ES2611470T3 - Soles basados en sílice y su producción y uso - Google Patents

Abstract

Sol basado en sílice que tiene un valor S en el intervalo de desde 15 a 25 %, una relación molar Si:Al en el intervalo de desde 20:1 a 50:1, una relación molar Si:X, donde X >= metal alcalino, en el intervalo de desde 3:1 a 17:1, un contenido de SiO2 de al menos 5 % en peso y que contiene partículas basadas en sílice que tienen un área superficial específica de al menos 300 m2/g.

Description

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DESCRIPCION

Soles basados en sflice y su produccion y uso Campo de la invencion

La presente invencion se refiere, de manera general, a soles acuosos basados en sflice adecuados para el uso en la fabricacion de papel. Mas particularmente, la invencion se refiere a soles basados en sflice, su produccion y uso en la fabricacion de papel. La presente invencion proporciona un metodo mejorado de produccion de soles basados en sflice con una estabilidad y contenido de SO2 altos, asf como un rendimiento de drenaje mejorado.

Antecedentes de la invencion

En la tecnica de la fabricacion de papel, una suspension acuosa que contiene fibras celulosicas y cargas y aditivos opcionales, denominada pasta humeda, se alimenta a una caja de entrada que eyecta la pasta humeda sobre una tela metalica formadora. El agua es drenada de la pasta humeda, de tal modo que se forma una hoja humeda de papel sobre la tela metalica, y la hoja es deshidratada y secada adicionalmente en la seccion de secado de la maquina de papel. Se introducen convencionalmente auxiliares de drenaje y retencion en la pasta humeda con el fin de facilitar el drenaje y aumentar la adsorcion de partfculas finas sobre las fibras celulosicas de tal modo que son retenidas con las fibras sobre la tela metalica.

Los soles de partfculas basadas en sflice se usan ampliamente como auxiliares de drenaje y retencion en combinacion con polfmeros organicos cargados. Tales sistemas aditivos estan entre los mas eficaces de los usados en la actualidad en la industria de la fabricacion de papel. Uno de los parametros que afectan a las propiedades y el rendimiento de los soles basados en sflice es el area superficial espedfica; los soles basados en sflice de alto rendimiento, estables, contienen usualmente partfculas con un area superficial espedfica de al menos 300 m2/g. Otro parametro es el valor S, que indica el grado de formacion de agregados o microgeles; un valor S mas bajo es indicativo de un grado mas alto de agregacion. Aunque pueden ser ventajosas unas areas superficiales mas altas y un cierto grado de formacion de agregados o microgeles desde el punto de vista del rendimiento, las areas superficiales muy altas y una extensa agregacion de partfculas o formacion de microgeles dan como resultado una estabilidad de los soles basados en sflice considerablemente disminuida, haciendo de este modo necesaria una extrema dilucion de los soles para evitar la formacion de geles.

La patente de EE.UU. N° 5.368.833 describe un sol de sflice que comprende partfculas de sflice que tienen un area superficial espedfica dentro del intervalo de 750 a 1.000 m2/g, las cuales estan modificadas en superficie con aluminio hasta un grado de 2 a 25 % de sustitucion de los atomos de silicio, y en donde el sol tiene un valor S dentro del intervalo de 8 a 45 %. Dicha patente describe tambien un procedimiento para producir el sol de sflice que comprende las etapas de acidificar una disolucion de vidrio soluble hasta un pH dentro del intervalo de 1 a 4; alcalinizar el sol acido a un contenido de SO2 dentro del intervalo de 7 a 4,5 % en peso; permitir el crecimiento de las partfculas del sol hasta un area superficial espedfica dentro del intervalo de 750 a 1.000 m2/g; y someter el sol a una modificacion con aluminio.

La patente de EE.UU. N° 5.603.805 describe soles de sflice que tienen un valor S dentro del intervalo de 15 a 40 %, que comprenden partfculas anionicas de sflice, siendo dichas partfculas de sflice opcionalmente modificadas con aluminio, y teniendo un area superficial espedfica dentro del intervalo de 300 a 700 m2/g. Dicha patente tambien describe un procedimiento para producir el sol de sflice que comprende las etapas de acidificar una disolucion de vidrio soluble hasta un pH dentro del intervalo de 1 a 4; alcalinizar el sol acido a un contenido de SiO2 dentro del intervalo de 7 a 5 % en peso; alternativamente, alcalinizacion del sol acido hasta un valor de PH entre 7 y 9; y un crecimiento de las partfculas del sol hasta un area superficial espedfica dentro del intervalo de 300 a 700 m2/g; y opcionalmente seguido de una modificacion con aluminio.

La solicitud de patente internacional con numero de publicacion WO 98/56715 describe un procedimiento para preparar un microgel acuoso de polisilicato que comprende mezclar una disolucion acuosa de un silicato de metal alcalino con una fase acuosa de un material basado en sflice que tiene un pH de 11 o menos. El microgel de polisilicato se usa como agente floculante en combinacion con al menos un polfmero cationico o anfotero en la produccion de pasta y papel y para la purificacion de aguas.

La solicitud de patente internacional con numero de publicacion WO 00/66492 describe un procedimiento para la produccion de un sol acuoso que contiene partfculas basadas en sflice, que comprende acidificar una disolucion acuosa de un silicato hasta un pH de 1 a 4 para formar un sol acido; alcalinizar el sol acido en una primera etapa de alcalinizacion; permitir el crecimiento de las partfculas del sol alcalinizado durante al menos 10 minutos y/o tratar con calor el sol alcalinizado a una temperatura de al menos 30°C; alcalinizar el sol obtenido en una segunda etapa de alcalinizacion; y, opcionalmente, modificar el sol basado en sflice con, por ejemplo, aluminio.

La patente de EE.UU. N° 6.372.806 describe un procedimiento para preparar una sflice coloidal estable que tiene un valor S de entre 20-50, y en donde dicha sflice tiene un area superficial mayor que 700 m2/g, que comprende; (a) cargar un recipiente de reaccion con una resina de intercambio ionico cationica que tiene al menos el 40 por ciento de su capacidad de intercambio ionico en la forma de hidrogeno, en donde dicho recipiente de reaccion tiene medios

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para separar dicha sflice coloidal de dicha resina de intercambio ionico; (b) cargar dicho recipiente de reaccion con un silicato de metal alcalino acuoso que tiene una relacion molar de SO2 a oxido de metal alcalino en el intervalo de 15:1 a 1:1 y un pH de al menos 10,0; (c) agitar el contenido de dicho recipiente de reaccion hasta que el pH de dicho contenido este en el intervalo de 8,5 a 11,0; (d) ajustar el pH del contenido de dicho recipiente de reaccion hasta por encima de 10,0 usando una cantidad adicional de dicho silicato de metal alcalino; y (e) separar la sflice coloidal resultante de dicha resina de intercambio ionico a la vez que se retira dicha sflice coloidal de dicho recipiente de reaccion.

La patente de EE.UU. N° 5.176.891 describe un metodo para la produccion de microgeles de polialuminosilicato solubles en agua que tienen un area superficial de al menos aproximadamente 1.000 m2/g, que comprende las etapas de (a) acidificar una disolucion diluida de un silicato de metal alcalino que contiene aproximadamente 0,1 a 6 % en peso de SO2 hasta un pH de entre 2 y 10,5 para producir acido polisilfcico; seguido de (b) hacer reaccionar un aluminato soluble en agua con el acido polisilfcico antes de que el acido polisilfcico se haya gelificado, de tal modo que se obtiene un producto con una relacion molar alumina/sflice mayor que aproximadamente 1/100; y despues (c) diluir la mezcla de reaccion antes de que se haya producido la gelificacion hasta la equivalencia de aproximadamente 2,0 % en peso de SO2 o menos para estabilizar los microgeles.

Sena ventajoso poder proporcionar soles basados en sflice con una estabilidad y contenido de SO2 altos, asf como un rendimiento de drenaje mejorado. Tambien sena ventajoso poder proporcionar procedimientos mejorados para la preparacion de soles basados en sflice con una estabilidad y contenido de SiO2 altos, asf como un rendimiento de drenaje mejorado. Tambien sena ventajoso poder proporcionar un procedimiento de fabricacion de papel con un drenaje mejorado.

Compendio de la invencion

La invencion esta dirigida, de manera general, a un sol basado en sflice que tiene un valor S en el intervalo de 15 a 25 %, una relacion molar Si:Al en el intervalo de 20:1 a 50:1, una relacion molar Si:X, donde X = metal alcalino, en el intervalo de 5:1 a 17:1, un contenido de SiO2 de al menos 5 % en peso y que contiene partfculas basadas en sflice que tienen un area superficial espedfica de al menos 300 m2/g.

La invencion esta dirigida ademas, de manera general, a un procedimiento para producir papel que comprende

(a) proporcionar una suspension acuosa que comprende fibras celulosicas;

(b) anadir a la suspension uno o mas auxiliares de drenaje y retencion que comprenden un sol basado en sflice acorde con la invencion definida en la presente memoria; y

(c) deshidratar la suspension obtenida para proporcionar una lamina u hoja de papel.

Descripcion detallada de la invencion

De acuerdo con la presente invencion, se proporcionan soles basados en sflice que son adecuados para el uso como agentes floculantes en la purificacion de aguas y como auxiliares de drenaje y retencion en la fabricacion de papel. Los soles basados en sflice de la invencion exhiben una buena estabilidad a lo largo de periodos extensos de tiempo, notablemente estabilidad a areas superficiales altas y alta estabilidad para evitar una formacion de geles completa. Los soles basados en sflice dan como resultado ademas un drenaje y retencion muy buenos cuando se usan en la fabricacion de papel, en particular un drenaje mejorado. De ese modo, la presente invencion hace posible aumentar la velocidad de la maquina de papel y usar una dosificacion mas baja de aditivo para dar un efecto de drenaje correspondiente, conduciendo de este modo a un procedimiento de fabricacion de papel mejorado y a beneficios economicos. Los soles basados en sflice de la invencion se pueden preparar por un procedimiento que es simple, rapido y facil de controlar y regular, y el procedimiento hace posible utilizar equipos de produccion simples y menos costosos. De ese modo, los soles de sflice de la invencion se pueden producir mediante un procedimiento que esta simplificado, mejorado y mas economico.

La resina de intercambio ionico usada en el procedimiento es cationica, y tiene al menos parte de su capacidad de intercambio ionico en la forma de hidrogeno, es decir, una resina de intercambio ionico cationica acida, preferiblemente, una resina de intercambio ionico cationica de acido debil. Adecuadamente, la resina de intercambio ionico tiene al menos el 40% de su capacidad de intercambio ionico en la forma de hidrogeno, preferiblemente al menos 50 %. Las resinas de intercambio ionico adecuadas estan provistas en el mercado por varios fabricantes, por ejemplo Amberlite® IRC84SP, de Rohm & Haas. Preferiblemente, un recipiente de reaccion equipado con medios para mezclar, p.ej. un agitador, se carga con la resina de intercambio ionico. Preferiblemente, la resina de intercambio ionico es regenerada por adicion de un acido, p.ej., acido sulfurico, preferiblemente de acuerdo con las instrucciones del fabricante.

La etapa (b) del procedimiento comprende poner en contacto la resina de intercambio ionico cationica con un silicato de metal alcalino acuoso. Adecuadamente, esto se consigue anadiendo la resina de intercambio ionico y el silicato de metal alcalino acuoso al recipiente de reaccion. Preferiblemente, el recipiente de reaccion, conteniendo la resina de intercambio ionico regenerada, se carga con el silicato de metal alcalino acuoso, por lo cual se forma una

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suspension acuosa. Usualmente, el silicato de metal alcalino acuoso se anade a un recipiente de reaccion que contiene una resina de intercambio ionico que tiene al menos parte de su capacidad de intercambio ionico en forma de hidrogeno, a una velocidad en el intervalo de 0,5 a 50 g de SiO2 por minuto y kg de resina de intercambio ionico, calculada como resina de intercambio ionico que tiene el 100 % de su capacidad de intercambio ionico en forma de hidrogeno, adecuadamente de 1 a 35, y preferiblemente de 2 a 20. Alternativamente, un recipiente de reaccion que contiene el silicato de metal alcalino acuoso se carga con la resina de intercambio ionico regenerada, por lo cual se forma una suspension acuosa.

Los ejemplos de silicatos de metales alcalinos o vidrio soluble adecuados incluyen materiales convencionales, p.ej., silicatos de litio, sodio y potasio, preferiblemente silicato de sodio. La relacion molar de sflice a oxido de metal alcalino, p.ej. SiO2 a Na2O, K2O o U2O, o una mezcla de los mismos, en la disolucion de silicato puede estar en el intervalo de 15:1 a 1:1, adecuadamente en el intervalo de 4,5:1 a 1,5:1, preferiblemente de 3,9:1 a 2,5:1. El silicato de metal alcalino acuoso usado puede tener un contenido de SO2 de aproximadamente 2 a aproximadamente 35 % en peso, adecuadamente de aproximadamente 5 a aproximadamente 30 % en peso, y preferiblemente de aproximadamente 15 a aproximadamente 25 % en peso. El pH del silicato de metal alcalino acuoso esta usualmente por encima de 11, tipicamente por encima de 12.

La etapa (c) del procedimiento comprende agitar la suspension acuosa formada en la etapa (b) hasta que el pH de la fase acuosa este en el intervalo de 5,0 a 11,5. Alternativamente, o adicionalmente, la etapa (c) del procedimiento comprende agitar dicha suspension acuosa para permitir la agregacion de partroulas o la formacion de microgeles que corresponden a un valor S de hasta 45 %, y obtener un pH de la fase acuosa de al menos 5,0. Adecuadamente, la agitacion se lleva a cabo hasta que el pH de la fase acuosa este en el intervalo de 6,0 a 11,0, preferiblemente hasta un pH en el intervalo de 6,5 a 10,0. En una realizacion preferida de la invencion, la suspension se agita hasta que el pH de la fase acuosa es de hasta 8,0, adecuadamente en el intervalo de 6,0 a 8,0, preferiblemente de 6,5 a 7,5. En otra realizacion preferida de la invencion, la suspension se agita hasta que el pH de la fase acuosa es al menos 8,0, adecuadamente en el intervalo de 8,0 a 11,0, preferiblemente de 9,0 a 10,0. Preferiblemente, el crecimiento de las partroulas tiene lugar mientras se agita la suspension acuosa. Las partroulas basadas en sflice formadas tienen usualmente un area superficial espedfica de al menos 300 m2/g, preferiblemente al menos 700 m2/g. El area superficial espedfica es adecuadamente de hasta 1.500 m2/g, preferiblemente hasta 1.000 m2/g. Preferiblemente, la suspension se agita para conseguir una agregacion de partroulas y una formacion de microgeles que corresponden usualmente a un valor S en el intervalo de 5 a 45 %, adecuadamente de 8 a 35 %, preferiblemente de 10 a 25% y lo mas preferiblemente de 15 a 23 %. La agitacion tiene lugar usualmente durante un periodo de tiempo de 5 a 240 minutos, preferiblemente de 15 a 120 minutos.

La etapa (c) del procedimiento se puede llevar a cabo simultaneamente con y/o despues de la etapa (b). En una realizacion preferida, el silicato de metal alcalino acuoso se anade bajo agitacion al recipiente de reaccion que contiene la resina de intercambio ionico que tiene al menos parte de su capacidad de intercambio ionico en forma de hidrogeno y entonces, despues de que se ha completado la adicion, la agitacion continua para conseguir el pH y/o la agregacion de partroulas o formacion de microgeles descritas anteriormente. En otra realizacion preferida, el silicato de metal alcalino acuoso se anade bajo agitacion al recipiente de reaccion que contiene la resina de intercambio ionico que tiene al menos parte de su capacidad de intercambio ionico en forma de hidrogeno conseguir el pH y/o la agregacion de partroulas o formacion de microgeles descritas anteriormente.

La etapa (d) del procedimiento comprende anadir a la fase acuosa uno o mas materiales que comprenden al menos un compuesto de aluminio. Adecuadamente, el pH de la fase acuosa se ajusta a por encima de 9,0, preferiblemente por encima de 10,0, adecuadamente en el intervalo de 9,2 a 11,5, preferiblemente de 9,5 a 11,2, y lo mas preferiblemente de 10,0 a 11,0. Preferiblemente, el pH se ajusta anadiendo uno o mas materiales que comprenden al menos un compuesto de aluminio, preferiblemente el pH se eleva anadiendo uno o mas materiales alcalinos que comprenden al menos un compuesto de aluminio. En una realizacion preferida, se anade un compuesto de aluminio. En otra realizacion preferida, se anade un material alcalino y un compuesto de aluminio. Los ejemplos de compuestos de aluminio adecuados incluyen sales alcalinas de aluminio asf como sales neutras y esencialmente neutras de aluminio. Los ejemplos de sales alcalinas de aluminio adecuadas incluyen aluminatos, adecuadamente aluminatos acuosos, p.ej. aluminatos de sodio y de potasio, preferiblemente aluminato de sodio. Los ejemplos de sales neutras y esencialmente neutras de aluminio incluyen nitrato de aluminio. Los ejemplos de materiales alcalinos adecuados incluyen silicatos de metales alcalinos acuosos, p.ej. cualquiera de los definidos anteriormente; hidroxidos de metales alcalinos acuosos, p.ej. hidroxidos de litio, sodio y potasio, preferiblemente hidroxido de sodio; hidroxido de amonio; adecuadamente silicato o hidroxido de sodio, preferiblemente silicato de sodio. Cuando se usan dos o mas materiales que comprenden un material alcalino y un compuesto de aluminio, los materiales se pueden anadir en cualquier orden, preferiblemente el material alcalino se anade primero, seguido de la adicion del compuesto de aluminio. En una realizacion preferida, se anade primero el silicato de metal alcalino acuoso y despues se anade el aluminato de sodio acuoso. En otra realizacion preferida, se anade primero el hidroxido de metal alcalino acuoso y despues se anade el aluminato de sodio acuoso. La adicion del compuesto de aluminio proporciona un sol basado en sflice aluminado. Adecuadamente, la adicion del compuesto de aluminio da como resultado una modificacion por aluminio de las partroulas basadas en sflice, preferiblemente las partroulas son modificadas en superficie con aluminio. La cantidad de compuesto de aluminio usado puede ser variada dentro de amplios lfmites. La cantidad de compuesto de aluminio anadido corresponde a una relacion molar de Si:Al de 20:1 a 50:1, preferiblemente de 25:1 a 35:1, y lo mas preferiblemente de 25:1 a 30:1.

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En la etapa (d) del procedimiento, cuando se usa un silicato de metal alcalino acuoso para ajustar el pH de la fase acuosa, la relacion de pesos del silicato de metal alcalino usado en la etapa (b) al silicato de metal alcalino usado en la etapa (d) puede variar dentro de amplios lfmites; usualmente la relacion esta en el intervalo de 99:1 a 1:9, adecuadamente de 19:1 a 1:2, preferiblemente de 4:1 a 1:1.

En la etapa (e) del procedimiento, la resina de intercambio ionico es separada de la fase acuosa, por ejemplo por filtracion. Esto se puede hacer despues de la etapa (c), por ejemplo despues de la etapa (c) pero antes de la etapa

(d), o despues de la etapa (d). Tambien es posible separar la resina de intercambio ionico de la fase acuosa durante la etapa (d). Por ejemplo, la resina de intercambio ionico se puede separar despues de anadir el material alcalino pero antes de anadir el compuesto de aluminio. Tambien es posible anadir parte de un material alcalino, p.ej. silicato de metal alcalino acuoso, separar despues la resina de intercambio ionico de la fase acuosa, seguido de anadir la parte restante del material alcalino. Preferiblemente, la resina de intercambio ionico se separa de la fase acuosa despues de la etapa (d).

La concentracion de los materiales de partida acuosos usados en el procedimiento, p.ej. el silicato de metal alcalino acuoso, el hidroxido de metal alcalino acuoso y el aluminato de sodio acuoso, se ajusta preferiblemente para proporcionar un sol basado en sflice que tiene un contenido de SiO2 de al menos 5 %, preferiblemente al menos 6 %, lo mas preferiblemente al menos 7,5 %, y adecuada- mente hasta 20 % en peso, preferiblemente hasta 15 % en peso. El sol basado en sflice producido por el procedimiento de esta invencion puede tener las propiedades definidas en lo sucesivo en la presente memoria.

El sol acuoso basado en sflice acorde con la invencion contiene partfculas basadas en sflice, es decir, partfculas con base de sflice o SiO2, que son preferiblemente anionicas y coloidales, es decir, estan en el intervalo coloidal de tamano de partfcula. Las partfculas son modificadas adecuadamente con aluminio, preferiblemente modificadas en superficie con aluminio. El sol basado en sflice de la invencion tiene una relacion molar de Si:Al de 20:1 a 50:1, preferiblemente de 25:1 a 35:1, y lo mas preferiblemente de 25:1 a 30:1.

El sol basado en sflice de la invencion tiene un valor S en el intervalo de 15 a 25 %, y lo mas preferiblemente de 17 a 24 %. El valor S se mide y calcula como describen Iler y Dalton en J. Phys. Chem. 60(1956), 955-957. El valor S indica el grado de formacion de agregados o microgeles, y un valor S mas bajo es indicativo de un grado mas alto de agregacion.

Las partfculas basadas en sflice presentes en el sol pueden tener un area superficial espedfica de al menos 300 m2/g, adecuadamente al menos 700 m2/g, preferiblemente al menos 750 m2/g. El area superficial espedfica es usualmente de hasta 1.000 m2/g, adecuadamente hasta 950 m2/g. El area superficial espedfica se mide por medio de valoracion con NaOH como describe Sears en Analytical Chemistry 28(1956):12, 1981-1983, despues de la retirada apropiada de, o el ajuste para, cualesquiera compuestos presentes en la muestra que puedan alterar la valoracion, como compuestos de aluminio y boro, por ejemplo como describe Sears y en la patente de EE.UU. N° 5.176.891.

El sol basado en sflice de la invencion tiene una relacion molar de Si:X, donde X = metal alcalino, de al menos 3:1, adecuadamente al menos 4:1, preferiblemente al menos 5:1 y lo mas preferiblemente al menos 6:1. La relacion molar de Si:X, donde X = metal alcalino, es hasta 17:1, mas preferiblemente hasta 15:1 y lo mas preferiblemente hasta 10:1.

El sol basado en sflice de esta invencion es preferiblemente estable. Adecuadamente, el sol mantiene un area superficial espedfica de al menos 300 m2/g, preferiblemente al menos 700 m2/g, durante al menos 3 meses de almacenamiento o envejecimiento a 20°C en la oscuridad y en condiciones no agitadas. Adecuadamente, el sol mantiene un valor S en el intervalo de 10 a 50 %, preferiblemente de 12 a 40 %, durante al menos 3 meses de almacenamiento o envejecimiento a 20°C en la oscuridad y en condiciones no agitadas.

El sol basado en sflice acorde con esta invencion es adecuado para el uso como agente floculante, por ejemplo en la produccion de pasta y papel, notablemente como auxiliar de drenaje y retencion, y dentro del campo de la purificacion de aguas, tanto para purificacion de diferentes tipos de aguas residuales como para la purificacion espedficamente de aguas blancas provenientes de la industria de la pasta y del papel. El sol basado en sflice se puede usar como agente floculante, notablemente como auxiliar de drenaje y retencion, en combinacion con polfmeros organicos que se pueden seleccionar entre polfmeros anionicos, anfoteros, no ionicos y cationicos, y mezclas de los mismos. El uso de tales polfmeros como agentes floculantes y como auxiliares de drenaje y retencion es bien conocido en la tecnica. Los polfmeros pueden proceder de fuentes naturales o sinteticas, y pueden ser lineales, ramificados o reticulados. Los ejemplos de los principales polfmeros adecuados generalmente incluyen almidones anionicos, anfoteros y cationicos; polfmeros basados en acrilamida anionicos, anfoteros y cationicos, que incluyen polfmeros basados en acrilamida anionicos y cationicos esencialmente lineales, ramificados y reticulados; asf como poli(cloruro de dialildimetilamonio) cationico; poli(etileniminas) cationicas; poliaminas cationicas; poliamidoaminas cationicas y polfmeros basados en vinilamida, resinas de melamina-formaldefndo y urea- formaldelddo. Adecuadamente, los soles basados en sflice se usan en combinacion con al menos un polfmero cationico o anfotero, preferiblemente un polfmero cationico. El almidon cationico y la poliacrilamida cationica son polfmeros particularmente preferidos, y se pueden usar por separado, el uno junto al otro o conjuntamente con otros

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poKmeros, p.ej. otros poKmeros cationicos y/o anionicos. El peso molecular del poKmero esta adecuadamente por encima de 1.000.000, y preferiblemente por encima de 2.000.000. El Kmite superior no es cntico; puede ser aproximadamente 50.000.000, usualmente 30.000.000 y, adecuadamente, aproximadamente 25.000.000. Sin embargo, el peso molecular de los polfmeros procedentes de fuentes naturales puede ser mas alto.

El presente sol basado en sflice tambien se puede usar en combinacion con coagulante(s) cationico(s), bien con o bien sin el uso conjunto del (de los) polfmero(s) organico(s) descrito(s) anteriormente. Los ejemplos de coagulantes cationicos adecuados incluyen coagulantes polimericos organicos solubles en agua y coagulantes inorganicos. Los coagulantes cationicos se pueden usar por separado o juntos, es decir, se puede usar un coagulante polimerico en combinacion con un coagulante inorganico.

Los ejemplos de coagulantes cationicos polimericos organicos solubles en agua adecuados incluyen poliaminas cationicas, poliamidoaminas, poli(etileniminas), polfmeros de condensacion de diciandiamida y polfmeros de monomeros etilenicamente insaturados solubles en agua o de una mezcla de monomeros que esta formada por 50 a 100 % en moles de monomero cationico y 0 a 50 % en moles de otro monomero. La cantidad de monomero cationico es usualmente al menos 80 % en moles, adecuadamente 100 %. Los ejemplos de monomeros cationicos etilenicamente insaturados adecuados incluyen (met)acrilatos y acrilamidas de dialquilaminoalquilo, preferiblemente en forma cuaternizada, y cloruros de dialildialquilamonio, p.ej., cloruro de dialildimetilamonio (DADMAC), preferiblemente homopolfmeros y copolfmeros de DADMAC. Los coagulantes cationicos polimericos organicos tienen usualmente un peso molecular en el intervalo de 1.000 a 700.000, adecuadamente de 10.000 a 500.000. Los ejemplos de coagulantes inorganicos adecuados incluyen compuestos de aluminio, p.ej. compuestos de alumbre y compuestos de polialuminio, p.ej. policloruros de aluminio, polisulfatos de aluminio, polisulfosilicatos de aluminio y mezclas de los mismos.

Los componentes de los auxiliares de drenaje y retencion acordes con la invencion se pueden anadir a la pasta humeda de manera convencional y en cualquier orden. Cuando se usan auxiliares de drenaje y retencion que comprenden un sol basado en sflice y un polfmero organico, se prefiere anadir el polfmero organico a la pasta humeda antes de anadir el sol basado en sflice, si bien se puede usar el orden opuesto de adicion. Se prefiere ademas anadir el polfmero organico antes de una etapa de cizallamiento, que se puede seleccionar entre bombeo, mezcla, limpieza, etc., y anadir el sol basado en sflice despues de esa etapa de cizallamiento. Cuando se usa un coagulante cationico, se anade preferiblemente a la suspension celulosica antes de la adicion del sol basado en sflice, preferiblemente tambien antes de la adicion del (de los) polfmero(s) organico(s).

Los componentes de los auxiliares de drenaje y retencion acordes con la invencion se anaden a la pasta humeda para que sea deshidratada en cantidades que pueden variar dentro de amplios lfmites, dependiendo, entre otros, del tipo y numero de componentes, el tipo de pasta de papel, el contenido de carga, el tipo de carga, el punto de adicion, etc. De manera general, los componentes se anaden en cantidades que dan mejor drenaje y retencion que el que se obtiene cuando no se anaden los componentes. El sol basado en sflice se anade usualmente en una cantidad de al menos 0,001 % en peso, a menudo al menos 0,005 % en peso, calculado como SO2 y basado en la pasta de papel seca, es decir, las fibras celulosicas secas y cargas opcionales, y el lfmite superior es usualmente 1,0 % y adecuadamente 0,5 % en peso. El polfmero organico se anade usualmente en una cantidad de al menos 0,001 %, a menudo al menos 0,005 % en peso, basado en la pasta de papel seca, y el lfmite superior es usualmente 3 % y adecuadamente 1,5 % en peso. Cuando se usa un coagulante polimerico cationico, se puede anadir en una cantidad de al menos 0,05 %, basada en la pasta de papel seca. Adecuadamente, la cantidad esta en el intervalo de 0,07 a 0,5 %, preferiblemente en el intervalo de 0,1 a 0,35 %. Cuando se usa un compuesto de aluminio como coagulante inorganico, la cantidad total anadida es usualmente al menos 0,05 %, calculada como AhO3 y basada en la pasta de papel seca. Adecuadamente, la cantidad esta en el intervalo de 0,1 a 3,0 %, preferiblemente en el intervalo de 0,5 a 2,0 %.

Por supuesto, se pueden usar aditivos adicionales que son convencionales en la fabricacion de papel en combinacion con los aditivos acordes con la invencion, tales como, por ejemplo, agentes para la resistencia en seco, agentes para la resistencia en estado humedo, agentes abrillantadores opticos, colorantes, agentes encolantes, como agentes encolantes basados en rosina y agentes encolantes reactivos con la celulosa, p.ej. dfmeros de alquil- y alquenil- cetena y multfmeros de cetena, antudridos alquil- y alquenil- succmicos, etc. La suspension celulosica o pasta humeda tambien puede contener cargas minerales de tipos convencionales, tales como, por ejemplo, caolm, arcilla de china, dioxido de titanio, yeso, talco y carbonatos de calcio naturales y sinteticos tales como tiza, marmol molido y carbonato de calcio precipitado.

El procedimiento de esta invencion se usa para la produccion de papel. El termino “papel”, tal como se usa en la presente memoria, incluye por supuesto no solo el papel y la produccion del mismo, sino tambien otros productos celulosicos en forma de laminas u hojas, tales como por ejemplo, cartulina y carton, y la produccion de los mismos. El procedimiento se puede usar en la produccion de papel a partir de diferentes tipos de suspensiones de fibras que contienen celulosa, y las suspensiones deben contener adecuadamente al menos 25 % en peso y preferiblemente al menos 50 % en peso de tales fibras, en base a la sustancia seca. La suspension puede estar basada en fibras de pasta qmmica, tal como pastas al sulfato, al sulfito y de organosolv, pasta mecanica tal como pasta termomecanica, pasta quimiotermomecanica, pasta de refinador y pasta de madera tratada mecanicamente, procedente tanto de madera dura como de madera blanda, y tambien puede estar basada en fibras recicladas, opcionalmente de pastas

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destintadas, y mezclas de las mismas. El pH de la suspension, la pasta humeda, puede estar dentro del intervalo de aproximadamente 3 a aproximadamente 10. El pH esta adecuadamente por encima de 3,5, y preferiblemente dentro del intervalo de 4 a 9.

La invencion se ilustra adicionalmente en los siguientes ejemplos, los cuales, no obstante, no pretenden limitar la misma. Las partes y % se refieren a partes en peso y % en peso, respectivamente, a menos que se indique de otro modo.

Ejemplos

Se uso el siguiente equipo y materiales de partida en todos los Ejemplos:

(a) Reactor equipado con un agitador;

(b) Resina de intercambio ionico Amberlite® IRC84SP (disponible en Rohm & Haas) que fue regenerada con acido sulfurico segun las instrucciones del fabricante;

(c) Disolucion acuosa de silicato de sodio que tema un contenido de SiO2 de aproximadamente 21 % en peso y una relacion molar de SO2 a Na2O de 3,32;

(d) Disolucion acuosa de aluminato de sodio que contema 2,44 % en peso de A^Oa; y

(e) Disolucion acuosa de hidroxido de sodio que tema una concentracion de 5 moles por kilo.

Ejemplo 1

Este ejemplo ilustra la preparacion de un sol basado en sflice acorde con la invencion: Se cargo una resina de intercambio ionico regenerada (471 g) y agua (1.252 g) en un reactor. La suspension obtenida se agito energica- mente y se calento hasta una temperatura de 30°C. Despues, se anadio silicato de sodio acuoso (298 g) a la suspension a una velocidad de 5 g/min. Despues de la adicion de silicato de sodio, el pH de la suspension fue aproximadamente 7,3. Despues, la suspension se agito durante otros 44 minutos, despues de lo cual el pH de la fase acuosa fue 6,9. Despues de esto, se anadio silicato de sodio acuoso adicional (487 g) a la suspension a una velocidad de 5 g/min, despues de lo cual el pH de la fase acuosa fue 10,4. La fase acuosa obtenida fue separada de la resina de intercambio ionico. Se anadio aluminato de sodio acuoso (52 g) al sol (527,4 g) bajo agitacion vigorosa durante un periodo de 10 min.

El sol basado en sflice obtenido tema las siguientes propiedades: contenido de SiO2 = 7,7 % en peso; relacion molar Si:Na = 7,5; relacion molar Si:Al = 26,2; pH = 10,7; area superficial espedfica = 790 m2/g; y valor S = 18 %.

Ejemplo 2

Este ejemplo ilustra la preparacion de otro sol basado en sflice acorde con la invencion: Se cargo en un reactor una resina de intercambio ionico (1.165 g) que estaba regenerada hasta aproximadamente el 40 % de su capacidad de intercambio ionico, y agua (686 g). La suspension acuosa obtenida se agito energicamente. Despues, se anadio silicato de sodio acuoso (989 g) a la suspension durante un periodo de 10 min. Despues de la adicion de silicato de sodio, el pH de la suspension acuosa fue aproximadamente 10,7. Despues, la suspension se agito durante 22 minutos, despues de lo cual el pH resultante de la suspension acuosa fue 9,8. Despues de esto, se anadio silicato de sodio acuoso adicional (128 g) a la suspension durante 1 min, despues de lo cual el pH resultante de la suspension acuosa fue 10,3. La fase acuosa obtenida fue separada de la resina de intercambio ionico. Se anadio aluminato de sodio acuoso (57 g) a la fase acuosa (463 g) bajo agitacion vigorosa a una velocidad de 5,7 g/min.

El sol basado en sflice obtenido tema las siguientes propiedades: contenido de SO2 = 10,3 % en peso; relacion molar Si:Na = 4,9; relacion molar Si:Al = 33,6; pH = 11,0; area superficial espedfica = 1.000 m2/g; y valor S = 23 %.

Ejemplo 3

Este ejemplo ilustra la preparacion de aun otro sol basado en sflice acorde con la invencion: Se cargo en un reactor una resina de intercambio ionico regenerada (600 g) y agua (1.600 g). La suspension acuosa obtenida se agito energicamente y se calento hasta una temperatura de 30°C. Despues, se anadio silicato de sodio acuoso (764 g) a la suspension a una velocidad de 6,8 g/min. Despues de la adicion de silicato de sodio, el pH de la suspension acuosa fue aproximadamente 8, despues de lo cual la resina de intercambio ionico fue separada de la fase acuosa. Se anadio hidroxido de sodio acuoso (30 g) a la fase acuosa (463 g) a la velocidad de 10 g/min, despues de lo cual el pH de la fase acuosa fue 10. Despues se anadio aluminato de sodio acuoso (83 g) a la fase acuosa (776 g) bajo agitacion vigorosa durante un periodo de 10 min.

El sol basado en sflice obtenido tema las siguientes propiedades: contenido de SO2 = 6,1 % en peso; relacion molar Si:Na = 5,9; relacion molar Si:Al = 20,3; pH = 10,9; area superficial espedfica = 930 m2/g; y valor S = 22 %.

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Ejemplo 4

Este ejemplo ilustra la preparacion de otro sol basado en s^lice acorde con la invencion: Se cargo en un reactor una resina de intercambio ionico (1.785 g) que estaba regenerada hasta aproximadamente 40 % de su capacidad de intercambio ionico, y agua (920 g). La suspension acuosa obtenida se agito energicamente. Despues se anadio silicato de sodio acuoso (1.390 g) a la suspension durante un periodo de 10 min. Despues de la adicion de silicato de sodio, el pH de la suspension acuosa fue aproximadamente 10,4. Despues, la suspension se agito durante 25 minutos, despues de lo cual el pH de la suspension acuosa fue 9,2. La resina de intercambio ionico fue separada de la fase acuosa. Se anadio hidroxido de sodio acuoso (15,5 g) a la fase acuosa durante un periodo de aproximadamente 2 min, despues de lo cual el pH de la suspension acuosa fue 10. Despues se anadio aluminato de sodio acuoso (56,7 g) a la fase acuosa (483 g) a una velocidad de 5,7 g/min bajo agitacion vigorosa.

El sol basado en sflice obtenido tema las siguientes propiedades: contenido de SiO2 = 9,8 % en peso; relacion molar Si:Na = 6,1; relacion molar Si:Al = 30,2; pH = 10,8; area superficial espedfica = 940 m2/g; y valor S = 22 %.

Ejemplo 5

Los siguientes soles basados en sflice, Ref. 1 a Ref. 4, se prepararon para fines de comparacion:

Ref. 1 es un sol basado en sflice preparado segun la descripcion del Ejemplo 4 de las patentes de EE.UU. Nos. 6.372.089 y 6.372.806.

Ref. 2 es un sol basado en sflice preparado segun la descripcion de la patente de EE.UU. N° 5.368.833, que tema un valor S de aproximadamente 25 %, una relacion molar de Si:Al de aproximadamente 19 y contema partfculas de sflice con un area superficial espedfica de aproximadamente 900 m2/g de SO2 que estaban modificadas en superficie con aluminio.

Ref. 3 es un sol basado en sflice preparado segun la descripcion de la patente de EE.UU. N° 5.603.805, con un valor S de 34 % y contema partfculas de sflice con un area superficial espedfica de aproximadamente 700 m2/g.

Ref. 4 es un sol basado en sflice preparado segun la descripcion de la patente de EE.UU. N° 5.368.833, que tema un valor S de 20 %, una relacion molar de Si:Al de aproximadamente 18 y contema partfculas de sflice con un area superficial espedfica de aproximadamente 820 m2/g de SO2 que estaban modificadas en superficie con aluminio.

Ejemplo 6

En los siguientes ensayos, el rendimiento de drenaje de los soles basados en sflice acordes con los Ejemplos 1 y 2 (“Ej. 1” y “Ej. 2”, respectivamente) se ensayo frente al rendimiento de drenaje de soles basados en sflice acordes con el Ejemplo 5. El rendimiento de drenaje se evaluo por medio de un Analizador Dinamico de Drenaje (ADD), disponible en Akribi, Suecia, que mide el tiempo para drenar un volumen establecido de pasta humeda a traves de una tela metalica cuando se retira un tapon y se aplica un vado a la cara de la tela metalica opuesta a la cara sobre la que esta presente la pasta humeda.

La pasta humeda usada estaba basada en una pasta de papel para papel fino estandar, que consistfa en 60 % de pasta abedul al sulfato blanqueada y 40 % de pasta de pino al sulfato blanqueada. Se anadio un 30 % de carbonato de calcio molido a la pasta humeda como carga, y 0,3 g/l de Na2SO4 10 H2O para aumentar la conductividad. El pH de la pasta humeda era 8,1, la conductividad 1,5 mS/cm y la consistencia 0,5 %. En los ensayos, los soles basados en sflice se ensayaron junto con un almidon cationico que tema un grado de sustitucion de aproximadamente 0,042. El almidon se anadio en una cantidad de 8 kg/tonelada, calculado como almidon seco en pasta de papel seca.

La pasta humeda se agito en una vasija con deflectores a una velocidad de 1500 rpm en todo el ensayo, y las adiciones de productos qmmicos a la pasta humeda se hicieron como sigue:

i) anadir almidon cationico seguido de agitacion durante 30 segundos,

ii) anadir sol basado en sflice seguido de agitacion durante 15 segundos,

iii) drenar la pasta humeda a la vez que se registra automaticamente el tiempo de drenaje.

La Tabla 1 muestra los resultados obtenidos cuando se usan dosificaciones variantes de sol basado en sflice, kg/tonelada, calculadas como SO2 y basadas en pasta de papel seca.

Tabla 1

Ensayo N°

Dosificacion de almidon cationico [kg/t] Dosificacion de sflice [kg/t] Tiempo de deshidratacion [s]

Ej. 1 Ej. 2 Ej. 3 Ej. 4

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

Ejemplo 7

El rendimiento de drenaje del sol basado en s^lice acorde con el Ejemplo 1 se evaluo adicionalmente. Se siguio el 5 procedimiento acorde con el Ejemplo 6, excepto que se uso una poliacrilamida (“PAM”) cationica en lugar de almidon cationico. Ademas, la pasta humeda se agito en una vasija con deflectores a una velocidad de 1500 rpm en todo el ensayo, y las adiciones de productos qmmicos a la pasta humeda se hicieron como sigue:

i) anadir poliacrilamida cationica seguido de agitacion durante 20 segundos,

ii) anadir sol basado en sflice seguido de agitacion durante 10 segundos,

10 iii) drenar la pasta humeda a la vez que se registra automaticamente el tiempo de drenaje.

La Tabla 2 muestra los resultados obtenidos cuando se usan dosificaciones diferentes de poliacrilamida cationica, kg/tonelada, calculadas como almidon seco sobre pasta de papel seca, y sol basado en sflice, kg/tonelada, calculadas como SiO2 y basadas en pasta de papel seca.

Tabla 2

Ensayo N°

Dosificacion de PAM cationica [kg/t] Dosificacion de sflice [kg/t] Tiempo de deshidratacion [s]

Ej. 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

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Ejemplo 8

El rendimiento de drenaje de los soles basados en sflice acordes con los Ejemplos 3 y 4 se evaluo siguiendo el procedimiento acorde con el Ejemplo 6. La Tabla 3 muestra los resultados obtenidos cuando se usan dosificaciones variantes de sol basado en sflice, kg/tonelada, calculadas como SO2 y basadas en pasta de papel seca.

Tabla 3

Ensayo N°

Dosificacion de almidon cationico [kg/t] Dosificacion de sflice [kg/t] Tiempo de deshidratacion [s]

Ej. 3 Ej. 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

Ejemplo 9

El rendimiento de drenaje del sol basado en s^lice acorde con los Ejemplos 3 y 4 se ensayo siguiendo el 5 procedimiento acorde con el Ejemplo 7. La Tabla 4 muestra los resultados obtenidos cuando se usan dosificaciones variantes de sol basado en sflice, kg/tonelada, calculadas como SiO2 y basadas en pasta de papel seca.

Tabla 4

Ensayo N°

Dosificacion de PAM cationica [kg/t] Dosificacion de sflice [kg/t] Tiempo de deshidratacion [s]

Ej. 3 Ej. 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

Claims (18)

1. 5

   10

   15

   20

   25

   30

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   40

   REIVINDICACIONES

   1. Sol basado en sflice que tiene un valor S en el intervalo de desde 15 a 25 %, una relacion molar Si:Al en el intervalo de desde 20:1 a 50:1, una relacion molar Si:X, donde X = metal alcalino, en el intervalo de desde 3:1 a 17:1, un contenido de SiO2 de al menos 5 % en peso y que contiene partfculas basadas en sflice que tienen un area superficial espedfica de al menos 300 m2/g.
2. 2. El sol basado en sflice de la reivindicacion 1, en donde el sol basado en sflice tiene una relacion molar Si:X en el intervalo de desde 4:1 a 15:1.
3. 3. El sol basado en sflice de la reivindicacion 1, en donde el sol basado en sflice tiene una relacion molar Si:X en el intervalo de desde 5:1 a 10:1.
4. 4. El sol basado en sflice segun una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en donde el sol basado en sflice tiene un valor S en el intervalo de desde 17 a 24%.
5. 5. El sol basado en sflice segun una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en donde el sol basado en sflice contiene partfculas basadas en sflice que tienen un area superficial espedfica de 700 a 950 m2/g.
6. 6. El sol basado en sflice segun una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el sol basado en sflice tiene un contenido de SO2 en el intervalo de desde 6 a 15% en peso.
7. 7. El sol basado en sflice de la reivindicacion 1, en donde el sol basado en sflice contiene partfculas basadas en sflice que tienen un area superficial espedfica de al menos 750 m2/g.
8. 8. El sol basado en sflice de la reivindicacion 1, en donde el sol basado en sflice contiene partfculas basadas en sflice que tienen un area superficial espedfica de hasta 1.000 m2/g.
9. 9. El sol basado en sflice de la reivindicacion 1, en donde el sol basado en sflice tiene un contenido de SO2 de al menos 7,5% en peso.
10. 10. El sol basado en sflice de la reivindicacion 1, en donde las partfculas basadas en sflice estan modificadas superficialmente con aluminio.
11. 11. El sol basado en sflice de la reivindicacion 1, en donde el sol basado en sflice tiene una relacion molar Si:Al en el intervalo de 25:1 a 35:1.
12. 12. El sol basado en sflice de la reivindicacion 1, en donde el sol basado en sflice mantiene un area superficial espedfica de al menos 300 m2/g durante al menos 3 meses almacenado a 20°C en condiciones de oscuridad y no agitado.
13. 13. El sol basado en sflice de la reivindicacion 1, en donde el sol basado en sflice mantiene un area superficial espedfica de al menos 700 m2/g durante al menos 3 meses almacenado a 20°C en condiciones de oscuridad y no agitado.
14. 14. Un proceso para producir papel que comprende

    (i) proporcionar una suspension acuosa que comprende fibras celulosicas;

    (ii) anadir a la suspension una o mas ayudas al drenaje y retencion que comprenden un sol basado en sflice; y

    (iii) deshidratar la suspension obtenida para proporcionar una lamina o red de papel;

    en donde el sol es un sol basado en sflice segun una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12.
15. 15. El proceso segun la reivindicacion 14, en donde las ayudas al drenaje y retencion comprenden almidon cationico.
16. 16. El proceso segun la reivindicacion 14 o 15, en donde las ayudas al drenaje y retencion comprenden un polfmero sintetico cationico.
17. 17. El proceso segun una cualquiera de las reivindicaciones 14 a 16, en donde las ayudas al drenaje y retencion comprenden un polfmero anionico.
18. 18. El proceso segun una cualquiera de las reivindicaciones 14 a 17, en donde comprende anadir un coagulante cationico a la suspension.