Les activitats de recerca destinades a la solució dels problemes de contaminació de les aigües estan patint un fort increment en els darrers anys. Entre les indústries més contaminants, cal esmentar la tèxtil i la paperera, i més concretament, els efluents provinents d´etapes deblanqueig. Quan els tractaments biològics convencionals d'aquests efluents contaminants no són efectius, la utilització de tecnologies emergents, tals com els processos d´oxidació avançada (AOP´s), basats en la formació in situ de radicals hidroxil, es mostra adient. Amb l´objectiu de provar la viabilitat de tractar efluents contaminants amb el radical hidroxil, vàrem triar l´ozonització i la fotocatàlisi per abordar efluents de blanqueig de pastes papereres generats en el laboratori. Aquesta prova mostrà que la fotocatàlisi pot reduir eficientment el contingut de carrega orgànica tot seguint una equació cinètica de Langmuir-Hinshelwood. A més, la combinació simultània de fotocatàlisi i ozonització produí un efecte sinèrgic que millorava el rendiment respecte al cas d´aplicar ambdós AOP´s de manera seqüencial.Tot i assumint que el radical hidroxil era l´oxidant adequat, planificàrem un extens estudi, fent servir aigües residuals industrials i distints AOP´s. La disminució del TOC i el cost en el tractament varen ésser els paràmetres contrastats en els distints estudis, amb l´objectiu de descobrir els principals avantatges i inconvenients de cada procés. El procés d´ozonització requeria disminuir el seu cost. La presència d´ions ferro en el procés ozó/UVA va aconseguir la reducció d´un 90% de TOC conjuntament amb una disminució del 15% en el cost. L´ús seqüencial de tractaments genera millors resultats (addició de ferro amb o sense llum, seguit per una etapa d´ozonització). Conclusions similars es varen obtenir en treballar amb una matriu sintètica de 2,4-diclorfenol (compost trobat usualment en els efluents de blanqueix de pasta de paper).Referent a la fotocatàlisi, s´ha posat de manifest la necessitat d´utilitzar una font de llum potent i/o la millora de l´eficiència de la llum incident en el catalitzador de TiO2. En aquest sentit vàrem provar dues vies: (a) la utilització d´un nou muntatge experimental amb una font de llum de 125 W. Determinacions d´AOX, toxicitat aguda, fenols i de GC-MS ens van portar a concloure que els compostos orgànics de clor eren eliminats eficientment en l´aigua residual. (b) la utilització de guies d'ones recobertes de TiO2. Solució que permet augmentar l´eficiència amb la que el catalitzador aprofita la llum incident per tal de millorar el disseny de reactors fotocatalitics.L´últim procés provat, el reactiu Fenton, en presència de llum solar o artificial, es va aplicar a la degradació d´efluents de blanqueig tèxtils o paperers. La degradació del contingut de càrrega orgànica d'aquests effluents s´assolia preferentment a pH = 3. El primer estudi es realitzà sobre un efluent de blanqueig de pastes de paper. La funció aproximada del sistema, estimada a partir del disseny experimental, mostrà que concentracions inicials inadequades de reactiu Fenton afectaven negativament al procés, a causa de reaccions competitives entre aquest i altres espècies oxidatives. Així mateix, la temperatura augmentà clarament les velocitats de la reacció, inclús sense presència de radiació. La millora en la disminució del TOC és particularment significativa quan les proporcions de reactiu Fenton són inadequades (en passar de 25 ºC a 40 ºC es pot aconseguir una reducció en el cost de l´ordre del 80%). Per altre banda, la llum solar aconsegueix reduir fins un 70 % el cost total d'un tractament de dues hores de durada. L'anàlisi de GC-MS constata l´eliminació dels compostos clorfenòlics. Un segon estudi sobre un efluent tèxtil corroborà la gran importància de la temperatura i de la presència de llum solar. En resum, tots els AOP´s provats mostren, sota condicions experimentals adequades, la capacitat de degradació del contingut orgànic present en efluents de blanqueig procedents d´indústries papereres i tèxtils. / There is an ever increasing amount of research activities especially devoted to the solution of water pollution problems.The pulp and textile industries are considered to be some of the largest polluters of all industries. The biggest problem with those industries consists in the polluted effluents discharged during the bleaching process because conventional biological treatments are not effective in treating these toxic pollutants. In these cases, the emerging technologies called Advanced Oxidation Processes (AOPs) represent an attempt to mineralize the contaminants by the in situ formation of hydroxyl radicals.In order to determine the effectiveness of treating effluents with the hydroxyl radical we chose the photocatalytic and ozonation processes to treat bleaching pulp effluents generated in the laboratory. Our results demonstrated that the photocatalytic process could efficiently reduce the organic content in accordance with the Langmuir-Hinshelwood kinetic equation. Moreover, simultaneously combining photocatalysis and ozonation provided a synergistic effect that was superior in performance to that of applying the photocatalysis and ozonation processes sequentially.Our tests with laboratory bleaching pulp effluents assumed that the hydroxyl radical was the proper oxidant to be use. An extensive study was undertaken using industrial wastewaters and different AOPs. TOC decay and treatment costs were the operative variables compared in the study in order to discover the benefits and shortcomings of each process.It is imperative that the ozonation process decreases the treatment costs. The addition of iron ions to bleaching mill wastewater undergoing ozone/UVA treatment resulted in high rates of TOC removal (90%) and in a significant cost reduction (15%). Additionally, sequential processing (stirred iron, with or without light irradiation, followed by an ozonation stage) led to even better results. Similar results were obtained on the synthetic sample of 2,4-dichlorophenol (a compound typically found in paper pulp bleaching effluents) investigated. We noticed that the photocatalytic process requires either a powerful light source or an improvement of the light utilization efficiency of the TiO2 catalyst, or maybe both, to be most effective. We tested two strategies: (a) A new experimental setup that used a high power light (125 W) to accelerate the reaction rate. AOX, acute toxicity, phenol and a GC-MS analysis led us to conclude that the chlorine organic compounds were efficiently eliminated from the treated wastewater. (b) The second approach consisted in using titanium dioxide (TiO2)-coated waveguides. This approach increases the light utilization efficiency of the TiO2 catalyst with the aim of improve the reactor's design.The last process that was tested involved the addition of Fenton reagent to the bleaching pulp and textile effluents in conjunction with either artificial or solar light The degradation of the organic contents was successfully performed at pH = 3.The first study was performed on bleaching pulp effluent. The approximate function of the system, as assessed by the experimental design, showed that initial non-optimum concentrations of the Fenton reagent were detrimental to the process because of competitive reactions of the Fenton reagent with oxidative species. On the other hand, temperature markedly increased the reaction rates, even without light irradiation. The improvement in TOC removal was particularly significant when the reagent ratios were not optimal. A decrease in cost around 80% is possible by just increasing the temperature from 25ºC to 40ºC. Moreover, solar light reduced the total cost of a two hour treatment by up to 70 % and efficiently removed the chlorophenolic compounds as shown by GC-MS analysis.The second study performed on textile wastewater corroborates the importance of the temperature parameter and the utility of solar energy. In summary, all AOPs tested displayed the capability to degrade the organic components of bleaching Kraft mill and textile mill effluents under suitable experimental conditions.

El trabajo presentado se enmarca en el estudio del destintado de papeles viejos con un fuerte contenido en pasta mecánica y con una composición de partida del 60% de papel de periódico y un 40% de paper revista. Se somete el papel al proceso de destintado por flotación. El trabajo centra parte de la atención en la evaluación de la etapa de desintegración, tanto por los conceptos vinculados al destintado (desprendimiento de tinta y su fragmentación-redeposición) como por la individualización de las fibras y el consumo energético asociado.En este sentido se estudia el grado de individualización de los paquetes fibrosos que obtienen las variables mecánicas aplicadas durante la desintegración a partir de la medida del índice de Somerville y se compara con el consumo energético medido en la etapa. Se concluye que con cualquiera de las condiciones mecánicas probadas consiguen un nivel de desfibrado muy bueno, y que su evolución cinética responde a la ley establecida por Bennington. La determinación del consumo energético por tonelada de pasta tratada (consumo específico de energía, SEC) conduce a establecer la máxima consistencia del 12% como la que aprovecha al máximo la energía disipada a la suspensión. Los fenómenos de desprendimiento y fragmentación de partículas de tinta se dan en la etapa de desintegración, donde se observa que el máximo grado de desprendimiento de tinta se obtiene con los tensioactivos que presentan la cadena hidrófoba más larga. Por lo que se refiere a la dispersión de las partículas de tinta, aunque a partir de las medidas de ERIC parece que un tensioactivo, el carboxilato de cadena corta, fragmenta considerablemente más que los otros, la distribución de diámetros evaluada por la técnica de análisis de imagen muestra que todas las condiciones probadas conducen a una distribución de diámetros de partícula centrada entre 0 y 15 µm. El estudio sobre la efectividad de los tensioactivos aplicados en la eliminación de la tinta por flotación pone de manifiesto que los tensioactivos que conducen al mayor grado de desprendimiento de la tinta no se corresponden con el tensioactivo más efectivo en flotación: el tensioactivo sulfatado de cadena corta

La presente tesis parte del interés de blanquear pasta de lino (Linum usitatissimum) mediante procesos más respetuosos con el medio ambiente, a partir de secuencias totalmente libre de cloro (TCF) y de la utilización de fibras no madereras para la fabricación de papeles especiales de alta calidad.Asimismo, se ha estudiado la aplicación de enzimas en el blanqueo de pasta de eucalipto (Eucalyptus saligna y Eucalyptus grandis) en la fábrica de Jacareí de Votorantim Celulose e Papel (Brasil) para conseguir una mejora de las propiedades de las pastas y un ahorro de reactivos en la secuencia de blanqueo industrial.Los estudios realizados permiten obtener dos tipos de secuencias para el blanqueo de pasta de lino TCF, ambas con reactivos químicos utilizados individualmente (secuencias químicas) o combinados con tratamientos biotecnológicos (secuencias bioquímicas). Las secuencias químicas incluyen una etapa de ozono y las secuencias bioquímicas incluyen un tratamiento enzimático. Las secuencias bioquímicas constan de etapas que son fácilmente aplicables en la industria, donde la primera de ellas es un sistema lacasa mediador con lacasa comercial de Trametes versicolor y el mediador HBT.En cuanto a los tratamientos biológicos, en primer lugar, se ha estudiado la influencia de la adición de oxígeno y del tiempo de tratamiento en el sistema enzimático y se ha comprobado como influyen ambas variables en las propiedades de la pasta de lino. También se ha estudiado la formación de compuestos cromóforos en la pasta a partir de la determinación de las propiedades ópticas. Posteriormente, se ha realizado un estudio estadístico de las variables de proceso del sistema lacasa mediador y su influencia en las propiedades de las pastas y los efluentes después de cada etapa de blanqueo. La optimización de las variables de tratamiento en el bioblanqueo de lino permite determinar las condiciones de aplicación más adecuadas para conseguir unas determinadas propiedades de la pasta a un menor coste y que resulten fácilmente adaptables a los procesos existentes. Gracias a este estudio, se consigue reducir las dosis de reactivos y el tiempo de tratamiento. El estudio sistemático de cada una de las etapas de blanqueo permite determinar cuál es el efecto sobre la pasta de cada reactivo en cada una de las etapas de las secuencias bioquímicas. Por otro lado, también se ha comprobado como el sistema lacasa mediador es capaz de oxidar ciertos extractivos lipofílicos presentes en la pasta de lino.La optimización de las dosis y el tiempo de tratamiento en el bioblanqueo también se deben tener en cuenta por su influencia en las propiedades de los efluentes, debido a la potencial toxicidad del mediador, como también, a la posible pérdida de actividad enzimática durante el tratamiento. Como novedad, cabe decir, que los valores máximos de toxicidad medidos se encuentran por debajo de los límites que fija la legislación en Cataluña. En este estudio se determina que la pérdida de actividad enzimática en el tratamiento depende básicamente de la dosis de HBT utilizada, por lo que la aplicación de dosis de reactivos superiores a las óptimas, no sólo encarece el proceso de blanqueo, sino que además, una sobredosificación puede dificultar la posible reutilización de estos efluentes de blanqueo.En una segunda parte de la tesis, se estudia la influencia del tratamiento con diversas xilanasas comerciales en las propiedades de la pasta de eucalipto, en las condiciones de blanqueo industriales, a pH y temperatura elevados, en la fábrica de Jacareí de Votorantim Celulose e Papel (Brasil).La aplicación de xilanasas permite una mayor flexibilidad de la secuencia de blanqueo. También, permite ahorrar reactivos químicos, así como incrementar la productividad de aquellas plantas en las que la capacidad de producción de dióxido de cloro es un factor limitante. La aplicación de las xilanasas en la torre de almacenamiento de pasta de la línea de fibras B de la unidad de Jacareí permitiría la mejora de las propiedades de índice kappa y blancura de la pasta en la secuencia de blanqueo industrial. Para ello, no es necesario modificar el proceso existente, lo que es favorable desde el punto de vista industrial, ya que no se requiere una inversión en nuevos equipos. La efectividad del tratamiento enzimático disminuye considerablemente al aumentar la cantidad de licor negro y cuando el pH se encuentra por encima de 10. Por lo que, en el supuesto de que se aplicara un tratamiento enzimático en la torre de almacenamiento, se haría necesario un control, tanto de la cantidad de licor negro presente en la pasta, como del pH antes del punto de aplicación de enzima. / The aim of this thesis is to bleach flax pulp (Linum usitatissimum) by more friendly environmental processes, using totally chlorine free sequences (TCF) and non-wood fibers for the manufacture of high quality specialty papers. This work is framed by one of the research topics in the Textile and Paper Engineering Department of the Technical University of Catalonia. Part of this research topic is based on bleaching fibers, focused basically on the study of new bleaching agents and biotechnology application. Likewise, enzyme application has been studied in eucalyptus pulp bleaching (Eucalyptus saligna and Eucalyptus grandis) in Jacareí Mill of Votorantim Celulose e Papel (Brazil) in order to obtain an improvement of the pulp properties and reagent savings in the industrial bleaching sequence. Performed studies allow to obtain two kinds of TCF sequences for flax pulp bleaching, both with chemical reagents used individually (chemical sequences) or combined with biotechnological treatments (biochemical sequences). Before beginning the bleaching sequences studies, the ozonation pilot plant has been modified. This plant was designed by the research group CIPAGRAF. A new design has been carried out improving the distribution of the equipments, pipelines and valves, basically to minimize delay times in ozone measurements. Chemical sequences include an ozone stage and biochemical sequences include an enzymatic treatment. The biochemical sequences include stages that are easily applicable in the industry. The first one is a laccase-mediator system with a commercial laccase from Trametes versicolor and mediator HBT.Regarding biological treatments, firstly, the influence of oxygen addition and treatment time has been studied in the enzymatic system. Both variables have been proven to have influence on flax pulp properties. The formation of chromophores compounds in pulp has been also studied from the determination of optical properties. Later, it has been carried out a statistical study of the process variables in laccase-mediator system and their influence in pulp and effluent properties after each bleahing stage. References have not been almost found on pulp properties modeling as a function of the variables in an enzymatic process in this enclosed operation conditions regarding a future industrial application. Process variables optimization in flax pulp biobleaching allows to establish the application conditions most appropriated to obtain certain pulp properties to a lower cost and that turn out to be easily adaptable to existing processes. The results show that a reduction of reagent doses and treatment time can be obtained, and the study allows establishing those conditions which the system is not effective. The systematic study of each one of the bleaching stages allows determining the effect on the pulp of each reagent in each of the stages of the biochemical sequences. On the other hand, it has been proved that laccase-mediator system is capable of oxidize certain lipophilic compounds on flax pulp.Besides, it must be also considered the influence of the process variables in effluent properties, due to the potential toxicity of mediator and possible enzymatic activity loss during the treatment. It is necessary to emphasize that studies on effluent characterization depending on process variables in laccase mediator system have not been found. As a novelty, maximum values of toxicity measured are below the legal limit that determines legislation in Catalonia. It has been also observed, that effluent toxicity in L stage is not only due to the presence of mediator HBT, but by-products of degradation show a major toxicity than the HBT in its initial form. In this study, enzymatic activity loss depends basically on the HBT dose. Therefore, a reagent dose application higher to the optimal doses, not only increases bleaching cost, but in addition, an overdosage can avoid the possible reutilization of bleaching effluents.In the second part of the thesis, the study is based on the influence of an enzymatic treatment with commercial xylanases on eucalyptus pulp properties at the industrial bleaching conditions, high pH and temperature, in Jacareí Mill of Votorantim Celulosa e Papel (Brazil). Xylanase application allows a major flexibility of the bleaching sequence. Moreover, it allows chemical reagents saving, as well an increase of productivity in those mills in which the production capacity of chlorine dioxide is a limiting factor, as it is the case of Jacareí's Mill. Xylanase application in storage tower would allow pulp properties improvement, like kappa number and brightness, in the industrial bleaching sequence. For this, it is not necessary to modify the existing process, which is an advantage from an industrial point of view, since an investment in new equipments is not needed. Enzymatic treatment efficiency decreases considerably when black liquor amount is increased and when the pH is over 10. For this reason, if an enzymatic treatment was applied in the storage tower, a control would become necessary for black liquor amount in pulp and for pH before the enzyme application point.

The aim of this thesis is to modify flax pulp fibres (Linum usitatissimum) by more friendly environmental processes. Pulp and paper research is focussing through enzyme systems investigation for developing green chemistry technologies due to existing environmental concerns and to legal restrictions. Moreover, it exists also an increasing strategic interest in using flax fibres to obtain high-quality specialty papers. That is why we study the application of biotechnology as an efficient alternative to traditional industrial processes based on the use of chemical agents. This work is framed by two of the main research topics of the Paper and Graphic Specialty Laboratory in the Textile and Paper Engineering Department of the Universitat Politècnica de Catalunya. One research line is based on pulp bleaching and is focused basically on the study of enzymatic systems as biobleaching agents; the other research topic that has been recently introduced in our investigation group is the use of enzymes as functionalisation agents by promoting the grafting of several compounds. Laccase is the main enzyme used in this thesis; it is an oxidoreductase that can assist reactions in an eco-friendly way since laccase uses air and produces water as the only by-product. Moreover, laccase can work under mill conditions and has wide application potential. The first part of this thesis involved the use of enzymes to bleach flax pulp. The aim was to explore the potential of various natural mediators (lignin-derived compounds) for delignifying flax fibres in order to identify the most efficient and ecofriendly choice among them. Afterwards, we assessed the use of various enzyme delignification stages in an industrial bleaching sequence. The ensuing totally chlorine free (TCF) sequence comprised various laccase-mediator system treatments (L stage) followed by a by a chelating stage (Q stage) and a subsequent bleaching step with hydrogen peroxide (Po stage). A xylanase pretreatment was additionally carried out. Laccases used came from the fungi Pycnoporus cinnabarinus and Myceliophthora thermophila; the performance of several natural mediators was compared with the obtained with the application of various synthetic mediators. In addition, the lack of studies on the properties of effluents from the treatment of non-wood pulp with laccase and natural mediators led A-1 A-2 us to examine effluent properties upon biotreatments and after different bleaching stages. The results obtained warrant upscaling any of the biobleaching sequences for flax pulp as they provide sustainable flax fibre with a high cellulose content and brightness above 80% ISO. The use of xylanase pretreatment was found to efficiently remove HexA and enhance delignification by laccase.

La motivació per a la realització d'aquest projecte sorgeix de la problemàtica ambiental ja coneguda que existeix amb relació a la contaminació produïda pels reactius utilitzats en el blanqueig de pastes per a paper, i per l'interès en la utilització de matèries primes anuals, com per exemple els residus agrícoles.La present tesi forma part de les línies d'investigació en el blanqueig de pastes per a paper que es porten a terme en el laboratori de l'Especialitat Paperera i Gràfica del Departament d'Enginyeria Tèxtil i Paperera de la Universitat Politècnica de Catalunya, essent la primera tesi que es realitza en temes de blanqueig amb ozó i d'utilització d'enzims. Mitjançant els estudis realitzats s'arriba a obtenir una seqüència totalment lliure de clor (TCF) que inclou una etapa de blanqueig amb ozó (Z) i un tractament enzimàtic amb xilanasa (X), amb la qual s'aconsegueix obtenir una pasta blanquejada d'Eucalyptus amb propietats finals de les pastes, papers i efluents comparables amb les d'una seqüència ECF. Aquesta seqüència de blanqueig és també aplicable a una pasta de palla de blat, amb la qual s'obté bones propietats finals. Així doncs, el present treball d'investigació tracta bàsicament tres qüestions:La primera consisteix en l'increment de la selectivitat del blanqueig amb ozó per al qual es realitza un estudi de l'aplicació de diferents tractaments abans, durant i després d'aquest estadi. Els resultats obtinguts mostren que és convenient realitzar un postractament amb borohidrur sòdic ja que és molt eficient degut al seu elevat potencial reductor de grups carbonil, la qual cosa es corrobora amb l'estudi realitzat sobre el número de talls en la cadena cel·lulòsica (CS). Pel que fa als diferents pretractaments i additius aplicats, aquests últims són més beneficiosos, i en concret els que es realitzen a pH àcid, indicant que el pH té un efecte important en la selectivitat de l'etapa Z, cosa que es confirma amb els estudis cinètics realitzats, i que a més està relacionat amb la major formació de radicals hidroxil a pH alcalí. La naturalesa de l'additiu utilitzat a pH àcid també influeix en la selectivitat de l'etapa Z. Dels diferents additius estudiats i aplicats a pH entre 2 i 3, l'àcid oxàlic és el més eficient ja que presenta un efecte "addicional" a la resta d'additius diferent al pH, influint positivament en la cinètica de la etapa Z ja que augmenta la cinètica de deslignificació i disminueix la de degradació de la cel·lulosa. A través dels estudis realitzats es dedueix que aquest efecte addicional de l'àcid oxàlic és degut a un conjunt de factors: captador de radicals hidroxil, estabilitzador de l'ozó, disminució de l'inflament de la cel·lulosa, catalitzador de les reaccions de l'ozó i/o radicals amb la lignina, aportador d'hidrogen i quelant de cations metàl·lics. La dosi necessària d'àcid oxàlic és molt petita i inclús inferior a la quantitat que es forma en el propi estadi. Per tant, en cas de tancament de circuits, es podria realitzar una recirculació dels efluents dins de l'estadi Z, aprofitant el propi àcid oxàlic que es forma en aquesta etapa.La segona part està basada en l'estudi del pretractament enzimàtic amb xilanasa aplicat en una seqüència TCF de pasta d'Eucalyptus amb la qual cosa s'aconsegueix un efecte "estimulador" del blanqueig, ja que s'incrementa la facilitat de blanquejar en els posteriors estadis de blanqueig, cosa que permet una reducció del consum de reactius. Aquest efecte es relaciona amb l'eliminació de xilans i de grups hexenurònics que es confirma amb els estudis de microscopia electrònica d'escombrat (SEM) i de determinació d'hidrats de carboni per HPLC. Amb els estudis cinètics realitzats s'obté que amb el tractament X s'elimina una part de lignina que no s'aconsegueix eliminar durant el blanqueig amb ozó. El tercer tema es l'aplicació de la seqüència TCF obtinguda, en pasta de palla de blat, amb la modificació d'alguna de les condicions, obtenint resultats no tan favorables com amb l'Eucalyptus, però realment bons tractant-se d'una pasta de palla. Les tècniques d'anàlisi utilitzades -determinació d'hidrats de carboni mitjançant HPLC, observació de la superfície de la fibra utilitzant la microscopia electrònica d'escombrat (SEM) i de transmissió (TEM), determinació de cations metàl·lics per espectroscopia d'absorció atòmica, diferents tècniques per a la determinació de la cristal·linitat i el grau d'oxidació de les fibres, estudis cinètics de l'etapa de blanqueig amb ozó i determinació de grups hexenurònics per espectroscopia UV- han permès una major comprensió dels mecanismes de reacció que tenen lloc en la seqüència estudiada. Així doncs, estudiant l'efecte de l'àcid oxàlic s'aconsegueix saber quins són els requisits que ha de complir un additiu per a ser el més eficient possible en el blanqueig amb ozó.Finalment s'ha d'indicar que part d'aquests estudis s'han realitzat en el Centre Technique du Papier (CTP) de Grenoble (França) i en el Royal Institute of Technology (KTH) d'Estocolm (Suècia).