PT1740500E - Soles à base de sílica e a sua produção e utilização - Google Patents

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Description

DESCRIÇÃO "SOLES À BASE DE SÍLICA E A SUA PRODUÇÃO E UTILIZAÇÃO" A presente invenção refere-se, genericamente, a soles à base de silica aquosos adequados para utilização no fabrico de papel. Mais particularmente, a invenção refere-se a soles à base de silica, à sua produção e utilização no fabrico de papel. A presente invenção proporciona um método melhorado de produção de soles à base de silica com estabilidade e teor de S1O2 elevados bem como com desempenho de drenagem melhorado.
Antecedentes da invenção
Na técnica da produção de papel, uma suspensão aquosa contendo fibras celulósicas e cargas e aditivos opcionais, referida como matéria-prima, é alimentada a uma caixa de entrada que ejecta a matéria-prima sobre uma tela de formação. A água é drenada da matéria-prima de modo que se forme uma folha de papel húmida sobre a tela e a folha é, adicionalmente, drenada e seca na secção de secagem da máquina papeleira. Os auxiliares de drenagem e retenção são convencionalmente introduzidos na matéria-prima de modo a facilitar a drenagem e a aumentar a adsorção de partículas finas às fibras celulósicas para que fiquem retidas com as fibras sobre a tela.
Os soles de partículas à base de sílica são amplamente utilizados como auxiliares de drenagem e retenção em combinação 1 com polímeros orgânicos carregados. Esses sistemas aditivos estão entre os mais eficazes conhecidos em utilização na indústria de produção de papel. Um dos parâmetros que afecta as propriedades e desempenho de soles à base de sílica é a área superficial específica; os soles à base de sílica estáveis de alto desempenho, normalmente contêm partículas com uma área 2 superficial específica de, pelo menos, 300 m /g. Outro parâmetro é o valor S, que indica o grau de formação de agregados ou de microgeles; um valor S mais baixo é indicativo de um alto grau de agregação. Embora áreas superficiais elevadas e um certo grau de formação de agregados ou de microgeles possam ser vantajosos de um ponto de vista do desempenho, áreas superficiais muito elevadas e formação extensa de agregados ou de microgeles resultam em estabilidade consideravelmente diminuída de soles à base de sílica, tornando, assim, necessária a diluição extrema dos soles de forma a evitar a formação de geles. A Patente U.S. N° 5368833 divulga um sol de sílica tendo partículas de sílica que têm uma área superficial específica 2 dentro da gama de 750 a 1000 m /g, que têm a superfície modificada com alumínio num grau de 2 a 25% de substituição de átomos de silício e, em que, o sol tem um valor S dentro da gama de 8 a 45%. A referida patente também divulga um processo para a produção do sol de sílica que compreende os passos de acidificação de uma solução de vidro solúvel até um pH dentro da gama de 1 a 4; alcalinização do sol ácido a um teor de S1O2 dentro da gama de 7 a 4,5% em peso; permitir o crescimento de partículas do sol até uma área superficial específica dentro da 2 gama de 750 a 1000 m /g; e submeter o sol a modificação com alumínio. 2 A Patente U.S. N° 5603805 divulga soles de sílica tendo um valor S dentro da gama de 15 a 40% compreendendo partículas de sílica aniónicas, estando as referidas partículas de sílica opcionalmente modificadas com alumínio e tendo uma área 2 superficial específica dentro da gama de 300 a 700 m /g. A referida patente também divulga um processo para produção de sol de sílica compreendendo os passos de acidificação de uma solução de vidro solúvel a um pH dentro da gama de 1 a 4; alcalinização
do sol ácido a um teor de S1O2 dentro da gama de 7 a 5% em peso; alternativamente, alcalinização do sol ácido a um valor de pH entre 7 e 9; e crescimento das partículas do sol até uma área 2 superficial específica dentro da gama de 300 a 700 m /g; e, opcionalmente, seguido por modificação com alumínio. A Publicação do Pedido de Patente Internacional N° WO 98/56715 divulga um processo para preparação de um microgel de polissilicato aquoso que compreende misturar uma solução aquosa de um silicato de um metal alcalino com uma fase aquosa de um material à base de sílica tendo um pH de 11 ou menos. O microgel de polissilicato é utilizado como um agente floculante em combinação com, pelo menos, um polímero catiónico ou anfótero na produção de pasta e papel e para purificação de água. A Publicação do Pedido de Patente Internacional N° WO 00/66492 divulga um processo para a produção de um sol aquoso contendo partículas à base de sílica que compreende a acidificação de uma solução aquosa de silicato até um pH de 1 a 4 para formar um sol ácido; alcalinização do sol ácido num primeiro passo de alcalinização; permitir o crescimento de partículas do sol alcalinizado durante, pelo menos, 10 minutos 3 e/ou tratamento térmico do sol alcalinizado a uma temperatura de, pelo menos, 30 °C; alcalinização do sol obtido num segundo passo de alcalinização; e, opcionalmente, modificação do sol à base de silica com, por exemplo, alumínio. A Patente U.S. N° 6372806 divulga um processo para a preparação de uma silica coloidal estável tendo um valor S de 20-50 e em que a referida silica tem uma área superficial 2 superior a 700 m /g compreendendo:(a) carregar um reactor com uma resina de permuta iónica catiónica tendo, pelo menos, 40 por cento da sua capacidade de permuta iónica na forma de hidrogénio, em que o referido reactor tem meios para separação da referida silica coloidal da referida resina de permuta iónica; (b) carregar o referido reactor com um silicato de metal alcalino aquoso tendo uma proporção molar de S1O2 para óxido de metal alcalino na gama de 15:1 a 1:1 e um pH de, pelo menos, 10,0; (c) agitar o conteúdo do referido reactor até o pH do
referido conteúdo estar na gama de 8,5 a 11,0; (d) ajustar o pH do conteúdo do referido reactor para acima de 10,0 utilizando uma quantidade adicional do referido silicato de metal alcalino; e (e) separar a sílica coloidal resultante da referida resina de permuta iónica ao mesmo tempo que se retira a referida sílica coloidal do referido reactor. A Patente U.S. N° 5176891 divulga um método para a produção de microgeles de polialuminossilicatos solúveis em água tendo 2 uma área superficial de, pelo menos, cerca de 1000 m /g, compreendendo os passos de (a) acidificar uma solução diluída de um silicato de metal alcalino contendo cerca de 0,1 a 6% em peso de S1O2 até um pH entre 2 e 10,5 para produzir ácido 4 polissilícico; seguido por (b) fazer reagir um aluminato solúvel em água com o ácido polissilícico antes de o ácido polissilícico ter gelificado de tal modo que se obtém um produto com uma proporção molar de alumina/sílica superior a cerca de 1/100; e depois (c) diluir a mistura reaccional antes de ter ocorrido solidificação para o equivalente a cerca de 2,0% em peso de S1O2 ou menos para estabilizar os microgeles. 0 documento EP 0572888 Al divulga um processo contínuo para a preparação de soles de sílica alcalinos aquosos que contêm partículas de S1O2 esféricas, não agregadas com um diâmetro médio de 27-72 nm.
Seria vantajoso poder proporcionar soles à base de sílica com estabilidade e teor de S1O2 elevados bem como com desempenho de drenagem melhorado. Também seria vantajoso poder proporcionar processos melhorados para a preparação de soles à base de sílica com estabilidade e teor de S1O2 bem como desempenho de drenagem melhorados. Também seria vantajoso poder proporcionar um processo de produção de papel com drenagem melhorada.
Sumário da Invenção A presente invenção é, genericamente, dirigida a um processo para a produção de um sol aquoso à base de sílica que compreende: 5 (a) proporcionar uma resina de permuta iónica catiónica tendo, pelo menos, parte da sua capacidade de permuta iónica na forma de hidrogénio; (b) pôr a referida resina de permuta iónica em contacto com um silicato de metal alcalino aquoso para formar uma suspensão aquosa; (c) agitar a referida suspensão aquosa até o pH da fase aquosa estar na gama de 5,0 a 11,5; e/ou, alternativamente, agitar a referida suspensão aquosa para permitir a agregação de partículas ou a formação de um microgel correspondente a um valor S até 45% e obter um pH da fase aquosa de, pelo menos, 5,0; (d) ajustar o pH da referida fase aquosa para mais de 9,0 utilizando um ou mais materiais compreendendo, pelo menos, um composto de alumínio; e (e) separar a referida resina de permuta iónica da fase aquosa depois do passo (c) ou depois do passo (d). A invenção é ainda, genericamente, dirigida a um processo para a produção de um sol à base de sílica aquoso que compreende: (a) proporcionar um reactor; (b) proporcionar no referido reactor: (i) uma resina de permuta iónica catiónica tendo, pelo menos, parte da sua capacidade de permuta iónica na 6 forma de hidrogénio, e (ii) um silicato de metal alcalino aquoso, para formar uma suspensão aquosa; (c) agitar a referida suspensão aquosa até o pH da fase aquosa estar na gama de 5,0 a 11,5; e/ou, alternativamente, agitar a referida suspensão aquosa para permitir a agregação de partículas ou a formação de um microgel correspondente a um valor s até 45% e obter um pH da fase aquosa de, pelo menos, 5,0; (d) adicionar um ou mais materiais compreendendo, pelo menos, um composto de aluminio à fase aquosa obtida depois do passo (c) para formar uma fase aquosa tendo um pH acima de 9,0; (e) separar a referida resina de permuta iónica da fase aquosa depois do passo (c) ou depois do passo (d). A invenção é ainda dirigida a um sol à base de silica que pode ser obtido pelos processos acima referidos. A invenção é ainda, genericamente, dirigida a um sol à base de silica e, em particular, a um sol à base de silica que tem um valor S na gama de 15 a 25%, uma proporção molar de Si:Al na gama de 20:1 a 50:1, uma proporção molar de Si:X, em que X = metal alcalino, na gama de 5:1 a 17:1, um teor de S1O2 de, pelo menos, 5% em peso e contendo partículas à base de sílica tendo uma área superficial 2 especifica de pelo menos 300 m /g. A invenção é ainda dirigida a utilizações do sol à base de 7 sílica de acordo com a invenção, em particular, como um auxiliar de drenagem e retenção na produção de papel e para purificação de água. A invenção é ainda, genericamente, dirigida a um processo para a produção de papel que compreende (a) proporcionar uma suspensão aquosa compreendendo fibras celulósicas; (b) adicionar à suspensão um ou mais auxiliares de drenagem e retenção compreendendo um sol à base de sílica de acordo com a invenção como aqui definida; e (c) remover a água da suspensão obtida para proporcionar uma folha ou bobina de papel.
Descrição Pormenorizada da Invenção
De acordo com a presente invenção são proporcionados soles à base de sílica que são adequados para utilização como agentes floculantes em purificação de água e como auxiliares de drenagem e retenção na produção de papel. Os soles à base de sílica da invenção apresentam boa estabilidade durante períodos de tempo prolongados, nomeadamente, estabilidade elevada da área superficial e estabilidade elevada para evitar uma completa formação de gel. Os soles à base de sílica resultam, ainda, numa drenagem e retenção muito boas quando utilizados na produção de papel, em particular, drenagem melhorada. Assim, a presente invenção permite aumentar a velocidade da máquina de papel e utilizar uma dosagem menor de aditivo para dar um correspondente efeito de drenagem, levando, assim, a um processo melhorado de produção de papel e vantagens económicas. Os soles à base de sílica da invenção podem ser preparados por um processo que é simples, rápido e fácil de controlar e regular, e o processo permite utilizar equipamento de produção simples e menos dispendioso. Assim, os soles à base de sílica da invenção podem ser produzidos por um processo que é simplificado, melhorado e mais económico. A resina de permuta iónica utilizada no processo é catiónica e tem, pelo menos, parte da sua capacidade de permuta iónica na forma de hidrogénio, i. e. uma resina de permuta iónica catiónica ácida, de um modo preferido, uma resina de permuta iónica catiónica ácida fraca. Com vantagem, a resina de permuta iónica tem, pelo menos, 40% da sua capacidade de permuta iónica na forma de hidrogénio, de um modo preferido, pelo menos 50%. Existem no mercado resinas de permuta iónica adequadas
, ® fornecidas por vários fabricantes, por exemplo Amberlite IRC84SP de Rohm & Haas. De um modo preferido, um reactor equipado com meios para mistura, e. g., um agitador, é carregado com a resina de permuta iónica. De um modo preferido, a resina de permuta iónica é regenerada por adição de um ácido, e. g., ácido sulfúrico, de um modo preferido, de acordo com as instruções do fabricante. O passo (b) do processo compreende pôr em contacto a resina de permuta iónica catiónica com um silicato de metal alcalino aquoso. Com vantagem, isto é feito por adição da resina de permuta iónica e do silicato de metal alcalino aquoso ao reactor. De um modo preferido, 0 reactor contendo resina de permuta iónica regenerada é carregado com o silicato de metal 9 alcalino aquoso com o que se forma uma suspensão aquosa. Normalmente, o silicato de metal alcalino aquoso é adicionado a um reactor contendo resina de permuta iónica tendo, pelo menos, parte da sua capacidade de permuta iónica na forma de hidroqénio a uma velocidade na gama de 0,5 a 50 g de S1O2 por minuto e kg de resina de permuta iónica, calculada como resina de permuta iónica tendo 100% da sua capacidade de permuta iónica na forma de hidrogénio, com vantagem, de 1 a 35, e, de um modo preferido, de 2 a 20. Alternativamente, um reactor contendo o silicato de metal alcalino aquoso é carregado com a resina de permuta iónica regenerada com o que se forma uma suspensão aquosa.
Exemplos de silicatos de metal alcalino aquosos ou vidro solúvel adequados incluem materiais convencionais, e. g., silicatos de lítio, sódio e potássio, de um modo preferido, silicato de sódio. A proporção molar de sílica para óxido de metal alcalino, e. g., S1O2 para Na20, K2O ou L12O, ou uma sua mistura, na solução do silicato pode estar na gama de 15:1 a 1:1, com vantagem, na gama de 4,5:1 a 1,5:1, de um modo preferido, de 3,9:1 a 2,5:1. O silicato de metal alcalino aquoso utilizado pode ter um teor de S1O2 de cerca de 2 a cerca de 35% em peso, com vantagem, de cerca de 5 a cerca de 30% em peso e,
de um modo preferido, de cerca de 15 a cerca de 25% em peso. O pH do silicato de metal alcalino aquoso está normalmente acima de 11, tipicamente acima de 12. O passo (c) do processo compreende a agitação da suspensão aquosa formada no passo (b) até o pH da fase aquosa estar na gama de 5,0 a 11,5. Alternativamente, ou adicionalmente, o passo (c) do processo compreende agitar a referida suspensão aquosa para permitir a agregação de partículas ou a formação de um 10 microgel, correspondente a um valor S até 45% e obter um pH da fase aquosa de, pelo menos, 5,0. Com vantagem, a agitação é feita até o pH da fase aquosa estar na gama de 6,0 a 11,0, de um modo preferido, até um pH na gama de 6,5 a 10,0. Numa forma de realização preferida da invenção, a suspensão é agitada até o pH da fase aquosa ser até 8,0, com vantagem, estar na gama de 6,0 a 8,0, de um modo preferido, de 6,5 a 7,5. Noutra forma de realização preferida da invenção, a suspensão é agitada até o pH da fase aquosa ser, pelo menos, 8,0, com vantagem, estar na gama de 8,0 a 11,0, de um modo preferido, de 9,0 a 10,0. De um modo preferido, o crescimento das partículas ocorre enquanto se agita a suspensão aquosa. As partículas à base de sílica formadas normalmente têm uma área superficial específica de, pelo menos, 2 2 300 m /g, de um modo preferido, pelo menos, 700 m /g. A área 2 superficial específica é, com vantagem, até 1500 m /g, de um modo 2 . preferido, ate 1000 m /g. De um modo preferido, a suspensão e agitada de modo a obter agregação das partículas e formação do microgel, normalmente correspondente a um valor S na gama de 5 a 45%, com vantagem, de 8 a 35%, de um modo preferido, de 10 a 25% e, de um modo mais preferido, de 15 a 23%. A agitação normalmente ocorre durante um período de tempo de 5 a 240 minutos, de um modo preferido, de 15 a 120 minutos. O passo (c) do processo pode ser realizado simultaneamente com e/ou depois do passo (b) . Numa forma de realização preferida, o silicato de metal alcalino aquoso é adicionado com agitação ao reactor contendo resina de permuta iónica tendo, pelo menos, parte da sua capacidade de permuta iónica na forma de hidrogénio e, depois, uma vez completada a adição, a agitação continua para se obter o pH e/ou agregação das partículas ou formação de um microgel como descrito acima. Noutra forma de 11 realização preferida, o silicato de metal alcalino aquoso é adicionado com agitação no reactor contendo resina de permuta iónica tendo, pelo menos, parte da sua capacidade de permuta iónica na forma de hidrogénio para se obter o pH e/ou agregação das partículas ou formação de um microgel como descrito acima. 0 passo (d) do processo compreende a adição à fase aquosa de um ou mais materiais compreendendo, pelo menos, um composto de alumínio. Com vantagem, o pH da fase aquosa é ajustado para acima de 9,0, de um modo preferido, acima de 10,0; com vantagem, na gama de 9,2 a 11,5, de um modo preferido, de 9,5 a 11,2, e de um modo ainda mais preferido, de 10,0 a 11,0. De um modo preferido, o pH é ajustado por adição de um ou mais materiais compreendendo, pelo menos, um composto de alumínio, de um modo preferido, o pH é aumentado por adição de um ou mais materiais alcalinos compreendendo, pelo menos, um composto de alumínio. Numa forma de realização preferida, é adicionado um composto de alumínio. Noutra forma de realização preferida, é adicionado um material alcalino e um composto de alumínio. Exemplos de compostos de alumínio adequados incluem sais de alumínio alcalinos bem como sais de alumínio neutros e essencialmente neutros. Exemplos de sais de alumínio alcalinos adequados incluem aluminatos, com vantagem aluminatos aquosos, e. g., aluminatos de sódio e de potássio, de um modo preferido, aluminato de sódio. Exemplos de sais de alumínio neutros e essencialmente neutros incluem nitrato de alumínio. Exemplos de materiais alcalinos adequados incluem silicatos de metais alcalinos aquosos, e. g., qualquer dos definidos acima; hidróxidos de metais alcalinos aquosos, e. g., hidróxidos de lítio, de sódio e de potássio, de um modo preferido, hidróxido de sódio; hidróxido de amónio; com vantagem silicato ou hidróxido de sódio, de um modo preferido, silicato de sódio. 12
Quando se utiliza dois ou mais materiais compreendendo um material alcalino e um composto de alumínio, os materiais podem ser adicionados por qualquer ordem, de um modo preferido, o material alcalino é adicionado primeiro e seguido pela adição do composto de alumínio. Numa forma de realização preferida, o silicato de metal alcalino aquoso é adicionado primeiro e depois é adicionado aluminato de sódio aquoso. Noutra forma de realização preferida, o hidróxido de metal alcalino aquoso é adicionado primeiro e, depois, é adicionado o aluminato de sódio aquoso. A adição do composto de alumínio proporciona um sol à base de sílica aluminado. Com vantagem, a adição de composto de alumínio resulta na modificação pelo alumínio das partículas à base de sílica, de um modo preferido, as partículas são modificadas na superfície pelo alumínio. A quantidade de composto de alumínio utilizada pode ser variada dentro de limites amplos. Normalmente a quantidade de composto de alumínio adicionado corresponde a uma proporção molar de Si:Al de 10:1 a 100:1, com vantagem de 20:1 a 50:1, de um modo preferido, de 25:1 a 35:1 e, de um modo ainda mais preferido, de 25:1 a 30:1.
No passo (d) do processo, quando se utiliza um silicato de metal alcalino aquoso para ajustar o pH da fase aquosa, a proporção em peso de silicato de metal alcalino utilizado no passo (b) para silicato de metal alcalino utilizado no passo (d) pode variar dentro de limites amplos; normalmente a proporção está na gama de 99:1 a 1:9, com vantagem, de 19:1 a 1:2, de um modo preferido, de 4:1 a 1:1.
No passo (e) do processo, a resina de permuta iónica é separada da fase aquosa, por exemplo, por filtração. Isto pode ser feito depois do passo (c), por exemplo, depois do passo (c) mas antes do passo (d) ou depois do passo (d) . Também é possível 13 separar a resina de permuta iónica da fase aquosa durante o passo (d) . Por exemplo, a resina de permuta iónica pode ser separada após adição do material alcalino mas antes da adição do composto de alumínio. Também é possível adicionar parte de um material alcalino, e. g., silicato de metal alcalino aquoso, depois separar a resina de permuta iónica da fase aquosa seguida pela adição da parte restante do material alcalino. De um modo preferido, a resina de permuta iónica é separada da fase aquosa depois do passo (d) . A concentração dos materiais de partida aquosos utilizados no processo, e. g., o silicato de metal alcalino aquoso, hidróxido de metal alcalino aquoso e aluminato de sódio aquoso, é de um modo preferido, ajustada de modo a proporcionar um sol à base de silica que normalmente tem um teor de S1O2 de, pelo menos, 3% em peso, com vantagem, pelo menos, 5%, de um modo preferido, pelo menos, 6%, de um modo ainda mais preferido, pelo menos, 7,5% e, com vantagem, até 20% em peso, de um modo preferido, até 15% em peso. 0 sol à base de sílica produzido pelo processo desta invenção pode ter as propriedades aqui definidas adiante. 0 sol aquoso à base de sílica de acordo com a invenção contém partículas à base de sílica, i. e., partículas à base de sílica ou SÍO2, que são, de um modo preferido, aniónicas e coloidais, i. e., na gama coloidal do tamanho das partículas. As partículas estão, com vantagem, modificadas com alumínio, de um modo preferido, modificadas na superfície com alumínio. 0 sol à base de sílica da invenção pode ter uma proporção molar de Si:Al de 10:1 a 100:1, com vantagem, de 20:1 a 50:1, de um modo preferido, de 25:1 a 35:1 e, de um modo ainda mais preferido, de 14 25:1 a 30:1. O sol à base de sílica da invenção pode ter um valor S na gama de 10 a 50%, com vantagem de 12 a 40%, de um modo preferido de 15 a 25% e, de um modo ainda mais preferido, de 17 a 24%. O valor S é determinado e calculado como descrito por iler & Dalton em J. Phys. Chem. 60 (1956), 955-957. O valor S indica o grau de formação de agregados ou de microgel e um valor S mais baixo é indicador de um grau de agregação mais alto.
As partículas à base de sílica presentes no sol podem ter „ 2 uma area superficial específica de, pelo menos, 300 m /g, com 2 vantagem, pelo menos, 700 m /g, de um modo preferido, pelo menos, 2 750 m /g. A área superficial específica vai normalmente até 1000 2 2 m /g, com vantagem, até 950 m /g. A área superficial específica é determinada por meio de titulação com NaOH como descrito por
Sears em Analytical Chemistry 28(1956):12, 1981-1983, após a remoção apropriada ou ajustamento para quaisquer compostos presentes na amostra que possam interferir na titulação como compostos de alumínio e de boro, por exemplo como descrito por Sears e na Patente U.S. N° 5176891. O sol à base de sílica da invenção normalmente tem uma proporção molar de Si:X, em que X = metal alcalino, de, pelo menos, 3:1, com vantagem, pelo menos, 4:1, de um modo preferido, pelo menos, 5:1 e, de um modo ainda mais preferido, pelo menos, 6:1. A proporção molar de Si:X, em que X = metal alcalino, vai normalmente até 25:1, com vantagem, até 20:1, de um modo preferido, até 17:1, de um modo mais preferido, até 15:1 e, de um modo ainda mais preferido, até 10:1. 15 0 sol à base de sílica desta invenção é, de um modo preferido, estável. Com vantagem, o sol mantém uma área 2 superficial especifica de, pelo menos, 300 m /g, de um modo 2 preferido, pelo menos, 700 m /g, durante, pelo menos, 3 meses em armazenagem ou envelhecimento a 20 °C ao abrigo da luz e em condições sem agitação. Com vantagem, o sol mantém um valor S na gama de 10 a 50%, de um modo preferido, de 12 a 40%, durante, pelo menos, 3 meses em armazenagem ou envelhecimento a 20 °C ao abrigo da luz e em condições sem agitação. O sol à base de sílica de acordo com esta invenção é adequado para utilização como um agente floculante, por exemplo, na produção de pasta e de papel, nomeadamente como um auxiliar de drenagem e retenção, e dentro do campo da purificação da água, tanto para purificação de diferentes tipos de águas residuais como para purificação especificamente de água branca da indústria da pasta e do papel. Os soles à base de silica podem ser utilizados como um agente floculante, nomeadamente como um auxiliar de drenagem e retenção, em combinação com polímeros orgânicos que podem ser seleccionados de polímeros aniónicos, anfóteros, não iónicos e catiónicos e das suas misturas. A utilização desses polímeros como agentes floculantes e como auxiliares de drenagem e retenção é bem conhecida na técnica. Os polímeros podem ser derivados de fontes naturais ou sintéticas e podem ser lineares, ramificados ou reticulados. Exemplos dos principais polímeros genericamente adequados incluem amidos aniónicos, anfóteros e catiónicos; polímeros à base de acrilamida aniónicos, anfóteros e catiónicos, incluindo essencialmente polímeros à base de acrilamida aniónicos e catiónicos lineares, ramificados e reticulados; bem como poli(cloreto de dialildimetil amónio) catiónico; polietileno 16 iminas catiónicas; poliaminas catiónicas; poliamidoaminas catiónicas e polímeros à base de vinilamida, resinas de melamina-formaldeído e ureia-formaldeído. Com vantagem, os soles à base de sílica são utilizados em combinação com, pelo menos, um polímero catiónico ou anfótero, de um modo preferido, um polímero catiónico. 0 amido catiónico e a poliacrilamida catiónica são polímeros particularmente preferidos e podem ser utilizados individualmente, conjuntamente uns com os outros ou conjuntamente com outros polímeros, e. g., outros polímeros catiónicos e/ou aniónicos. 0 peso molecular do polímero está com vantagem acima de 1000000 e de um modo preferido acima de 2000000. O limite superior não é crítico; pode ser cerca de 50000000, normalmente 30000000 e, com vantagem, cerca de 25000000. Contudo, o peso molecular de polímeros derivados de fontes naturais pode ser mais alto. O presente sol à base de sílica também pode ser utilizado em combinação com coagulante(s) catiónico(s), quer com ou sem a co-utilização do(s) polímero(s) orgânico(s) referidos acima. Exemplos de coagulantes catiónicos adequados incluem coagulantes poliméricos orgânicos solúveis em água e coagulantes inorgânicos. Os coagulantes catiónicos podem ser utilizados individualmente ou conjuntamente, í. e., um coagulante polimérico pode ser utilizado em combinação com um coagulante inorgânico.
Exemplos de coagulantes catiónicos poliméricos solúveis em água adequados incluem poliaminas catiónicas, poliamidoaminas, polietileno iminas, polímeros de condensação de dicianodiamidas e polímeros de monómero insaturado etilenicamente solúveis em água ou mistura de monómeros que é formada por 50 a 100% molar
de monómero catiónico e 0 a 50% molar de outro monómero. A 17 quantidade de monómero catiónico é normalmente, pelo menos, 80% molar, com vantagem, 100%. Exemplos de monómeros catiónicos insaturados etilenicamente adequados incluem (met)-acrilatos e -acrilamidas de dialquilaminoalquilo, de um modo preferido, em forma quaternizada, e cloretos de dialildialquil amónio, e. g., cloreto de dialildimetilamónio (dadmac), de um modo preferido, homopolímeros e copolimeros de DADMAC. Os coagulantes catiónicos poliméricos orgânicos normalmente têm um peso molecular na gama de 1000 a 700000, com vantagem, de 10000 a 500000. Exemplos de coagulantes inorgânicos adequados incluem compostos de alumínio, e. g., alúmen e compostos de poli-alumínio, e. g., cloretos de poli-alumínio, sulfatos de poli-aluminio, sulfatos silicatos de poli-aluminio e as suas misturas.
Os componentes dos auxiliares de drenagem e retenção de acordo com a invenção podem ser adicionados à matéria-prima de modo convencional e por qualquer ordem. Quando se utiliza auxiliares de drenagem e retenção compreendendo um sol à base de sílica e polímero orgânico, é preferido adicionar o polímero orgânico à matéria-prima antes da adição do sol à base de sílica, mesmo que possa ser utilizada a ordem de adição oposta. Além disso, é preferido adicionar o polímero orgânico antes de uma etapa de cisalhamento, que pode ser seleccionada de bombagem, mistura, limpeza, etc., e adicionar o sol à base de sílica depois dessa etapa de cisalhamento. Quando se utiliza um coagulante catiónico, de um modo preferido, é adicionado à suspensão celulósica antes da adição do sol à base de sílica, de um modo preferido, também antes da adição do(s) polímero(s) orgânico(s).
Os componentes dos auxiliares de drenagem e retenção, de acordo com a invenção, são adicionados à matéria-prima a ser 18 drenada em quantidades que podem variar dentro de limites amplos dependendo, inter alia, do tipo e número de componentes, tipo de composição da pasta, teor de carga, tipo de carga, momento da adição, etc. Geralmente os componentes são adicionados em quantidades que produzem melhor drenagem e retenção do que a que é obtida quando não se adiciona os componentes. 0 sol à base de silica é normalmente adicionado numa quantidade de, pelo menos, 0. 001% em peso, frequentemente, pelo menos, 0,005% em peso, calculado como S1O2 e com base na composição de pasta seca, 1. e., fibras celulósicas secas e cargas opcionais e o limite superior é normalmente 1,0% e, com vantagem, 0,5% em peso. O polimero orgânico é normalmente adicionado numa quantidade de, pelo menos, 0,001%, frequentemente pelo menos 0,005% em peso, com base na composição de pasta seca e o limite superior é normalmente 3% e, com vantagem, 1,5% em peso. Quando se utiliza um coagulante polimérico catiónico, pode ser adicionado numa quantidade de, pelo menos, 0,05%, com base na composição de pasta seca. Com vantagem, a quantidade está na gama de 0,07 a 0,5%, de um modo preferido, na gama de 0,1 a 0,35%. Quando se utiliza um composto de aluminio como o coagulante inorgânico, a quantidade total adicionada é normalmente, pelo menos, 0,05%, calculada como AI2O3 e com base na composição de pasta seca. Com vantagem a quantidade está na gama de 0,1 a 3,0%, de um modo preferido, na gama de 0,5 a 2,0%.
Outros aditivos que são convencionais na produção de papel podem, é claro, ser utilizados em combinação com os aditivos de acordo com a invenção, tais como, por exemplo, agentes de resistência a seco, agentes de resistência em húmido, agentes branqueadores ópticos, corantes, agentes de colagem, tais como agentes de colagem à base de colofónia e agentes de colagem 19 reactivos a celulose, e. g., dímeros de alquilo e alcenilo cetenas e multímeros de cetenas, anidridos de alquilo e alcenilo succinicos, etc. A suspensão celulósica ou matéria-prima, também pode conter cargas minerais de tipos convencionais tais como, por exemplo, caulino, dióxido de titânio, gesso, talco e carbonatos de cálcio naturais e sintéticos, tais como giz, mármore moído e carbonato de cálcio precipitado. 0 processo desta invenção é utilizado para a produção de papel. 0 termo "papel", como aqui utilizado, é claro que inclui não só papel e a sua produção, mas também outros produtos celulósicos em folha ou em bobina, tais como, por exemplo, cartão e papelão, e a sua produção. 0 processo pode ser utilizado na produção de papel a partir de diferentes tipos de suspensões de fibras contendo celulose e as suspensões devem, com vantagem, conter, pelo menos, 25% em peso e, de um modo preferido, pelo menos 50% em peso dessas fibras, com base na substância seca. A suspensão pode ser à base de fibras de pasta química como as pastas processadas com sulfato, sulfito e solventes orgânicos, pasta mecânica, tal como pasta termomecânica, pasta quimiotermomecânica, pasta mecânica de refinador, pasta mecânica de desfibrador, tanto de madeira de folhosas como de madeira de resinosas e, também, se pode basear em fibras recicladas, opcionalmente, de pastas destintadas, e as suas misturas. O pH da suspensão, a matéria-prima, pode estar dentro da gama de cerca de 3 a cerca de 10. O pH está com vantagem acima de 3,5 e de um modo preferido, dentro da gama de 4 a 9. A invenção é adicionalmente ilustrada no exemplo seguinte que, contudo, não tem intenção de a limitar. Partes e % referem- se a partes em peso e % em peso, respectivamente, salvo 20 indicação em contrário.
Exemplos 0 seguinte equipamento e materiais de partida foram utilizados ao longo dos Exemplos: (a) Reactor equipado com um agitador; ® (b) Resina de permuta iónica Amberlite IRC84SP (disponível de Rohm & Haas) que foi regenerada com ácido sulfúrico de acordo com as instruções do fabricante; (c) Solução aquosa de silicato de sódio tendo um teor de
SiC>2 de cerca de 21% em peso e proporção molar de S1O2 para
Na20 de 3,32; (d) Solução aquosa de aluminato de sódio contendo 2,44% em peso de AI2O3; e (e) Solução aquosa de hidróxido de sódio tendo uma concentração de 5 moles por quilo.
Exemplo 1
Este exemplo ilustra a preparação de um sol à base de silica de acordo com a invenção: Resina de permuta iónica regenerada (471 g) e água (1252 g) foram carregadas num reactor. 21 A suspensão obtida foi agitada intensamente e aquecida a uma temperatura de 30 °C. Adicionou-se então silicato de sódio aquoso (298 g) à suspensão a uma velocidade de 5 g/min. Após a adição de silicato de sódio, o pH da suspensão era cerca de 7,3. A suspensão foi então agitada durante mais 44 minutos, com o que o pH da fase aquosa era 6,9. Em seguida adicionou-se mais silicato de sódio aquoso (487 g) à suspensão a uma velocidade de 5 g/min, com o que o pH da fase aquosa era 10,4. A fase aquosa obtida foi separada da resina de permuta iónica. Adicionou-se aluminato de sódio aquoso (52 g) ao sol (527,4 g) com agitação vigorosa durante um período de 10 min. O sol à base de sílica obtido tinha as seguintes propriedades: teor de SÍO2 = 7,7% em peso; proporção molar de
Si:Na = 7,5; proporção molar de Si:Al = 26,2; pH = 10,7; área 2 superficial específica = 790 m /g; e valor S = 18%.
Exemplo 2
Este exemplo ilustra a preparação de outro sol à base de sílica de acordo com a invenção: Resina de permuta iónica (1165 g), que foi regenerada até aproximadamente 40% da sua capacidade de permuta iónica e água (686 g) foram carregadas num reactor. A suspensão aquosa obtida foi agitada intensamente. Adicionou-se então silicato de sódio aquoso (989 g) à suspensão durante um período de 10 min. Após a adição de silicato de sódio, 0 pH da suspensão aquosa era cerca de 10,7. A suspensão foi então agitada durante 22 minutos, com o que o pH resultante da suspensão aquosa era 9,8. Em seguida adicionou-se mais silicato de sódio aquoso (128 g) à suspensão durante 1 min, com 22 o que ο ρΗ da suspensão aquosa era 10,3. A fase aquosa foi separada da resina de permuta iónica. Adicionou-se aluminato de sódio aquoso (57 g) à fase aquosa (463 g) com agitação vigorosa a uma velocidade de 5,7 g/min. O sol à base de silica obtido tinha as seguintes propriedades: teor de S1O2 = 10,3% em peso; proporção molar de
Si:Na = 4,9; proporção molar de Si:Al = 33,6; pH = 11,0; área 2 superficial especifica = 1000 m /g; e valor S = 23%.
Exemplo 3
Este exemplo ilustra a preparação de ainda outro sol à base de silica de acordo com a invenção: Resina de permuta iónica regenerada (600 g) e água (1600 g) foram carregadas num reactor. A suspensão aquosa obtida foi agitada intensamente e aquecida a uma temperatura de 30 °C. Adicionou-se então silicato de sódio aquoso (764 g) à suspensão a uma velocidade de 6-8 g/min. Após a adição de silicato de sódio, o pH da suspensão aquosa era cerca de 8, após o que a resina de permuta iónica foi separada da fase aquosa. Adicionou-se hidróxido de sódio aquoso (30 g) à fase aquosa a uma velocidade de 10 g/min, com o que o pH da fase aquosa era 10. Adicionou-se então aluminato de sódio aquoso (83 g) à fase aquosa (776 g) com agitação vigorosa durante um período de 10 min. O sol à base de sílica obtido tinha as seguintes propriedades: teor de S1O2 = 6,1% em peso; proporção molar de Si:Na = 5,9; proporção molar de Si:AI = 20,3; pH = 10,9; área 23 superficial especifica = 930 m /g; e valor S = 22£
Exemplo 4
Este exemplo ilustra a preparação de outro sol à base de sílica de acordo com a invenção: Resina de permuta iónica (1785 g), que foi regenerada até aproximadamente 40% da sua capacidade de permuta iónica e água (920 g) foram carregadas num reactor. A suspensão aquosa obtida foi agitada intensamente. Adicionou-se então silicato de sódio aquoso (1390 g) à suspensão durante um período de 10 min. Após a adição de silicato de sódio, o pH da suspensão aquosa era cerca de 10,4. A suspensão foi então agitada durante 25 minutos, com o que o pH da suspensão aquosa era 9,2. A resina de permuta iónica foi separada da fase aquosa. Adicionou-se hidróxido de sódio aquoso (15,5 g) à fase aquosa durante um período de cerca de 2 min, com o que o pH da fase aquosa era 10. Adicionou-se então aluminato de sódio aquoso (56,7 g) à fase aquosa (483 g) a uma velocidade de 5,7 g/min com agitação vigorosa. O sol à base de sílica obtido tinha as seguintes propriedades: teor de SiC>2 = 9,8% em peso; proporção molar de
Si:Na = 6,1; proporção molar de Si:Al = 30,2; pH = 10,8; área 2 superficial específica = 940 m /g; e valor S = 22%.
Exemplo 5
Os soles à base de sílica seguintes, Ref. 1 a Ref. 4, foram preparados para efeitos de comparação: 24 A Ref. 1 é um sol à base de sílica preparado de acordo com a divulgação do Exemplo 4 das Patentes U.S. N° 6372089 e N° 6372806. A Ref. 2 é um sol à base de sílica preparado de acordo com a divulgação da Patente U.S. N° 5368833 que tinha um valor s de cerca de 25%, uma proporção molar de Si:AI de cerca de 19 e continha partículas de sílica com uma área superficial 2 específica de cerca de 900 m /g de S1O2 que tinham a superfície modificada com alumínio. A Ref. 3 é um sol à base de sílica preparado de acordo com a divulgação da Patente U.S. N° 5603805 com um valor S de 34% e continha partículas de sílica com uma área superficial 2 específica de cerca de 700 m /g. A Ref. 4 é um sol à base de sílica preparado de acordo com a divulgação da Patente U.S. N° 5368833 que tinha um valor S de 20%, uma proporção molar de Si:Al de cerca de 18 e continha partículas de sílica com uma área superficial especifica de 2 cerca de 820 m /g de SÍO2 que tinham a superfície modificada com alumínio.
Exemplo 6
Nos ensaios seguintes, o desempenho de drenagem dos soles à base de sílica de acordo com os Exemplos 1 e 2 ("Ex. 1" e "Ex. 2", respectivamente) foi testado contra o desempenho de drenagem de soles à base de sílica de acordo com o Exemplo 5. O desempenho de drenagem foi avaliado por meio de um analisador de 25 drenagem dinâmica (Dynamic Drainage Analyser, DDA), disponível de Akribi, Suécia, que mede o tempo para drenagem de um determinado volume de matéria-prima através de uma tela quando se retira um tampão e se aplica um vácuo nesse lado da tela oposto ao lado em está presente a matéria-prima. A matéria-prima utilizada era baseada numa composição da pasta de papel para papel fino corrente que consistia em 60% de pasta de bétula processada com sulfato e branqueada e 40% de pasta de pinho processada com sulfato e branqueada. Adicionou-se 30% de carbonato de cálcio moído à matéria-prima como uma carga e adicionou-se 0,3 g/L de Na2SO4.10H2O para aumentar a condutividade. O pH da matéria-prima era 8,1, a condutividade de 1,5 mS/cm e a consistência de 0,5%. Nos ensaios, os soles à base de sílica foram testados em conjunto com um amido catiónico tendo um grau de substituição de cerca de 0, 042. O amido foi adicionado numa quantidade de 8 kg/tonelada, calculado como amido seco em relação à matéria-prima seca. A matéria-prima foi agitada num vaso com pás a uma velocidade de 1500 rpm durante o ensaio e adições químicas à matéria-prima foram feitas como se segue: i) adição de amido catiónico seguido por agitação durante 30 segundos, ii) adição de sol à base de sílica seguida por agitação durante 15 segundos, iii) drenagem da matéria-prima enquanto se regista automaticamente o tempo de drenagem. 26 A Tabela 1 mostra os resultados obtidos quando se utiliza dosagens variáveis de sol à base de sílica, kg/tonelada, calculado como S1O2 e com base em composição de pasta seca.
Tabela 1
Ensaio N2 Dosagem de amido catiónico [kg/t] Dosagem de sílica [kg/t] Tenpo de drenagem [s] Ex. 1 Ex.2 Ref .1 Ref .2 1 8 0 19, 4 19,4 19, 4 19,4 2 8 1,0 13,8 14,8 14, 7 14,1 3 8 1,5 12,2 13,1 13, 7 13, 7 4 8 2,0 11,1 12,0 13,1 12,6
Exemplo 7 0 desempenho de drenagem do sol à base de sílica de acordo com o Exemplo 1 foi adicionalmente avaliado. Seguiu-se o processo de acordo com 0 Exemplo 6, excepto que se utilizou uma poliacrilamida catiónica ("PAM") em vez de amido catiónico. Além disso, a matéria-prima foi agitada num vaso com pás a uma velocidade de 1500 rpm durante o ensaio e as adições químicas à matéria-prima foram feitas como se segue: i) adição de poliacrilamida catiónica seguida por agitação durante 20 segundos, ii) adição de sol à base de sílica seguida por agitação durante 10 segundos, 27 iii) drenagem da matéria-prima enquanto se regista automaticamente o tempo de drenagem. A Tabela 2 mostra os resultados obtidos quando se utiliza diferentes dosagens de poliacrilamida catiónica, kg/tonelada, calculadas como amido seco em composição de pasta seca, e sol à base de sílica, kg/tonelada, calculado como S1O2 e com base em composição de pasta seca.
Tabela 2
Ensaio N2 Dosagem de PAM catiónica [kg/t] Dosagem de silica [kg/t] Tempo de drenagem [s] Ex. 1 Ref .1 Ref .2 1 0, 8 0 17, 2 17,2 17,2 2 0,8 0,25 9,8 11,1 10,0 3 0,8 0,50 7,2 8,2 7,7 4 0,8 0, 75 6,6 7,1 7,4
Exemplo 8 0 desempenho de drenagem dos soles à base de silica de acordo com os Exemplos 3 e 4 foi testado seguindo o processo de acordo com o Exemplo 6. A Tabela 3 mostra os resultados obtidos quando se utiliza dosagens variáveis de sol à base de silica, kg/tonelada, calculado como S1O2 e com base em composição de pasta seca. 28
Tabela 3
Ensaio Ns Dosagem de amido catiónico [kg/t] Dosagem de sílica [kg/t] Tempo de drenagem [s] Ex.3 Ex. 4 Ref. 1 Ref.2 Ref.3 1 8 0 20, 6 20, 6 20, 6 20, 6 20, 6 2 8 1,0 13, 9 14, 8 15,5 14, 7 15, 1 3 8 1,5 12, 8 13,5 14,1 13, 6 14, 4 4 8 2, 0 12,5 12, 8 13, 6 13,5 13, 4
Exemplo 8 O desempenho de drenagem do à base de sílica de acordo com os Exemplos 3 e 4 foi testado seguindo o processo de acordo com o Exemplo 7. A Tabela 4 mostra os resultados obtidos quando se utilizou dosagens variáveis de sol à base de sílica, kg/tonelada, calculado como S1O2 e com base na composição de pasta seca. 29
Tabela 4
Ensaio Ns Dosagem de PAM catiónica [kg/t] Dosagem de sílica [kg/t] Tempo de drenagem [s] Ex.3 Ex. 4 Ref. 2 Ref.3 Ref .4 1 0, 8 0 16,0 16,0 16,0 16,0 16,0 2 0, 8 0, 25 8, 6 8,5 9,1 10, 7 8,7 3 0, 8 0, 50 6,6 6,5 7,9 8, 0 7,4 4 0, 8 0, 75 6,0 6,7 7,6 7,1 7,2
Lisboa, 11 de Abril de 2011 30

Claims (18)

  1. REIVINDICAÇÕES 1. Processo para produção de um sol à base de sílica aquoso que compreende: (a) proporcionar um reactor equipado com meios para agitação; (b) proporcionar no referido reactor: (i) uma resina de permuta iónica catiónica tendo, pelo menos, parte da sua capacidade de permuta iónica na forma de hidrogénio, e (ii) uma solução aquosa de silicato de metal alcalino para formar uma suspensão aquosa; (c) agitar a referida suspensão aquosa para permitir a agregação de partículas ou a formação de um microgel correspondente a um valor S até 45% e obter um pH da fase aquosa de, pelo menos, 5,0; (d) adicionar um ou mais materiais compreendendo, pelo menos, um composto de alumínio à fase aquosa obtida após o passo (c) para formar uma fase aquosa tendo um pH superior a 9,0; e (e) separar a referida resina de permuta iónica da fase aquosa depois do passo (c) ou depois do passo (d). 1
  2. 2. Processo de acordo com a reivindicação 1, que compreende ainda (f) a obtenção de um sol à base de silica aquoso tendo um valor S entre 10 e 50%.
  3. 3. Processo de acordo com qualquer das reivindicações anteriores, em que a resina de permuta iónica é separada da fase aquosa depois do passo (c) mas antes do passo (d).
  4. 4. Processo de acordo com qualquer das reivindicações anteriores, em que a resina de permuta iónica é separada da fase aquosa depois do passo (d).
  5. 5. Processo de acordo com qualquer das reivindicações anteriores, em que no passo (d) os referidos um ou mais materiais compreendem um material alcalino.
  6. 6. Processo de acordo com a reivindicação 5, em que o material alcalino compreende um silicato de metal alcalino aquoso.
  7. 7. Processo de acordo com a reivindicação 5, em que o material alcalino compreende um hidróxido de metal alcalino aquoso.
  8. 8. Processo de acordo com qualquer das reivindicações anteriores, em que no passo (c) a suspensão aquosa é agitada até o pH da fase aquosa estar na gama de 5,0 a 11,5.
  9. 9. Processo de acordo com qualquer das reivindicações anteriores, em que no passo (c) a suspensão aquosa é agitada até o pH da fase aquosa estar na gama de 2 6,0 a 8,0.
  10. 10. Processo de acordo com qualquer das reivindicações anteriores, em que no passo (c) a suspensão aquosa é agitada até o pH da fase aquosa estar na gama de 6,5 a 7,5.
  11. 11. Processo de acordo com qualquer das reivindicações 1 a 8, em que no passo (c) a suspensão aquosa é agitada até o pH da fase aquosa estar na gama de 9,0 a 10,0.
  12. 12. Processo de acordo com qualquer das reivindicações anteriores, em que no passo (c) a suspensão é agitada para permitir a agregação de partículas ou a formação de um microgel correspondente a um valor S na gama de 10 a 25%.
  13. 13. Processo de acordo com qualquer das reivindicações anteriores, em que no passo (d) o composto de alumínio é aluminato de sódio.
  14. 14. Processo de acordo com qualquer das reivindicações anteriores, em que no passo (d) o pH da fase aquosa é ajustado para estar na gama de cerca de 9,5 a cerca de 11,2.
  15. 15. Processo de acordo com qualquer das reivindicações anteriores, em que no passo (d) o pH da fase aquosa é ajustado primeiro por adição de silicato de sódio aquoso e subsequentemente por adição de aluminato de sódio aquoso.
  16. 16. Processo de acordo com qualquer das reivindicações anteriores, em que no passo (d) o pH da fase aquosa é 3 ajustado primeiro por adição de um silicato de metal alcalino aquoso, depois a resina de permuta iónica é separada da fase aquosa e um composto de alumínio aquoso é subsequentemente adicionado à fase aquosa obtida.
  17. 17. Processo de acordo com qualquer das reivindicações 1 a 14, em que no passo (d) o pH da fase aquosa é ajustado primeiro por adição de hidróxido de sódio aquoso e subsequentemente por adição de aluminato de sódio aquoso.
  18. 18. Processo de acordo com a reivindicação 1, em que a solução aquosa de silicato de metal alcalino é adicionada ao reactor contendo a resina de permuta iónica tendo, pelo menos, parte da sua capacidade de permuta iónica na forma de hidrogénio a uma velocidade na gama de 0,5 a 50 g de S1O2 por minuto e kg de resina de permuta iónica, calculada como resina de permuta iónica tendo 100% da sua capacidade de permuta iónica na forma de hidrogénio. Lisboa, 11 de Abril de 2011 4
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