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Elaboración de papel reciclado con hojas de tamal Título del trabajo
MaBaHe Pseudónimo de integrantes
Ciencias ambientales Área
Local Categoría
Desarrollo Tecnológico Modalidad
8904026 Folio de Inscripción
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Elaboración de papel reciclado con hojas de tamal
Resumen
En pleno siglo XXI, y pesar de la constante digitalización, el papel sigue siendo uno
de los materiales de mayor demanda y usos a nivel mundial: Lo empleamos para
imprimir, para decorar, para envolver, para filtrar, para limpiar, etcétera.
Sin embargo, el proceso de elaboración de papel demanda constantemente el uso
de su principal materia prima: La celulosa de las maderas. Si consideramos que
también se requieren múltiples compuestos químicos para tener papeles
particulares (por ejemplo, con un blanco excepcional, con brillo, para fotografía,
etcétera), y el consumo de agua, de energía, y la consecuente producción de
desechos industriales, el proceso no es del todo amigable con el ambiente.
En este proyecto exploramos un proceso para obtener papel, tipo cartón reciclado,
por medio de los rollos residuales de papel higiénico y hojas de tamal, evitando el
impacto negativo en el ambiente. Elegimos estos materiales debido a que son
desechados luego de su uso, por lo que pretendemos darles un nuevo valor, al
incorporarlos en un nuevo producto.
Los resultados que obtuvimos son muy prometedores, pues generamos 4 tipos
diferentes de cartones, cada uno con propiedades físico-químicas específicas, lo
que permitirá darles diferentes usos posteriores.
Introducción
Hay quien dice que los días del papel están contados, pues la era digital está
desplazando la impresión de libros, documentos, tareas y trabajos para la Feria de
las Ciencias.
Sin embargo, en el 2013 la producción de papel en el mundo alcanzó su punto
máximo en producción, por lo que el papel seguirá siendo un material común en
nuestras vidas.
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Marco teórico
El papel
Diversos estudios indican que el origen del papel fue en China en el año 100 dc,
utilizando trapos, cáñamo, paja y hierba como materias primas, y el proceso
implicaba golpearlos contra una piedra para separar las fibras.
Conforme pasó el tiempo, se siguieron utilizando fibras de origen agrícola como
materias primas, hasta que a inicios del siglo XX fueron desarrollados métodos para
la obtención de pasta de madera, como materia prima, que implicaba la abrasión
mecánica y la aplicación de procedimientos químicos con álcalis. Con estos cambios
se inició la era moderna de la fabricación de papel.
El papel que se elabora en la actualidad es una mezcla de fibras a la que se añaden
varias sustancias químicas para modificar sus propiedades y su calidad. Así, en la
composición del papel están las fibras como la principal materia prima, adhesivos,
cargas, blanqueadores y, en algunos casos, tintas.
Las fibras generalmente tienen su origen en diversas plantas y árboles, siendo
estas últimas las que más se emplean. Por ejemplo, las fibras de coníferas (como
el abeto, ciprés y pino), son más resistentes y con un alto grado de polimerización,
debido a que son más largas; en cambio, las fibras de maderas duras (como del
álamo y eucalipto), presentan un grado menor de polimerización y son menos
resistentes, debido a que son más cortas.
La composición química de las fibras es la celulosa (alfa-celulosa y beta-celulosa)
y hemicelulosas, y tienen además otras impurezas como la lignina, pectinas, trazas
de resina, taninos y ceras. A causa de estos compuestos, las fibras de papel se
degradan más rápidamente y disminuyen el grado de polimerización de la celulosa.
Como se muestra en la imagen 1, la celulosa es una macromolécula formada
solamente de moléculas del monosacárido llamado glucosa, en donde se
establecen puentes de hidrógeno entre los grupos hidroxilo.
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Imagen 1. La estructura química de la celulosa (Obtenida de:
https://es.wikipedia.org/wiki/Celulosa#/media/File:Cellulose_strand.svg)
La lignina es otro polímero natural abundante en las plantas y, junto con la celulosa
conforma la pared celular. La lignina está presente en todas las plantas vasculares,
y al igual que muchos otros componentes de la biomasa, se forma mediante la
reacción de fotosíntesis.
En la imagen 2 se muestra la estructura de la lignina, la cual resulta de la unión de
varios grupos funcionales presentes en la molécula, por ejemplo, ácidos
carboxílicos y alcoholes.
De manera general, el proceso para elaborar papel está basado en la separación
de las dos moléculas anteriores: la celulosa (las fibras) y la lignina (el pegamento
natural que une a las fibras), ello ocurre en procesos donde se calienta la materia
prima (la madera) y se le adicionan compuestos químicos (como el hidróxido de
calcio concentrado en disolución acuosa).
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Imagen 2. La estructura química de la lignina
(Obtenida de https://es.wikipedia.org/wiki/Lignina#/media/File:Lignin_structure.svg)
Dependiendo del tipo de papel que se quiera fabricar serán las variantes de los
componentes que conlleve el proceso de elaboración. Hay cuatro grandes
clasificaciones de productos papeleros:
Grupo 1: Papeles gráficos: Empleados para elaborar periódicos, libros, sobres,
carpetas, cuadernos, etcétera.
Grupo 2: Papeles para envases y embalajes: Empleados para elaborar cajas de
cartón, bolsas de papel, recipientes para huevos, etcétera.
Grupo 3: Papeles higiénicos y sanitarios: Se encuentran el papel para baño,
servilletas, pañuelos, papel de cocina, entre otros.
Grupo 4: Papeles especiales: Sus usos son diversos, por ejemplo, el papel filtro, el
de china, el crepé, el carbón, etcétera.
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Es así que la fabricación de papel requiere grandes cantidades de agua y energía.
En consecuencia, los principales problemas ambientales asociados a la
producción de papel son las emisiones de aguas contaminadas y de gases que
afectan la atmósfera y el elevado consumo de energía.
Algunas alternativas amigables con el ambiente son la elaboración de papel
reciclado y la disposición de materias primas para la producción de celulosa a partir
de fibras que provengan de fuentes diversas como hongos, semillas, hojas, tallos,
musgo, etcétera, y de sus residuos.
Los casos de las hojas de maíz y de las hojas de plátano, muy propias de México
para la elaboración de tamales, fueron el objeto de estudio del presente trabajo.
Para el caso de las hojas de maíz, se ha reportado altos contenidos de celulosa,
baja porcentaje de lignina y una morfología de fibras alargadas y resistentes;
mientras que, para el caso de las hojas de plátano, se ha reportado una cantidad
moderada de lignina en fibras pequeñas.
Objetivo
El principal objetivo del trabajo fue obtener un papel reciclado tipo cartón, con hojas
de maíz y de plátano, provenientes de tamales, a partir de un proceso que no afecte
al ambiente.
Problema
Por causa de las industrias que fabrican papel se ha originado una inmensa cantidad
de agentes contaminantes dañinos para el ambiente. Con este proyecto buscamos
obtener hojas de papel, tipo cartón, de una forma amigable al ambiente, por medio
de hojas de maíz y plátano de tamales, las cuales son recicladas e integradas a un
producto final.
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Hipótesis
Si las hojas de maíz y de plátano, empleadas para hacer tamales, contienen
celulosa y lignina, entonces al ser mezcladas con papel reciclado, en un proceso
amigable con el ambiente, obtendremos un cartón de características propias.
Desarrollo
El desarrollo del trabajo abarcó diferentes etapas, mismas que se detallan a
continuación.
Etapas preliminares.
Iniciamos haciendo una recolección de lo que serían nuestras materias primas:
Hojas de maíz y de plátano, provenientes de tamales, y rollos de papel higiénico.
Las hojas vegetales tuvieron un proceso de limpieza, primero con agua y luego
con etanol, esto para quitarles excesos de residuos de alimentos y grasa. Las
secamos al sol, y luego disminuimos su tamaño, sin llegar a pulverizar las
muestras, llegando a observar las fibras de esos materiales.
Imagen 1. Apariencia de nuestras materias primas.
Del lado izquierdo la hoja de maíz, del lado derecho, la hoja de plátano
Tomamos algunas muestras para averiguar la cantidad de cenizas obtenidas (por
combustión), la reactividad química con HCl y NH4OH y el porcentaje de humedad.
Para la cantidad de cenizas, primero pesamos determinada cantidad de las
muestras, luego la quemamos completamente, recuperando las cenizas, y pesamos
éstas. Realizamos el cálculo para determinar el porcentaje de cenizas en función
del peso inicial.
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La reactividad química consistió en colocar una gota de HCl y una gota de NH4OH
a una concentración de 0.5 M a cada una de las muestras, observando si había
algún cambio de color, desprendimiento de humos o posible efervescencia.
El porcentaje de humedad se determinó pesando cierta cantidad de las muestras
en un crisol, luego las introdujimos a un horno de secado precalentado a 80 °C
(como se aprecia en la imagen 2) por cincuenta minutos, las sacamos, y volvimos a
pesar. Calculamos el porcentaje de humedad en función del peso inicial.
Imagen 2. Las muestras de hojas de tamal siendo introducidas en el horno de
secado.
También realizamos un pegamento natural, considerando que la lignina presente
en las materias primas es baja. Este pegamento lo hicimos mezclando 100 g de
azúcar, 250 g de harina y 250 mL de agua destilada. Calentamos la mezcla hasta
que espesó. Lo quitamos de la parrilla de calentamiento y le adicionamos 10 mL de
vinagre. Mezclamos homogéneamente y lo guardamos para los siguientes pasos.
De manera paralela, investigamos algún compuesto químico que sirviera como
conservador, porque también averiguamos que la celulosa es atacada por los
hongos, así que queríamos algo para protegerla. Nuestra investigación nos dio
muchos compuestos, y elegimos el alcohol polivinílico por su fácil disponibilidad,
además de que es un compuesto biodegradable y posee propiedades útiles para
nuestros productos finales.
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Etapa 1. Obtención de la pasta de la celulosa
Para obtener celulosa, empleamos los rollos de papel higiénico que quedan luego
de terminarse el papel blanco. Una vez que recolectamos la suficiente cantidad (8
rollos), los cortamos en pequeñas partes y los pusimos a remojar toda una noche
en un recipiente.
Transcurrido ese tiempo, vaciamos el papel remojado a una licuadora y lo licuamos.
La mezcla obtenida la reservamos para las siguientes etapas (ver imagen 3).
Imagen 3. La materia prima para obtener una pasta de celulosa
Etapa 2. Obtención del papel reciclado
La obtención del papel inició cuando vaciamos la mezcla de la etapa anterior a
vasos de precipitados, de acuerdo con la siguiente tabla:
Mezcla Porcentaje en peso
de pasta de
celulosa
Porcentaje en peso
de fibra de hoja de
maíz
Porcentaje en peso
de fibra de hoja de
plátano
A 100 % - -
B 50 % 50 % -
C 50 % - 50 %
D 60 % 20 % 20 %
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A cada una de las mezclas, además, les adicionamos 10 mL del pegamento
obtenido y 5 g de alcohol polivinílico y revolvimos hasta lograr una mayor
homogeneidad en la mezcla.
Elaboramos bastidores a partir de aros para bordado y medias. Ellos nos servirían
para retener las mezclas finales. Colocamos nuestros bastidores sobre una charola
y vertimos las mezclas en ellos, presionando para eliminar la mayor cantidad de
agua, como lo muestra la imagen 4.
Imagen 4. Una de las mezclas siendo vaciada en el bastidor que elaboramos.
Dejamos nuestros bastidores en un lugar cálido por 7 días y protegidos del polvo
para que secaran en su totalidad. Luego de ese tiempo, desprendimos con cuidado
las hojas formadas. Las hojas resultantes fueron sometidas a varias pruebas.
Etapa 3. Evaluación de los productos obtenidos
Los productos obtenidos fueron evaluados a partir de las siguientes pruebas:
Pérdida de humedad: De los productos obtenidos se cortó una parte para
pesarla, luego la introducimos al horno de secado, precalentado a 80 °C por
50 minutos y la volvimos a pesar. Con los resultados obtuvimos el porcentaje
de humedad.
Densidad: De otra sección de los productos, se tomó una fracción, se pesó
y luego se sumergió en una probeta para determinar el volumen desplazado,
con los resultados se calculó la densidad, considerando una división entre el
peso (en gramos) y el volumen (en mililitros).
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Determinación de cenizas: Otra parte de los productos fue pesada, antes
de que se quemara en su totalidad, luego, pesamos las cenizas obtenidas e
hicimos el cálculo en función del peso inicial.
Reactividad química: Tomamos otra parte de los productos y los colocamos
en un vidrio de reloj, dejamos caer gotas de HCl y de NH4OH, a una
concentración de 0.5 M, y observamos lo que ocurría.
Resistencia mecánica: Cortamos algunas tiras de los cartones obtenidos y,
primero colocamos una pesa de 500 g a un extremo, lo colocamos en
posición vertical y observamos la facilidad para romperse. Luego, intentamos
separar en dos otras tiras para identificar de forma cualitativa qué tan fácil se
rompía.
Disgregación en agua: Colocamos la misma cantidad de una muestra de
cada cartón en un vaso de precipitados con 100 mL de agua, le pusimos un
agitador magnético y los colocamos en una parrilla con agitación.
Observamos cada minuto, la posible disgregación de las muestras.
Resultados
En las siguientes tablas se encuentran los resultados que obtuvimos.
Resultados para las materias primas
Tabla 1. Determinación de cenizas
Material Peso inicial Peso de cenizas Porcentaje de
cenizas
Hoja de maíz 3.3 g 0.6 g 18.18 %
Hoja de plátano 1.0 g 0.1 g 10 %
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Imagen 5. Ejemplo de cenizas obtenidas de la hoja de maíz
Tabla 2. Reactividad química
Material Con HCl 0.5 M Con NH4OH
Hoja de maíz Sin cambios La muestra se decolora
Hoja de plátano La muestra se
decolora
La muestra se tornó más
oscura
Tabla 3. Determinación de humedad
Material Peso inicial Peso final Porcentaje de
humedad
Hoja de maíz 15 g 14.3 g 4.66 %
Hoja de plátano 11.8 g 7.0 g 40.67 %
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Resultados de los productos obtenidos
Las siguientes imágenes muestran los cartones finales, luego de ser cortados y
lijados para dar un mejor aspecto.
Imagen 6.
A: Cartón elaborado con 100 % celulosa reciclada
B: Cartón elaborado con 50 % celulosa - 50 % fibras de hojas de maíz
C: Cartón elaborado con 50 % celulosa - 50 % fibras de hoja de plátano
D: Cartón elaborado con 60 % celulosa – 25 % fibras de hojas de maíz y 25 % de
fibras de hoja de plátano
A B
C D
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Tabla 4. Determinación de humedad
Cartón Peso Inicial Peso Final Porcentaje de
Humedad
A 1.2 g 1.0 g 16.67 %
B 1.2 g 1.2 g 0 %
C 1.2 g 1.0 g 16.67 %
D 1.3 g 1.2 g 7.67 %
Tabla 5. Determinación de densidad
Cartón Peso (g) Volumen (mL) Densidad (g/mL)
A 1.0 2.0 0.5
B 0.2 0.5 0.4
C 0.7 1.0 0.7
D 0.5 1.0 0.5
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Los resultados correspondientes a la determinación de cenizas no se pudieron
determinar, porque al pesar la ceniza obtenida de nuestras muestras en la balanza
digital, ésta no era capaz de dar un valor, debido a que su rango menor es de 0.1 g,
así que obtuvimos menos de esa cantidad.
En cuanto a los resultados de la reactividad química con HCl y NH4OH, a pesar de
que les adicionamos suficiente cantidad de esas sustancias, no observamos
cambios, solamente que eran absorbidos en su totalidad por los cartones que
obtuvimos.
Los resultados de la resistencia mecánica mostraron que el único cartón resiste a
un peso de 500 g fue el que no incorporó fibras a su composición (muestra A), en
cambio, con la prueba para romper con las manos, la más resistente fue el cartón
que llevó la mezcla de fibras de hoja de maíz.
Tabla 5. Determinación de disgregación
Cartón 1
minuto
2
minutos
3
minutos
4
minutos
5
minutos
A x x - - -
B x x x - -
C x - - - -
D x x - - -
Nota: La “x” significa que la muestra no se ha disgregado en ese tiempo y el “-“
significa que la muestra se disgregó en su totalidad
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Análisis e interpretación de resultados
Los resultados de las materias primas indican que, para el caso de la cuantificación
de cenizas, la hoja de maíz origina más cenizas que la hoja de plátano. Este valor
es importante desde el punto de vista ecológico, porque corresponde a aquellas
sustancias (como los minerales) que no arden con el fuego ni se evaporan y que,
con el tratamiento adecuado, pueden emplearse como fertilizantes.
Para los resultados de la reactividad química con un ácido (HCl) y una base
(NH4OH), ambas hojas resultaron ser resistentes, debido a que solamente se
decoloraron un poco, no se fragmentaron, ni presentaron daño superficial.
Los resultados de humedad indicaron que la hoja de plátano, a pesar de haber sido
secada, todavía guardaba mucha humedad, en comparación con la hoja de maíz.
Los resultados anteriores, nos empezaron a dar indicios sobre la naturaleza de
nuestras materias primas, y a lo que nos enfrentaríamos más adelante.
En lo que corresponde al proceso para la obtención de nuestros productos, los
integrantes del equipo consideramos que fue un proceso limpio. Los principales
argumentos para ello son que reducimos la cantidad de desechos generados, al
obtener 40 mL de agua residual, la cual no representó un peligro al ambiente,
porque en ella solamente se encontraban disueltos el alcohol polivinílico y el
pegamento a base de harina que no se integraron a las mezclas; reciclamos las
materias primas, todas ellas, fueron obtenidas de productos de desecho, a los que
no se les da un mayor tratamiento; y reusamos los materiales al incorporarlos en
nuevo producto: un cartón con cuatro composiciones diferentes.
También, pensamos que el proceso es económico, porque no gastamos más de 20
pesos en las materias primas, específicamente para la elaboración del pegamento
natural.
Los cuatro cartones obtenidos presentan propiedades diferentes, lo que los hace
únicos.
El cartón tipo A (100 % pasta de celulosa reciclada), visualmente presentó un color
café homogéneo, tuvo un 16.67 % de humedad, una densidad de 0.5 g/mL, su
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cantidad de cenizas fue muy poca, tuvo la mayor resistencia mecánica, no reaccionó
con el ácido y la base y se disgregó en 2 minutos. Estos resultados permiten
proponerlo, por ejemplo, como posible material para cajas que transporten un peso
menor a los 500 g.
El cartón tipo B (50 % pasta de celulosa reciclada + 50 % de fibras de hojas de
maíz), visualmente presentó un color café-amarillento, tuvo un no retuvo humedad,
tuvo una densidad de 0.4 g/mL, su cantidad de cenizas fue muy poca, tuvo poca
resistencia mecánica, no reaccionó con el ácido y la base, y se disgregó en 3
minutos. Con estos resultados, lo proponemos para ser usado como un material
para cajas que protejan medicamentos que deban estar alejados de la humedad.
El cartón tipo C (50 % pasta de celulosa reciclada + 50 % de fibras de hojas de
plátano), visualmente presentó un color café-verdoso, retuvo 16.67 % de humedad,
su densidad fue de 0.7 g/mL, la cantidad de cenizas fue poca, tuvo poca resistencia
mecánica, no reacciona con ácidos y bases, y se disgregó en 1 minuto. A partir de
estos datos, lo proponemos para ser usado como un papel-manteleta para
alimentos.
Y el cartón tipo D (60 % pasta de celulosa reciclada + 20 % de fibras de hojas de
maíz + 20 % de hojas de plátano), fue una mezcla de varios colores: café, amarillo
y verde, muy llamativo. Retuvo poca humedad, su densidad fue baja. Compartió los
mismos resultados en cuanto a cenizas, resistencia mecánica y reactividad. Y se
disgregó en 2 minutos. Podría ser empleado como pasta para cuadernos.
Conclusiones
El objetivo de este trabajo se logró porque obtuvimos cuatro productos tipo cartón a
partir del reciclaje de papel, e incorporando las fibras provenientes de las hojas de
maíz y de plátano, provenientes de tamales.
También, el proceso que seguimos no afecta al ambiente, porque no generamos
residuos peligrosos que requieran un mayor tratamiento
Con lo anterior, nuestra hipótesis fue acertada.
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Fuentes de información
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de despolimerización para la obtención de derivados aromáticos de interés
industrial. Avances en Ciencias e Ingeniería. 4 (4). 15 – 46 pp.
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http://www.insht.es/InshtWeb/Contenidos/Documentacion/TextosOnline/Encicloped
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