Cinética y capilaridad de madera en la impregnación Kraft de Pinus sylvestris

Abstract

Se estudia la impregnación Kraft de astillas de madera de Pinus sylvestris. Tomando como base un modelo ya existente, se analiza el fenómeno unidireccional transversal isotérmico donde los reactivos que difunden, reaccionan y modifican química y físicamente a la madera. Las reacciones consideradas son deacetilación, hidrólisis de grupos ácidos presentes como ésteres y lactonas, ionización de grupos hidroxilos fenólicos libres ligados a lignina y degradación de glucomananos. Se determina la velocidad de deacetilación y para la degradación de glucomananos se adopta un modelo cinético que considera la degradación de las hemicelulosas a través de reacciones de “peeling”, “stopping” e hidrólisis alcalina. Para el análisis de la difusión de especies químicas en madera se aplica el concepto de capilaridad efectiva, que considera el cambio en las propiedades de transporte como consecuencia de las reacciones químicas. Se obtienen perfiles experimentales de concentración de las especies para diferentes condiciones de impregnación similares a las industriales. El modelado plantea el sistema de ecuaciones diferenciales que involucra los balances de masa de las especies, las reacciones químicas y los cambios temporales provocados por los reactivos en cada posición de la madera. Se resuelve numéricamente mediante un esquema de diferencias finitas en Matlab. Se realizan simulaciones que se comparan con los experimentos para validar el modelo. Siendo el punto de partida para analizar el impacto de diferentes variables en el proceso y luego la optimización de la impregnación. Esta tesis se realiza como parte del acuerdo de cooperación entre la UNL y la Universidad Aalto (Finlandia).

Kraft impregnation of Pinus sylvestris wood is studied. Considering an already existing model as the starting point, the transverse unidirectional and isothermal phenomenon is analyzed, in which chemical reagents diffuse, react and produce chemical and physical changes on wood. Reactions under consideration are deacetylation, hydrolysis of acid groups present as lactones and esters, ionization of free phenolic groups linked to lignin, and glucomannan degradation. The deacetylation rate is determined, and for glucomannan degradation a kinetic model which considers hemicellulose degradation via peeling, stopping, and alkaline hydrolysis reactions is adopted. For the analysis of chemical species diffusion into the wood, the effective capillarity concept is applied, which considers that the change on transport properties is due to the chemical reactions taking place. Experimental concentration profiles at different impregnation conditions similar to those used in the industry are determined. The modeling raises a differential equation system which involves individual mass balances for each species, chemical reactions and time-dependant changes due to the reagents at every position along the wood chip. A finite difference squeme is numerically solved using Matlab. For model validation purposes, simulations are compared to experiments. This is the starting point for analyzing the impact of process variables on impregnation, and then aim to optimize the impregnation stage. This thesis is realized as part of a cooperation agreement between UNL and Aalto University (Finland).