Optimización e influencia de las variables en el blanqueo de la lana con oxidantes y reductores por el método de fulardado-vaporizado.

TRABAJOS DE INVESTIGACION Optimización e influencia de las variables en el blanqueo de la lana con oxidantes y reductores por el método de fulardado-vaporizado por los Dres. J. Cegarra y J. Gacén Instituto de Investigación Textil, Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales Tarrosa (España] 1. Introducción El presente estudio es una continuación de las investigaciones efectuadas por los autores en el campo del blanqueo de la lana por el método de fulardado-vaporizado (l), (2), (3). Los aspectos que se han pretendido analizar han sido: 1. Determinar una ecuación que relacione las características de la fibra blanqueada con las variables del proceso, para hallar las condiciones óptimas de éste, o sea, obtener el mejor grado de blanco con la mínima degradación de la fibra. 2. Qué posibilidades existen de blanquear la lana por este método, empleando peróxido de hidrógeno en medio alcalino o ácido y bisulfito sódico, a temperaturas superiores a 100° C, a fin de obtener un mejor efecto de blanqueo. 2. Planificación de las experiencias y ecuaciones de respuesta Para poder obtener los valores necesarios que permitiesen el estudio del problema, se han planificado las experiencias de acuerdo con la codificación existente para establecer un plan central compuesto de tipo rotational (4). Los variables y los niveles del plan aparecen en las tablas 1 y 11. TABLA 1 Blanqueo con peróxido de hidrógeno Variables Niveles -1.682 .-1 O +1 +1.682 Temperatura (OC) (X,) 102 104 107 110 112 Concentración de peróxido de hidrógeno (Vol 011) (X,2) 5,5 6,5 8 9,5 105 Tiempo de vaporizado (min.) (X,) 6 7 8,5 10 11 TABLA 11 Blanqueo con bisulfito sódico - Variables Niveles -2 -1 o 1 2 Temperatura (OC) (X,) 104 107 110 113 116 Concentración (g/l) (X2) 10 20 30 40 50 PI-~[ (xs) 4,s 5 5,5 6 6,s Tiempo de vaporizado (min.) (X4) 4 6,5 9 11,5 14 Las combinaciones de las variables totalizan veinte experiencias por cada blanco oxidante y treinta y una para el blanqueo reductor. La ecuación de respuesta ha sido representada bajo la forma de un polinomio de segundo grado, con tres variables para el blanqueo oxidante y cuatro para el reductor. El cálculo de la ecuación de respuesta, el análisis estadístico y el ajuste de la ecuación de respuesta a los valores experimentales se efectuó con un computador UNIVAC 1107, según el programa BMDO 3R (5) para las regresiones lineales múltiples. La determinación del valor óptimo, se efectuó por el método de derivadas parciales (6). Las ecuaciones de respuesta nos han permitido estudiar la influencia de las variables del proceso, variables independientes, sobre las características de la fibra blanqueada. Como características estudiadas tenemos: Blanqueo oxidante: Grado de blanco m), Indice de amarillo (Y.I.), Solubilidad alcalina (A.S.), Cistinacisteína (Cys), Acido cisteínico (A. Cys.), Resistencia Stelometer (R). Blanqueo reductor: Grado de blanco (W), Indice de amarillo (Y.I.), Cisteína (Cs), Resistencia Stelometer (R). 3. Experimental Se empleó peinado de lana merina española de 21 p, previamente lavada. Las características fueron: -2- TABLA 111 Partimetros de lana no tratada ........... Solubilidad alcalina (yo) 13,6 .......... Solubilidad urea-bisulfito (yo) 25,7 ......... Contenido de cistina-cisteína (0/,) 11,5 ........... Contenido de cisteína (yo) 0.13 .......... Contenido de ácido cisteico 0,22 ............ Grado de blanco (yo) 48,1 ........... Indice de amarillo (yo) 51 ........ Resistencia Stelometer en seco (g/ tex) 11,21 ...... ResistenciaStelometerenhúmedo (gltex). 8,86 Como agente oxidante se empleó peróxido de hidrógeno; en el blanqueo en medio alcalino se usó el Estabilizador C como regulador del pH y Mojante RPD como humectante, mientras que en medio ácido se empleó Lufibrol W y Nekanil LN para fines similares. En el blanqueo reductor se empleó bisulfito sódico R.A. y Mojante RPD, ajustándose el pH con hidróxido sódico y ácido sulfúrico. La impregnación y escurrido de la materia se efectuó en un fulard y el vaporizado se llevó a término en un dispositivo que consta de una cámara de vaporizado de acero inoxidable para disponer la materia; en cuyo fondo lleva los termopares que permiten efectuar una anotación cada 5 segundos; las paredes de la cámara son agujereadas para permitir el paso del vapor y van-provislas de dispositivos de admisión del vapor y salida del condensado. El conjunto de vaporizado tiene una envolvente para ser aislado térmicamente del exterior. La materia empaquetada se sometió a la acción del vapor durante el tiempo y a la temperatura correspondientes a cada experiencia. Posteriormente se lavó, neutralizó y secó a temperatura ambiente. Las determinaciones de las diferentes características de la lana blanqueada según hemos indicado, fueron efectuadas con arreglo a los métodos establecidos en trabajos previos (l), (2), (3). 4. Resultados Los resultados de estos ensayos se muestran en las tablas IV. V y VI. Al comparar los resultados de las tablas IV y V, puede apreciarse que el efecto de blanqueo conseguido al operar con agua oxigenada en medio ácido. es inferior al logrado en medio alcalino, produciéndose en la lana grados de alteración similares; por ello se desestimó el sistema en medio ácido y no se discutirá posteriormente. 5. Ecuación de respuesta y análisis estadístico El planteamiento y resolución de una regresión múltiple lineal, con el computador UNIVAC 1107, ha dado los siguientes resultados: TABLA Iar Blanqueo con peróxido de hidrógeno (medio alculino) Perdxido de 'I'ernpe Solubil~dad alcalina Re~i~tencia en Ensayo Tlempo hidrdgeno ralura W Y. 1 (Oí0) Ctstina-tkteina ("1.j Acido cisleico (O!,) húmedo n.O mtn. (~01.011) ("C) Exper. Ajust. Exper. Ajust Exper. Aiust. Exper Ajust. Exper. Ajust. Exper. Ajust. -- - -- -- 1 7 6,s 104 35,06 34,67 28,52 27,86 40,5 40,5 10,07 10,lO 2,76 2,70 7,90 7,63 2 10 6,s 104 35,11 34,49 29,29 28,86 41,3 40,4 9,62 9,74 3,03 3,13 7,26 7,41 3 7 9,5 104 33,08 32,49 28,25 27,57 44 46,9 9,44 934 3,04 3,02 7,60 737 4 10 9,5 104 35,07 34,43 32,29 31,lO 57,8 58,3 9,13 9,04 3,69 3,56 635 6,88 5 7 6,5 110 35,62 35,77 31,41 31,83 40,3 39,2 9,76 9,88 3,lO 299 7,94 7,84 6 10 6,5 110 37,18 37,42 34,37 34,43 57,7 54,l 9,52 9,44 3,75 3,56 6,66 6,62 I 7 7 9,5 110 34,76 34,85 30,62 30,23 48,s 48,3 9,23 9,15 4 3,66 7,92 7,70 8 10 9,s 110 38,61 38,61 35,35 35,37 65,6 65,3 8,58 8,58 4,5 4,34 5,80 6,OO 1 9 6 8 107 32,37 32,61 26,94 27,39 40,2 37,9 9,88 9,79 2,86 3,07 7,96 8,16 10 11 8 107 35,19 35,60 31,91 32,50 57,4 59,7 8,96 9,OO 3,89 4,OO 6,92 6,56 11 8,s 5,5 107 35,76 35,91 30,47 30,48 34,l 37,7 10,07 9,96 2,47 2,51 7,66 7,65 12 8,s 10,5 107 34,62 35,09 30,03 31,02 61 59,l 8,7 8,76 3,15 3,43 7,22 7,08 13 8,s 8 102 32,96 34,16 26,93 28,45 38,3 40,6 9,93 9,84 3,21 3,17 7,lO 7,03 , 14 8,s 8 112 39,O 38,56 35,65 35,32 46,4 53,O 9,23 9,27 3,69 4,06 6,54 6,48 15 8,s 8 107 36,76 35,11 30,85 30,30 46,2 46,s 9,24 9,48 3,69 3,45 7,14 6,57 16 8,s 8 107 34,9 35,ll 29,27 30.,30 42,9 46,s 9,33 9,48 3,34 3,45 6,44 6,57 17 8,s 8 107 34,34 35,ll 30.,18 30,30 45,l 46,5 9,52 9,48 3,25 3,45 6,80 6,57 18 8,s 8 107 35,15 35,ll 31,24 30,30 51,3 46,5 9,7 9,48 3,42 3,45 6,80 6,57 19 8,s 8 107 34,61 35,ll 29,9 30,30 48,4 46,s 9,63 9,48 3,41 3,45 6,36 6,57 20 8,s 8 107 35,17 35,ll 30,78 30,30 53,7 46,s 9,45 9,48 3,67 3,45 6,14 6,57 TABLA V Rlanqrteo con peróxido de hidrógeno (medio ácido) Peroxldo de Solubilrdad alcaltna Acido crsteico Ensayo Tlempo hidrdqeno Temperatura W Y. I Cistina-Cisteina ("I.) (*lo) n.O min. (Vol. O/lj (OC) Exper. Ajust. Exper. Ajust. Exper. Ajust. Exper. Ajstst. Exper. Ajust. - - 1 7 6,s 1 04 40,5 40,5 34,3 35,O 30,4 28,4 9,70 9,87 2,6'6 2,53 2 10 65 104 40,4 40,3 34,7 34,9 39,6 41,8 937 937 2,92 2,87 3 7 9s 104 39,3 39,l 34,9 34,4 47,O 51,l 9,25 9,30 2,84 3 ,O2 4 10 9s 104 40,6 40,7 35,8 35,l 59,4 55,6 8,85 8,87 3,62 3,36 5 7 65 110 41,4 40,9 35,8 35,7 35,8 3'9,8 9,61 9,68 2,82 2,96 6 10 6,s 110 42,l 42 36,5 373 64,2 60,3 9,37 9,38 3,46 3,18 7 7 9s 110 40,2 39,9 36,4 36,4 59,3 57,3 8,78 8,87 3,49 3,43 I vi 8 1 O 93 110 43 ,O 42,7 39,2 39 66,6 68,9 8,56 8,44 339 3,63 1 9 6 8 107 39,3 39,7 34,4 343 42,6 40,3 9,97 9,78 2,67 2,53 10 11 8 10'7 41,9 41,9 37,l 36,5 59,2 61,l 9,09 9,17 2,72 2,99 11 8,s 53 107 41,O 41,3 36,7 35,7 41,2 41,l 9,87 9,76 2,86 2,99 12 8,s 10,5 107 40,6 40 36,O 36,4 67,s 67,2 8,49 8,50 3,78 3,78 13 83 8 102 39,2 39,2 34,l 34,O 35,l 34,9 939 9,46 2,78 2,89 14 8,s 8 112 40,6 41,2 37,9 37,8 55,5 553 8,98 8,95 3,43 3,48 15 8,s 8 107 39,7 3'93 35.2 33,6 46,s 45,l 937 937 3 ,O2 2,96 16 8,s 8 107 41,2 393 34,l 33.6 43,8 45,l 9,61 9,57 3,Ol 2,96 17 8,s 8 107 38.9 393 33.0 33,6 41,6 45,l 9,26 937 2,86 2,96 18 8,s 8 107 39,9 393 32,9 33.6 44,2 45,l 9,44 937 2,85 2.96 19 8,s 8 107 39,O 39,s 33,9 33.6 47,3 45,l 9,72 9-57 2.95 2.96 20 8,s 8 107 38,4 395 32,7 33,6 47,l 45,l 9,75 937 3,lO 2,96 TABLA VI TempeEnsavo ratura Bi$srljito s6dic-o Tiempo W Y. 1. Cisfeina ,O/ ) Resistencia sltex. n.O t0C) El l PH min. Exper. Ajust Exper. Afust. Exper. Ajast. Exper. Ajust. TABLA VI1 Blanqueo con peróxido de hidrógeno (medio alcalino) Ecuaciones de respuesta y significación de la regresión COEFICIENTEsS DE lREGRESION Término Variables dependientes Simbolo independiente Xl xz x2 xs x8 xl x, X~ xs X1 8 F I x8 - _ AGrado de blanco W 7.1672 -9.4392 -10.6506 -11.6699 -16.0164 6.2948 4.9942 23.5585 10.1632 6.9871 7.3223 1 Indice de amarillo Y. 1. 7.1062 -9.7880 4.3218 -13.0379 -5.6572 7.2554 6.3310 28.0813 8.9019 -7.2541 12.2617 Solubilidad alcalina S.A. 0.4341 40.2089 35.6584 -1.3102 45.3024 31 .O528 1.3300 37.9907 31.4180 -36.9982 5.8351 Acido cisteico Ac Cist. 0.8937 -0.9573 -0.7813 -1.5894 1.4419 -7.6323 0.6823 1.2851 0.7435 1.9405 6.1627 Cistina-cisteína Cist. 0.3829 0.5744 1.2279 -0.5884 -1.3186 -1.8688 0.2988 -1.5000 -0.3611 -0.9722 13.900 Resistencia R 59.7373 3.9175 -1.1925 -1.1266 0.1270 0.1270 0.0074 -0.0527 -0.0558 4.0047 6.890 TABLA VI11 Blanqueo con bisulfito sódico Ecuaciones de respuesta y significación de la regresión VARIABLES DEPENDIENTES Grado de blanco lndice de amarillo Cisteina Resistencia w Y. 1. C8 H Término independiente 10.174 -6.056 0.0347 -137.0684 X1 18.377 10.312 -0.681 2.52183 X.2 0.035 -0.997 0.044 -0.55225 X3 6.779 34.903 1 .O05 7.37606 X, 4.570 -0.944 -0.292 1.12849 xt -8.464 4.609 0.063 -0.01266 Coeficientes de Xi -0.1 18 -0.534 -0.041 -0.00269 regresión X3 -139.570 -244.424 1 .O77 -0.60568 X1X2 -0.053 1.065 -0.021 0.00506 XlX, 9.735 -5.556 -1.529 -0.00458 XlX, -1.660 1.841 0.154 -0.00458 XzX3 2.212 -1.963 0.200 0.02937 X'ZX, -0.773 2.150 8.160 0.00162 X3X4 -31.333 -18.522 3.595 4.11350 Significaciór~ de la regresión 3.1775 3.1574 6.1821 3.370 Tanto por el valor de la significación de la regresión, como por el ajuste de los valores teóricos a los experimentales, véanse tablas IV, V y VI, podemos indicar que en todos los casos ensayados ha sido posible encontrar una ecuación de respuesta que permite determinar el valor de las diferentes variables dependientes, grado de blanco, índice de amarillo, solubilidad alcalina, etc., en función de los parámetros del proceso de blanqueo. Los resultados del análisis de la superficie de respuesta por el método de las derivadas parciales para localizar la posible existencia de un punto óptimo, máximo o mínimo, pueden apreciarse en las tablas IX y X. TABLA M Blanqueo con peróxido de hidrógeno Análisis de la superficie de respuesta -- Variables independientes Variables Punto determinado X, x2 X3 dependientes Valor característico Min. Vol. 011 OC Grado de blanco (yo) Mínimo 33,5 9,90 10,95 99,95 Indice de amarillo (01,) Míni-máx 27,7 7,63 5,92 100,98 Solubilidad alcalina (O/,) Míni-máx 35,2 2,94* 6,94 110 Acido cisteico (jr,) Mini-máx 2,8 2,92* 9,20 103 Resistencia (húmedo) (9/tex) Míni-máx 10,3 5,33 2,92* 106,5 fuera del campo experimental * Valoren fuera del cainpo experimental. -8- TABLA X Blanqueo con bisulfito sódico Análisis de la superficie de respuesta Variables independientes Variables Punto determinado XI X2 x3 x, dependientes Valor característico OC g/l pH min. Grado de blanco No existe - - - - Indice de amadlo Máximo 36,70 107,8 8,20 5,8 2,27* Cisteina No existe - - - - Resistencia Máximo 9,49 1 O0 18,2 5,29 9,&3 * Valor fuera del campo experimental. e Los valores de las condiciones operatorias que dan un punto significativo con valores fuera del campo experimental, deben de aceptarse con reserva; por otra parte, los valores de los minimax significan que para unas variables el punto alcanza un valor máximo y para otras mínimo, por lo que no pueden considerarse como muy interesantes desde un punto de vista de su aplicación. 6. Discusión y conclusiones Mediante la aplicación de las ecuaciones anteriores, se ha podido estudiar la evolución de cada una de las variables independientes en los procesos de blanqueo. Los resultados obtenidos pueden sumarizarse como sigue. 6.1. Blanqueo con peróxido de hidrógeno El aumento de la temperatura de vaporizado por encima de los 120° C tiende a disminuir el efecto de blanqueo, por aumentar los valores de W y Y.I. Ello nos indica que hay que descartar el vaporizado a temperaturas más elevadas para mejorar la calidad del blanqueo. Si se adopta la temperatura de 102O C, la influencia de la concentración del peróxido de hidrógeno sobre el grado de blanco (W), depende del tiempo de vaporizado ya que para 8 minutos, el grado de blanco se mejora al aumentar la concentración del peróxido de hidrógeno, mientras que para 12 minutos sucede lo contrario; por otra parte, el aumento de la concentración de agente oxidante, produce un aumento del grado de amarillo para tiempos de vaporizado comprendidos entre 8-12 minutos; como quiera que ambos fenómenos influyen en la calidad del blanqueo. debe de encontrarse un valor de compromiso. Además, como la concentración de peróxido de hidrógeno tiene una influencia importante sobre el grado de alteración de la fibra, es necesario encontrar un valor que dé el máximo efecto de blanqueo con un grado de alteración aceptable. La influencia del tiempo de vaporizado a la temperatura de 102O C, depende de la concentración de peróxido de hidrógeno empleada, ya que cuando se usan concentraciones de 6 vol/O/l, el aumento del tiempo de vaporizad6 de 6 a 12 minutos. aumenta el efecto de blanqueo, mientras que al usar concentraciones, más elevadas, si bien se consiguen mejores grados (W), el amarilleamiento dc la lana aumenta y el efecto global de blanqueo puede disminuir.