WO-A-99 54545 discloses a transition metal complex as mediator of the oxidation reduction, which can be added to a cellulose pulp
La finalidad de la invención presente es, sin embargo, la aplicación de procedimientos vatimétricos a una suspensión de pasta de celulosa, en presencia de un mediador de reducción-oxidación de lignina soluble, para la medición, cuantitativa y rápida del contenido de lignina en la pasta kraft.The purpose of the present invention is, without However, the application of wattmeter procedures to a cellulose pulp suspension, in the presence of a mediator reduction-oxidation of soluble lignin, for Measurement, quantitative and rapid lignin content in pasta Kraft
Una realización de esta invención aporta un procedimiento nuevo para medir el índice kappa o el contenido de lignina en las pastas kraft, basado en la medición vatimétrica de reacciones catalíticas que implican el uso de lignina y mediadores de la reducción-oxidación. Este procedimiento electroquímico comprende la medición de la velocidad de regeneración de un catalizador de reducción-oxidación de la lignina en presencia de la pasta de celulosa, a continuación de su oxidación en un electrodo vatimétrico. La intensidad de la corriente catalítica, generada en la superficie del electrodo, es proporcional a la cantidad y al estado de oxidación de la lignina presente en la pasta de celulosa. Las relaciones lineales entre los índices kappa y las intensidades de la corriente que se genera se pueden obtener dentro de las diversas gamas de índices kappa y tipos de pasta de celulosa. Las características de reducción-oxidación y la concentración del medidor, y el ritmo de barrido de la tensión del procedimiento vatimétrico son parámetros que se pueden sintonizar con las relaciones lineales obtenidas de las diversas pastas de celulosa.An embodiment of this invention provides a new procedure to measure the kappa index or the content of lignin in kraft pastes, based on the wattmeter measurement of catalytic reactions that involve the use of lignin and mediators of reduction-oxidation. This procedure electrochemical comprises measuring the speed of regeneration of a catalyst reduction-oxidation of lignin in the presence of cellulose pulp, following its oxidation in an electrode Vathometric The intensity of the catalytic current, generated in The electrode surface is proportional to the quantity and the oxidation state of lignin present in cellulose pulp. Linear relationships between kappa indices and intensities of the current that is generated can be obtained within various ranges of kappa indexes and types of cellulose pulp. The reduction-oxidation characteristics and the concentration of the meter, and the scan rate of the voltage Vathometric procedure are parameters that can be tuned with the linear relationships obtained from the various pastes of cellulose.
Según un aspecto de esta invención se proporciona un procedimiento para averiguar el índice kappa o contenido de lignina en una pasta de celulosa, el cual comprende: i) el contacto de una muestra de la pasta de celulosa con un electrodo vatimétrico dentro de una célula electroquímica, en presencia de un mediador de reducción-oxidación eficaz en de un estado que sea efectivo para oxidar la lignina dentro de la pasta de celulosa, la formación de un estado reducido de dicho mediador de reducción-oxidación y una corriente de descarga de dicho electrodo, el cual reoxida el mediador de reducción-oxidación; ii) la medición vatimétrica de la intensidad pico de la corriente de descarga en dicho electrodo, y iii) la determinación del índice kappa o el contenido de lignina de la muestra de pasta de celulosa partiendo de la intensidad pico en ii).According to one aspect of this invention, it is provided a procedure to find out the kappa index or content of lignin in a cellulose paste, which comprises: i) contact of a sample of cellulose pulp with a wattmeter electrode within an electrochemical cell, in the presence of a mediator of effective reduction-oxidation in a state that is effective to oxidize lignin inside cellulose pulp, the formation of a reduced state of said mediator of reduction-oxidation and a discharge current of said electrode, which reoxidizes the mediator of oxidation reduction; ii) the vaimetric measurement of the peak intensity of the discharge current in said electrode, and iii) the determination of the kappa index or lignin content of the cellulose pulp sample starting from the peak intensity at ii).
También se describe un procedimiento para analizar el contenido de lignina de una pasta de celulosa, el cual comprende: a) la mezcla de una muestra de la pasta de celulosa con un mediador de la reducción-oxidación; b) la colocación de la muestra resultante en contacto con un electrodo de trabajo dentro de una aparato de vatimetría cíclica, c) la medición de la intensidad dentro de la corriente pico que se genera en el electrodo, y d) la conversión de la corriente pico en el índice kappa partiendo de los datos de la calibración determinados con pastas de celulosa cuyo contenido en lignina es ya conocido.A procedure is also described for analyze the lignin content of a cellulose paste, which comprises: a) mixing a sample of the cellulose pulp with a reduction-oxidation mediator; b) the placement of the resulting sample in contact with an electrode of work within a cyclic vatimetry apparatus, c) measurement of the intensity within the peak current that is generated in the electrode, and d) the conversion of the peak current into the index kappa based on the calibration data determined with Cellulose pastes whose lignin content is already known.
La figura 1 ilustra, de forma esquemática, la medición del índice kappa de la pasta de celulosa mediante vatimetría cíclica, según esta invención.Figure 1 illustrates, schematically, the measurement of the cellulose pulp kappa index by cyclic vatimetry, according to this invention.
La figura 2 ilustra, de modo esquemático, un procedimiento electroquímico de mediador acoplado, para averiguar el índice kappa.Figure 2 illustrates, schematically, a electrochemical procedure of coupled mediator, to find out the kappa index.
Las figuras 3a y 3b ilustran, de forma gráfica, la vatimetría cíclica de un mediator ABTS de reducción-oxidación sólo (figura 3a) y en presencia de una pasta kraft (3b).Figures 3a and 3b illustrate, graphically, the cyclic vatimetry of an ABTS mediator of oxidation reduction only (figure 3a) and in the presence of a kraft paste (3b).
Las figuras 4a, 4b y 4c ilustran, de una manera gráfica, la relación entre las intensidades de la corriente pico y el índice kappa, correspondientes a diversas pastas de celulosa.Figures 4a, 4b and 4c illustrate, in a way graph, the relationship between the intensities of the peak current and the kappa index, corresponding to various pastes of cellulose.
La figura 5 es una ilustración gráfica de la relación entre el índice kappa de pastas kraft de celulosa de coníferas, deslignificadas con oxígeno, y las intensidades de la corriente pico (I_{k}) del ABTS (0,2 mM).Figure 5 is a graphic illustration of the relationship between the kappa index of cellulose kraft pastes of conifers, oxygen delignified, and the intensities of the peak current (Ik) of ABTS (0.2 mM).
La figura 6 es una lustración gráfica de la relación entre pastas kraft, mixtas de celulosas duras, y las intensidades de la corriente pico (I_{k}) del ABTS (0,2 mM).Figure 6 is a graphic illustration of the relationship between kraft pastes, mixed hard cellulose, and peak current intensities (Ik) of ABTS (0.2 mM).
La figura 7 es una ilustración gráfica de la relación entre el índice kappa de pastas kraft blanqueadas, en parte, después de las etapas de extracción de dióxido de cloro y alcalina (D_{100}E) y las intensidades de la corriente pico (I_{k}) del ABTS (0,2 mM).Figure 7 is a graphic illustration of the relationship between the kappa index of bleached kraft pastes, in part, after the chlorine dioxide extraction stages and alkaline (D 100 E) and peak current intensities (I_ {k}) of ABTS (0.2 mM).
La figura 8a ilustra, de una manera gráfica, la vatimetría cíclica de un mediador de reducción-oxidación, octacianomolibdato potásico, en presencia de pastas kraft de celulosa de coníferas;Figure 8a illustrates, in a graphic way, the cyclic vatimetry of a mediator of oxidation reduction, potassium octacyanomolibdate, in presence of coniferous cellulose kraft pastes;
La figura 8b ilustra la relación lineal entre el índice kappa de la pasta decelulosa y las intensidades de la corriente pico (I_{k});Figure 8b illustrates the linear relationship between the Kappa index of cellulose pulp and the intensities of peak current (Ik);
La figura 9 ilustra, de un modo gráfico, el efecto del tamaño de la pasta de celulosa sobre las intensidades de la corriente pico del ABTS;Figure 9 illustrates, in a graphic way, the effect of cellulose pulp size on the intensities of the peak current of ABTS;
La figura 10 ilustra, de una manera gráfica, la relación entre la proporción de la corriente pico (I_{k,. 250 mV}/I_{k, 920 mV}) del ABTS y el tipo de pasta de celulosa o el grado de deslignificación.Figure 10 illustrates, in a graphic way, the relationship between the proportion of the peak current (I_ {k ,. 250 mV} / I_ {k, 920 mV}) of ABTS and the type of cellulose pulp or degree of delignification.
El principio de esta invención se basa en la combinación de un procedimiento electroquímico, tal como el de la vatimetría cíclica (CV), con el empleo de mediador soluble de reducción-oxidación que catalice la oxidación de la lignina.The principle of this invention is based on the combination of an electrochemical procedure, such as that of the cyclic vatimetry (CV), with the use of soluble mediator of oxidation reduction that catalyzes the oxidation of the lignin
Tal como se ilustra en la figura 1a, el aparato básico de la vatimetría 10 incluye una célula electroquímica 12, un potenciómetro 14 y un registrador 16. La célula 12 tiene un electrodo de trabajo 18, un electrodo auxiliar 20 y un electrodo de referencia 22; una solución de un mediador de reducción-oxidación 24 está alojada en la célula 12 y una muestra 26 de pasta de celulosa, mezclada con el mediador 24 está sostenida en la superficie del electrodo de trabajo 18. Durante su uso el potenciómetro 14 genera, de forma simultánea, una exploración potencial lineal en el electrodo de trabajo 18 y mide la corriente resultante de la oxidación o de la reducción del mediador 24, el cual un es compuesto activo de reducción-oxidación dentro de la célula electroquímica 12.As illustrated in Figure 1a, the apparatus Basic of the vatimetry 10 includes an electrochemical cell 12, a potentiometer 14 and a recorder 16. Cell 12 has a working electrode 18, an auxiliary electrode 20 and an electrode of reference 22; a solution of a mediator of reduction-oxidation 24 is housed in cell 12 and a sample 26 of cellulose pulp, mixed with mediator 24 is held on the surface of the working electrode 18. During use, potentiometer 14 simultaneously generates a linear potential scan at work electrode 18 and measures the current resulting from oxidation or reduction of the mediator 24, which is an active compound of reduction-oxidation inside the cell electrochemistry 12.
La intensidad de la corriente pico (I_{p}), medida en la superficie del electrodo de trabajo 18, por medio del registrador 16, es directamente proporcional a la concentración C de la analítica objetivo, tal como se muestra por medio de la ecuación de Rancles-Sevcik:The intensity of the peak current ( I p ), measured on the surface of the working electrode 18, by means of the recorder 16, is directly proportional to the concentration C of the objective analytic, as shown by the equation from Rancles-Sevcik:
I_{p}= 2,69 x 10^{5})n^{3/2}AD^{1/2}v^{12}CI_ {p} = 2.69 x 10 5) n 3/2 AD 1/2 v 12 C
en la que n es el número de electrones, A es el área del electrodo de trabajo, D es el coeficiente de difusión de la analítica, y v es la velocidad de exploración de la tensión.in which n is the number of electrons, A is the area of the working electrode, D is the diffusion coefficient of the analytical, and v is the speed of tension exploration.
Esta relación se aplica a los pares de reducción-oxidación solubles pero no se puede utilizar directamente en la lignina dentro de las fibras de la pasta de celulosa porque no hay contacto directo alguno entre la lignina y la superficie del electrodo. Sin embargo, mediante la adición de un mediador de reducción-oxidación soluble, la reacción del electrodo se puede acoplar, con eficacia, a la lignina dentro de las fibras de la pasta de celulosa. Durante el proceso vatimétrico, el mediador electroxidado se difunde dentro las fibras de la pasta de celulosa para reaccionar reversiblemente con la lignina. La reacción con la lignina regenera el mediador reducido en la superficie del electrodo, dando por resultado un aumento de corriente si se la compara con la del mediador solo. Empleando una concentración fija del mediador, la corriente, medida en el potencial pico del mediador, en presencia de la pasta de celulosa (I_{k}), es proporcional a la cantidad de lignina o al índice kappa de la pasta de celulosa (ver las figuras 2 y 3).This relationship applies to soluble reduction-oxidation pairs but cannot be used directly in lignin within the cellulose pulp fibers because there is no direct contact between the lignin and the electrode surface. However, by adding a soluble reduction-oxidation mediator, the electrode reaction can be effectively coupled to the lignin within the cellulose pulp fibers. During the vatometric process, the electroxidized mediator diffuses into the cellulose pulp fibers to react reversibly with lignin. The reaction with lignin regenerates the reduced mediator on the electrode surface, resulting in an increase in current compared to that of the mediator alone. Using a fixed concentration of mediator, the current measured at the peak potential of the mediator in the presence of pulp (I {k}) is proportional to the amount of lignin or the kappa number of the pulp ( see figures 2 and 3).
Esta invención se puede aplicar para medir el contenido de lignina o el índice kappa de pastas kraft de celulosa de coníferas, madera dura o de sulfito, ya sea durante la etapa de la cocción o la del blanqueo. Es preferible lavar la pasta de celulosa con agua o con un amortiguador electrolítico. Después del prensado o del filtrado se mezcla una cantidad fija de pasta de celulosa con una cantidad fija de solución mediadora 24 para formar la muestra 26. Para esta finalidad, el mediador puede ser un compuesto orgánico o inorgánico el cual puede formar un par reducción-oxidación en un potencial comprendido entre 0,3 y 1,2 voltios, medido en comparación con el electrodo de referencia (RE) de Ag/AgCI 22. La muestra 26 de la suspensión de pasta de celulosa y mediador se aplica y se prensa en la superficie del electrodo de trabajo (WE) 18 y se empapa dentro de la célula electroquímica 12 que contiene la solución mediadora 24, el electrodo de referencia (RE) 22 y el electrodo auxiliar (AE) 20 (figura 1). Es típico que las determinaciones por medio de vatimetría cíclica se lleven a cabo con una analizador vatimétrico BAS CV-50W (Bioanalytical Systems, Inc., Indiana. EE.UU) con un electrodo de referencia 22 de Ag/AGCl, un electrodo auxiliar de hilo de platino 20 y un electrodo de trabajo 18 de carbón vítreo de 3 mm de diámetro. También se puede utilizar, para esta invención, cualquier combinación de células electroquímicas 12, electrodos 18, 20 y 22 y potenciostatos 14, convenientes para el análisis electroquímico.This invention can be applied to measure the lignin content or the kappa index of cellulose kraft pastes of conifers, hardwood or sulphite, either during the stage of cooking or bleaching. It is preferable to wash the paste Cellulose with water or with an electrolytic buffer. After the Pressed or filtered a fixed amount of pasta is mixed cellulose with a fixed amount of mediating solution 24 to form sample 26. For this purpose, the mediator may be a organic or inorganic compound which can form a pair reduction-oxidation in a potential included between 0.3 and 1.2 volts, measured compared to the electrode of reference (RE) of Ag / AgCI 22. Sample 26 of the suspension of Cellulose paste and mediator is applied and pressed on the surface of the working electrode (WE) 18 and is soaked inside the cell electrochemistry 12 containing the mediating solution 24, the reference electrode (RE) 22 and auxiliary electrode (AE) 20 (Figure 1). Typically, determinations through cyclic vatimetry are carried out with a wattmeter analyzer BAS CV-50W (Bioanalytical Systems, Inc., Indiana. USA) with a reference electrode 22 of Ag / AGCl, an electrode auxiliary platinum wire 20 and a working electrode 18 of 3 mm diameter vitreous carbon. It can also be used, for this invention, any combination of electrochemical cells 12, electrodes 18, 20 and 22 and potentiostats 14, suitable for electrochemical analysis
El mediador de reducción-oxidación debe ser convenientemente reversible de tal manera que se pueda cambiar repetidas veces entre el estado reducido y el estado oxidado. Lo más conveniente es emplea mediadores de reducción-oxidación que sean solubles en el agua.The mediator of oxidation reduction should be conveniently reversible so that it can be changed repeatedly between the reduced state and the oxidized state. The most convenient is to employ reduction-oxidation mediators that are soluble in water.
El analizador vatimétrico puede realizar automáticamente las mediciones de la gama y la velocidad de las exploraciones de la tensión y del potencial pico. A título de ejemplo, en los medidores apropiados se incluye 2,2'-azinobis(3-etilbenciazolina-5-sulfonato) (ABTS), como mediador orgánico, y octacianomolibdato potásico [K_{4}Mo(CN)_{8}], como mediador inorgánico. El ABTS está disponible en el comercio y el K_{4}Mo(CN)_{8}.2H_{2}O se puede preparar según Furman y Miller (Sint. Inorgánicos 3,160-163, 1950). El mediador orgánico que se ha preferido utilizar para ilustrar esta invención es el ABTS el cual tiene dos pares estables y reversibles de reducción-oxidación dentro de una gama potencial de tensiones adecuadas para oxidar la lignina. El primer pico anódico, que aparece cuando el potencial del electrodo alcanza 0,52 V, corresponde a la oxidación de ABTS a su radical catiónico (ABTS^{.+}), mientras que el segundo pico a 0,92 V corresponde a la formación del dicatión (ABTS^{2+}). En la figura 3 se muestran vatigramas cíclicos a una velocidad lenta de exploración del potencial (2 mV/seg.) con, a) ABTS 0,2 mM en amortiguador de citrato sódico, 0,1M, pH 4,5, y b) ABTS en presencia de pasta de kraft de celulosa de coníferas. Al comparar el aumento de las intensidades pico de la corriente anódica de ABTS en presencia de pasta de celulosas (I_{k}, corriente catalítica) cuando con ABTS solo (I_{d}, corriente difusora) se ilustra el alcance de las reacciones que tienen lugar entre las dos formas oxidadas de ABTS y la lignina residual o el índice kappa de la pasta kraft.The wattmeter analyzer can automatically perform measurements of the range and speed of the voltage and peak potential scans. As an example, the appropriate meters include 2,2'-azinobis (3-ethylbenciazoline-5-sulfonate) (ABTS), as organic mediator, and potassium octacyanomolibdate [K4 Mo (CN) 8 ], as inorganic mediator. ABTS is commercially available and K4 Mo (CN) 8 .2H2 O can be prepared according to Furman and Miller (Sint. Inorganic 3,160-163, 1950). The organic mediator that has been preferred to use to illustrate this invention is ABTS which has two stable and reversible oxidation reduction pairs within a potential range of stresses suitable for oxidizing lignin. The first anodic peak, which appears when the electrode potential reaches 0.52 V, corresponds to the oxidation of ABTS to its cationic radical (ABTS. +), While the second peak at 0.92 V corresponds to the formation of the dication (ABTS 2+). Figure 3 shows cyclic vatigrams at a slow rate of potential exploration (2 mV / sec.) With, a) 0.2 mM ABTS in 0.1M sodium citrate buffer, pH 4.5, and b) ABTS in the presence of coniferous cellulose kraft paste. By comparing the increase in peak intensities of the anodic current of ABTS in the presence of cellulose pulp ( I k , catalytic current) when with ABTS alone ( I d, diffuser current) the extent of the reactions is illustrated. they occur between the two oxidized forms of ABTS and the residual lignin or the kappa index of the kraft paste.
Se prepararon pastas kraft de celulosa de coníferas con un índice kappa dentro del orden de 32 a 87 mediante la cocción de virutas picea negra del Canadá oriental a diversos factores H en una lejiadora discontinua de instalación experimental. La deslignificación adicional de las pastas kraft de picea negra se llevó a cabo con un reactor químico presionizado con oxígeno a escala de laboratorio, a diversos tiempos de reacción, temperaturas y cargas alcalinas. Las pastas de celulosa de coníferas deslignificadas con oxígeno (SWO_{2}) que se obtuvieron tenían unos índices kappa que variaban desde 11 hasta 29. Todos los índices kappa de las pastas de celulosa se midieron mediante el análisis volumétrico con permanganato según el procedimiento de prueba Tappi T236.Kraft pulp of cellulose was prepared conifers with a kappa index in the order of 32 to 87 by the cooking of black spruce shavings from eastern Canada to various H factors in a discontinuous installation bleach experimental. Additional delignification of kraft pastes from black spruce was carried out with a chemical reactor pressed with oxygen at laboratory scale, at various reaction times, temperatures and alkaline charges. The pulp of oxygen delignified conifers (SWO2) that were obtained they had kappa indices ranging from 11 to 29. All Kappa indices of cellulose pastes were measured by volumetric analysis with permanganate according to the procedure of Tappi T236 test.
La vatimetría cíclica de las pastas se llevó a cabo como sigue: Después de lavar la pasta de celulosa con agua, se suspendió una muestra pequeña (equivalente a aproximadamente un peso de 10 mg. de pasta secada en el horno) dentro de una solución de 1 ml de ABTS (0,5 mM) en citrato sódico 0,1M, pH 4,5). La pasta se aplicó entonces a la superficie de un electrodo de carbón vítreo prensando la pasta contra el fondo de la célula electroquímica. La vatimetría cíclica se realizó a una velocidad de exploración de 2 mV/seg. dentro de un célula electroquímica que contenía una solución de ABTS (0;05 mM) en un amortiguador de citrato, un electrodo auxiliar de hilo de platino, un electrodo de referencia de cloruro de plata/plat, y una muestra de pasta de celulosa fijada en la superficie del electrodo de carbón de trabajo. Se midieron las intensidades de la corriente (I_{x}) en los picos anódicos de la ABTS/ABTS^{.+}(520 mV) y ABTS^{.+}/ABTS^{2+} (920 mV) y se trazaron en comparación con los índices kappa de las muestras de pasta de celulosa. En las figuras 4a a 4c se muestran gráficos de la variación de las intensidades de la corriente pico I_{k} de ABTS (0,5 mM) con el índice kappa de las pastas kraft de celulosa de coníferas. En la figura 4a, donde se han trazado juntas todas las pastas de celulosa de coníferas, procedentes de las etapas de la lejiadora de la pasta kraft y del oxígeno, el trazado de la I_{k}, en comparación con el índice kappa, no es lineal en toda la gama del índice kappa. Sin embargo, cuando se trazan por separado pastas de celulosa de coníferas procedentes de la lejiadora de la pasta kraft (figura 4 b) y pastas de celulosa de coníferas después de la deslignificación de la etapa del O_{2} (figura 4c), se puede observar que existe una buena correlación entre las I_{k} para tanto los potenciales pico de ABTS como para el índice kappa de las muestras de pasta de celulosa.. Las barras de error indican la desviación estándar de las mediciones por triplicado.The cyclic vatimetry of the pastes was carried out as follows: After washing the cellulose pulp with water, a small sample (equivalent to approximately 10 mg of dried pasta in the oven) was suspended in a solution of 1 ml of ABTS (0.5 mM) in 0.1M sodium citrate, pH 4.5). The paste was then applied to the surface of a vitreous carbon electrode by pressing the paste against the bottom of the electrochemical cell. Cyclic vatimetry was performed at a scanning speed of 2 mV / sec. within an electrochemical cell containing a solution of ABTS (0.05 mM) in a citrate buffer, a platinum wire auxiliary electrode, a silver / plat chloride reference electrode, and a fixed cellulose paste sample on the surface of the working carbon electrode. Current intensities ( I x ) were measured at the anodic peaks of ABTS / ABTS. + (520 mV) and ABTS. + / ABTS 2+ (920 mV) and they were plotted compared to the kappa indices of the cellulose pulp samples. Figures 4a to 4c show graphs of the variation of the intensities of the peak current Ik of ABTS (0.5 mM) with the kappa index of the coniferous cellulose kraft pastes. In Figure 4a, where all the coniferous cellulose pastes, from the stages of the kraft pulp bleach and oxygen, have been plotted together, the plot of the I_ {k}, in comparison with the kappa index, does not It is linear across the entire range of the Kappa index. However, when coniferous cellulose pulps from the kraft pulp bleach (Figure 4b) and coniferous pulp pulp are drawn separately after the delignification of the O2 stage (Figure 4c), You can see that there is a good correlation between Ik for both the potential ABTS peak and the kappa index of cellulose pulp samples. Error bars indicate the standard deviation of triplicate measurements.
Se prepararon y trataron pastas kraft de celulosa de coníferas, deslignificadas con oxígeno, tal como se describe en el ejemplo 1, excepto en que la concentración de ABTS que se utilizó para las mediciones electroquímicas se bajó a 0,2 mM. Las determinaciones vatimétricas se llevaron a cabo según se indica en el ejemplo anterior. En la figura 5 se muestra una buena linealidad entre la corriente pico de ABTS a 920 mV y el índice kappa de todas las pastas de celulosa deslignificadas con oxígeno cuando se utiliza ABTS con una concentración más baja. Sin embargo la curva que describe las intensidades de la corriente pico a 520 mV es menos lineal y parece que se desnivela para las pastas de celulosa con kappa más inferior.Cellulose kraft pastes were prepared and treated of conifers, delignified with oxygen, as described in Example 1, except that the ABTS concentration that was used for electrochemical measurements it was lowered to 0.2 mM. The Vimetric determinations were carried out as indicated in The previous example. A good linearity is shown in figure 5 between the peak current of ABTS at 920 mV and the kappa index of all cellulose pulps delignified with oxygen when Use ABTS with a lower concentration. However the curve which describes the intensities of the peak current at 520 mV is less linear and seems to be uneven for cellulose pastes with lower kappa.
Una pasta kraft de mezcla de celulosas de coníferas se preparó haciendo cocer una mezcla de troceados madereros de arce, abedul y álamo en lejiadoras de kraft de instalación experimental a índices kappa que variaron desde 16 hasta 21. Las muestras de pasta de celulosa se prepararon tal como se describe en el ejemplo 1 y se llevó a cabo la vatimetría de la pasta y del ABTS 0,2 tal como se ha descrito en el ejemplo 2. Por lo que respecta a las pastas de celulosa de coníferas en la figura 6 se muestra una relación lineal entre tanto las intensidades de la corriente catalítica de ABTS como el índice kappa de pastas kraft de celulosas duras.A kraft paste of cellulose mixture of conifers was prepared by cooking a chopped mixture Maple, birch and poplar loggers in kraft bleach experimental installation at kappa indices that varied from 16 to 21. Cellulose pulp samples were prepared as described in example 1 and paste vatimetry was carried out and of ABTS 0.2 as described in example 2. So with respect to coniferous cellulose pastes in figure 6 is shows a linear relationship between both the intensities of the ABTS catalytic current as the kappa index of kraft pastes of hard cellulose.
Una pasta kraft de picea negra con un índice kappa de 31,8, obtenida de un lejiadora de instalación experimental, se trató con dióxido de cloro (etapa D_{100}), seguida de la extracción alcalina (etapa E). Se aplicaron diversas cantidades de dióxido de cloro equivalentes a múltiplos de cloro activo (ACM) entre 0,05 y 0,20 para obtener pastas de celulosa parcialmente blanqueadas con índices kappa extraídos que variaron desde 8 hasta 23,5. Las muestras de pasta de celulosa se prepararon tal como se indica en el ejemplo 1 y la vatimetría cíclica de la pasta y del ABTS (0,2 mM) se realizó según se describe en el ejemplo 2. Los resultados de las curvas de regresión lineal de las intensidades de la corriente catalítica a 520 y 920 mV en comparación con el índice kappa de estas pastas blanqueadas se muestran en la figura 7.A black spruce kraft paste with an index 31.8 kappa, obtained from an experimental installation bleach, it was treated with chlorine dioxide (step D 100), followed by alkaline extraction (stage E). Various amounts of chlorine dioxide equivalent to multiples of active chlorine (ACM) between 0.05 and 0.20 to obtain partially cellulose pastes bleached with extracted kappa indices that varied from 8 to 23.5. Cellulose pulp samples were prepared as indicates in example 1 and the cyclic vatimetry of the paste and the ABTS (0.2 mM) was performed as described in example 2. The results of the linear regression curves of the intensities of the catalytic current at 520 and 920 mV compared to the index Kappa of these bleached pastes are shown in Figure 7.
En ese ejemplo se utilizó octacioanomolibdato potásico en calidad de mediador de reducción-oxidación para medir el índice kappa de las muestras de pasta de celulosa. Se prepararon y trataron, tal como se describe en el ejemplo 1, pastas kraft de celulosa de coníferas, deslignificada con oxígeno, excepto que el ABTS se cambió por una solución de K_{4}Mo(CN)_{8} (0,2 mM) en un amortiguador de acetato sódico (0,1M, pH 4,5). Este mediador fue solamente un par de reducción-oxidación (Eº = 0,55 V) dentro del orden del potencial utilizado para medir el índice kappa. Los vatigramas cíclicos de octacianomolibdato en presencia de pasta kraft con diversos índices kappa se muestran en la figura 8A, y la regresión lineal de las intensidades de la corriente pico (I_{x}) en comparación con muestras de pasta se ilustra en la figura 8B.In that example, potassium octacioanomolibdate was used as a reduction-oxidation mediator to measure the kappa index of cellulose pulp samples. Prepared and treated, as described in Example 1, coniferous cellulose kraft pastes, delignified with oxygen, except that the ABTS was exchanged for a solution of K4 Mo (CN) 8 (0, 2 mM) in a sodium acetate buffer (0.1M, pH 4.5). This mediator was only a reduction-oxidation pair (Eº = 0.55 V) within the order of the potential used to measure the kappa index. Cyclic octacyanomolibdate vatigrams in the presence of kraft pulp with various kappa indices are shown in Figure 8A, and the linear regression of peak current intensities ( I x ) compared to pulp samples is illustrated in Figure 8B .
Con el fin de verificar la importancia del tamaño de la muestra de pasta de celulosa en las intensidades de la corriente del mediador, se llevaron a cabo experimentos vatimétricos cíclicos con ABTS (0,2 nM) en presencia de diversas cantidades de una pasta de celulosa de coníferas deslignificada con oxígeno (índice kappa = 21,4). Tal como se muestra en la figura 9, ambas intensidades de la corriente pico de ABTS solo disminuyen muy ligeramente con la cantidad de pasta que se aplique a la superficie del electrodo. Las variaciones de la I_{x} están dentro de la desviación estándar para los tamaños de las muestras de pasta de celulosa comprendidos entre 8 y 12 mg.In order to verify the importance of the cellulose pulp sample size in the intensities of the mediator current, cyclic wattmeter experiments with ABTS (0.2 nM) were carried out in the presence of various amounts of a cellulose pulp of conifers that are delignified with oxygen (kappa index = 21.4). As shown in Figure 9, both intensities of the ABTS peak current only decrease very slightly with the amount of paste applied to the electrode surface. The variations of the I_ {x} are within the standard deviation for the sizes of cellulose pulp samples between 8 and 12 mg.
La relación entre las corrientes pico para los dos ABTS en estado de oxidación (es decir, 520 y 920 mV) se pueden utilizar de indicador del estado de oxidación de la lignina residual en la pasta de celulosa. El aumento de la intensidad de la corriente pico a 520 mV corresponde a la cantidad de los residuos más fácilmente oxidables en la lignina, tales como los grupos fenólicos, mientras que el aumento de la corriente a los 920 mV está más probablemente relacionado con los grupos de reducción-oxidación de potencial más alto. De esta manera, una pasta de celulosa con una relación alta de la intensidad de la corriente pico a 520 mV, por encima de la de a 920 mV, indica que la pasta de celulosa se puede oxidar con mas facilidad que una pasta que tenga relaciones pico más bajas. Este tipo de indicación puede conducir a un empleo más racional y al ahorro de los productos químicos blanqueadores. En la figura 10 se ilustra un gráfico de la relación de la corriente pico de ABTS (0,2 mM) (I_{k, 520mV}/I_{k, 920mV}) en presencia de varias pastas de celulosa. Una relación alta, tal como es el caso de pastas kraft de celulosas duras, indica que con el mismo índice kappa, una pasta kraft de celulosa dura se oxida o se blanquea con más facilidad que una pasta de celulosa de coníferas. Además, estos resultados indican también que hay una diferencia en el estado de oxidación de una pasta kraft de celulosa de coníferas cuando se la deslignifica, al mismo índice kappa, con dióxido de cloro, seguida de un etapa de extracción (DE) o con una etapa de oxidación (SWO_{2}).The relationship between peak currents for two ABTS in oxidation state (i.e. 520 and 920 mV) can be use of oxidation status indicator of residual lignin in cellulose pulp. The increase in current intensity peak at 520 mV corresponds to the amount of waste plus easily oxidizable in lignin, such as groups phenolic, while the increase in current at 920 mV is most likely related to groups of reduction-oxidation of higher potential. This way, a pulp of cellulose with a high ratio of the peak current intensity at 520 mV, above that of 920 mV, indicates that cellulose pulp can be oxidized with more ease than a paste that has lower peak ratios. East type of indication can lead to more rational employment and to saving of bleaching chemicals. In figure 10 it illustrates a graph of the ABTS peak current ratio (0.2 mM) (I_ {k, 520mV} / I_ {k, 920mV}) in the presence of several pastes cellulose. A high ratio, such as kraft pasta from hard cellulose, indicates that with the same kappa index, a paste hard cellulose kraft oxidizes or bleaches more easily than a pulp of coniferous cellulose. In addition, these results also indicate that there is a difference in the oxidation state of a coniferous cellulose kraft paste when it is delignified, at the same kappa index, with chlorine dioxide, followed by a stage of extraction (DE) or with an oxidation stage (SWO2).
Claims (9)
- i)i)
- poner en contacto una muestra (26) de la pasta de celulosa con un electrodo vatimétrico (18) dentro de una célula electroquímica (12) en presencia de un mediador de reducción-oxidación (24) en estado de oxidación que sea eficaz para oxidar lignina dentro de la pasta de celulosa, con formación de un estado reducido de dicho mediador de reducción-oxidación (24) y una corriente de descarga a dicho electrodo, la cual reoxida el mediador de reducción-oxidación,put in touch a sample (26) of the cellulose pulp with an electrode vammetric (18) inside an electrochemical cell (12) in presence of a reduction-oxidation mediator (24) in oxidation state that is effective to oxidize lignin within cellulose pulp, with formation of a reduced state of said reduction-oxidation mediator (24) and a current discharge to said electrode, which reoxidizes the mediator of oxidation reduction,
- ii)ii)
- la medición de la intensidad pico de la corriente descarga (I_{p}) por medios vatimétricos en dicho electrodo (18), ymeasuring the peak intensity of the discharge current (I_ {p}) by means wattmeters in said electrode (18), and
- iii)iii)
- la determinación del índice kappa o el contenido de lignina de la muestra de pasta de celulosa (26) partiendo de la intensidad pico (I_{p}) medida en ii).the determination of the kappa index or the lignin content of the pasta sample of cellulose (26) starting from the peak intensity (I_ {p}) measured in ii).
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