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INTRODUCCIÓN
Los procesos textiles húmedos se pueden optimizar con el uso de productos ecológicos, reutilización del agua y nuevas tecnologías (Körlü et al., 2018). Los tejidos de algodón necesitan procesos de pretratamiento (descrudado, desencolado, blanqueo, entre otros) antes del teñido (Arooj et al., 2015; Turhan et al., 2018). El método de blanqueo convencional con peróxido de hidrógeno resulta costoso debido al consumo de productos químicos, altas temperaturas y lavado intensivo del tejido (Arooj et al., 2015). En este sentido, el gas ozono dada sus propiedades como oxidante y decolorante, se ha identificado como un agente ecológico en el blanqueo de tejidos celulósicos (Hareem et al., 2019) así como el acabado textil (Bahtiyari et al., 2021), ya que permite la reducción del consumo de agua, productos químicos, energía, costos, tiempo de la operación con una mejor calidad de los residuales líquidos y menor impacto ambiental (Eren et al., 2020a, 2020b, Paksoy et al., 2021; Kumar et al., 2021). Hareem et al. (2019) reportaron cinco veces el reuso con ozono del efluente del baño de blanqueo, sin otro tratamiento, con mejor calidad del vertimiento y sin afectar el grado de blanqueo (GB) de la tela. Desde esta perspectiva, la industria textil aborda la sostenibilidad ambiental con el concepto de producciones más limpias aplicando el reuso del agua, alternativas de materiales y tecnologías (Arroj, et al. 2014; Saleemi, et al., 2020; de Oliveira Neto et al., 2021; Ugur, et al., 2023; Atav, et al., 2024).
Los tejidos de algodón se pueden blanquear con ozono en muy poco tiempo, a temperatura ambiente, y sin utilizar productos químicos agresivos (Perincek et al., 2007; Hareem et al., 2019; Kumar et al., 2021). Respecto a las condiciones de ozonización, en fase gaseosa o líquida, durante el blanqueo de tejidos de algodón se destacan el control del pH, tiempo de ozonización, la concentración de ozono en el gas, dosis aplicada, temperatura, tipo de tejido, diseño de la cámara de contacto, y el contenido de agua del tejido (en la aplicación en fase gaseosa).
Prabaharan y Venkata Rao (2001, 2003) estudiaron el efecto del ozono, en fase gaseosa, en el blanqueo del pH y el contenido de agua del tejido. Reportaron que el GB deseado, con el mínimo daño a la celulosa, se puede obtener en tiempos cortos con un contenido de agua del 24 % y pH inferior a 7. En medio ácido la pérdida de fuerza del tejido es mínima porque el blanqueo se realiza en corto tiempo, confirmando su dependencia, verificándose una mayor velocidad de blanqueo en condiciones ácidas que en alcalinas. Los colorantes del algodón presentan dobles enlaces conjugados que son atacados, según el pH, por las especies oxidantes: el ozono molecular o los radicales. OH. En medio ácido las moléculas de ozono, altamente selectivas, reaccionan rápido en sitios de alta densidad electrónica. Mientras que los radicales. OH, por encima de pH 9, tienen una menor selectividad y alto potencial de oxidación, reaccionado con los colorantes y otros compuestos, lo cual acelera la descomposición del ozono. Estos autores destacaron que solo en presencia de agua el ozono puede actuar como agente blanqueador eficaz, pero que un exceso de agua retarda la acción blanqueadora, porque el agua actúa como barrera a la transferencia de masa del ozono gaseoso hacia los sitios de reacción. El agua debe estar presente sólo para para hidratar la celulosa y que la oxidación ocurra cerca del sitio de reacción, para una rápida acción blanqueadora.
Estudios posteriores ratifican estos criterios. Perincek et al. (2007) también resaltaron que la aplicación del ozono, dada su alta capacidad oxidante, es factible en el blanqueo de tejidos de algodón en poco tiempo, para un contenido de agua del tejido del 60 % y pH 7. Además, que la ozonización a temperatura ambiente demostró ser más eficiente. Por otra parte, Eren et al. (2018) evaluaron el efecto de la temperatura en blanqueo con ozono de tejidos de algodón con 30 y 80°C durante 30 min. Los valores de blancura y desencolado a 30°C fueron mejores, dada la mayor solubilidad y menor descomposición del gas ozono respecto a la temperatura elevada. Arooj et al. (2014) analizaron el efecto del blanqueo con ozono sobre la calidad de la tela de algodón en GB, absorción del tinte, número de cobre y grado de polimerización (GP). Optimizaron los parámetros del proceso (pH, dosis de ozono y tiempo) y obtuvieron mejores GB y calidad de tejido a pH 5, 45 min y temperatura ambiente. Concluyeron que el pH 5 es el óptimo, valores menores no mejoran el GB y, por encima, disminuye, afectando además la calidad del tejido. Además, por debajo de pH 5 requiere una adición extra de ácido que aumenta el costo y la carga contaminante del efluente. Observaron que un tiempo mayor disminuyó la calidad de la tela al producir un 52 % de pérdida de GP.
Por otra parte, Turhan et al. (2018) también demostraron que el ozono, a temperatura ambiente y pH 6, puede utilizarse en el acabado textil, especialmente en pretratamientos de tejidos de felpa de algodón, como el desencolado y el blanqueo. Sin embargo, estos autores observaron, bajo sus condiciones experimentales, que el aumento del tiempo de ozonización a bajas dosis no provocó un cambio significativo en el GB. Mientras, que a dosis altas alcanzaron valores cercanos al blanqueo convencional. Resaltaron que el tipo de tejido influye en la penetración del ozono y en el proceso. Zhang et al. (2022) evaluaron a temperatura ambiente, 70 % de humedad, pH 2 durante 20 min los efectos del ozono en varias propiedades en fibras de lino, respecto al blanqueo observaron un efecto favorable, pero una disminución del GP y la resistencia del tejido.
En cuanto al contenido de agua del tejido de algodón, Bahtiyari y Belin (2016) también demostraron su importancia en el incremento del GB empleando ozono en fase gaseosa y un humidificador ultrasónico. Evaluaron un intervalo amplio y reportaron una mayor eficiencia para 70 %. Las muestras secas fueron favorecidas con el humificador, no así las muestras humedecidas previamente con valores mayores del 70 %. Este resultado puede corresponderse con el criterio de que el exceso de agua en el tejido dificulta el blanqueo. Turhan et al. (2018) confirmaron que el contenido de agua del tejido tiene un efecto significativo en el blanqueo con ozono. Por otra parte, (Paksoy et al. 2021) investigaron los efectos de la ozonización en el GB de telas de tejido 100 % algodón. En fase gaseosa con muestras de tejidos secas y húmedas (con contenido de agua 60 % y pH 6) y, en fase acuosa, con muestras sumergidas en agua (pH 6). Además, evaluaron el tiempo de tratamiento, la producción del ozono (6, 12 y 18 g h-1) y tipo de difusor. Reportaron un mejor efecto en fase acuosa, con el mayor tiempo y dosis aplicada, seguida de fase gaseosa con las muestras húmedas.
Consecuentemente con lo planteado, Ben Hamida et al. (2019) comprobaron que la acción individual del ozono disuelto en agua fue suficiente para blanquear la tela de jeans color índigo. Mientras que los procesos de oxidación avanzada (POA) no fueron eficaces (ozono/ H2O2/ ultrasonido) dada la baja selectividad y bajo tiempo de vida medio de los radicales. OH generados. La reacción de oxidación directa del ozono en la tela de jeans se realizó en 10 min con concentraciones en el gas de 40, 50, 60, 70, 80 y 100 mg L-1 y a pH 5 para evitar la descomposición del ozono en el agua. Estos autores plantean que disolver el ozono en agua, con una adecuada transferencia de masa, requiere alta presión y difusores eficientes. No obstante, se debe valorar que actualmente existen sistemas de ozonización eficientes. La ozonización en fase liquida tiene un mayor consumo de agua que el blanqueo en fase gaseosa, aunque se tiene la posibilidad del reuso.
Walawska et al. (2024) demostraron que el tratamiento de tejidos de algodón utilizando ozono y peróxido de hidrógeno en fase gaseosa, por separado o simultáneamente, permitió obtener parámetros de blancura ligeramente más bajos que el blanqueo con el baño estándar (peróxido de hidrógeno) con la disminución del GP y similar resistencia a la tracción.
Otro aspecto a considerar Arooj et al. (2015) y Turhan et al. (2018) es el efecto de la ozonización, bajo determinadas condiciones, en las propiedades como la absorbencia y la hidrofilidad del tejido de fibra de algodón y de felpa. La absorbencia (retención de líquidos) permite conocer el nivel de líquido retenido (en %) y la hidrofilidad (afinidad por los líquidos) el nivel de líquido absorbido (en segundos o en mm de capilaridad) indicando la velocidad de subida o longitud referido a un lapso de tiempo. Por otra parte, Eren (2020b) ha señalado que el rendimiento de estos tejidos puede ser analizado por la velocidad a la que la tela absorbe el agua, la dinámica y capacidad total de retención.
Los resultados del estudio revelaron que las telas de toalla hechas de diferentes mezclas de fibras arrojaron un comportamiento diferente de absorbencia de agua. De manera general, en la literatura consultada ambas propiedades se comentan indistintamente, y se relacionan los términos con la absorción de agua del tejido. Así como, se discute en este sentido el alcance y limitaciones de la ozonización (como único tratamiento) para eliminar impurezas del tejido de algodón respecto al convencional (desencolado, descrudado y blanqueo con peróxido de hidrógeno). Arooj et al. (2015, 2021) confirmaron que la adición de surfactante mejoró significativamente la blancura y la absorbencia de la tela de algodón blanqueada con ozono.
Teniendo en cuenta estas premisas, el objetivo del trabajo fue evaluar el empleo del ozono en el blanqueo de muestras de toallas, constituidas por tejido de fibras de felpa 100 % de algodón, así como el efecto de diferentes condiciones experimentales para seleccionar la más adecuada, logrando un mayor GB con menor modificación de la celulosa en términos de GP. Se considerará como patrón el blanqueo convencional con peróxido de hidrogeno. Se evaluará el efecto de la aplicación o no del pretratamiento (desencolado-descrudado), el porcentaje del contenido de agua del tejido, la concentración de ozono en el gas aplicada, el tiempo de exposición del tejido al ozono, el incremento del flujo de gas de entrada al reactor y su condición de gas seco o húmedo, la hidrofilidad del tejido, así como el lavado final como postratamiento.
MATERIALES Y MÉTODOS
Ozonización de muestras de tejido de toallas
En la Figura 1 se muestra el esquema de la instalación experimental. Las ozonizaciones se realizaron en el Laboratorio de Tecnologías en el Centro Nacional de Investigaciones Científicas (CNIC). Se empleó una columna de vidrio de 1 L, en operación semicontinua con entrada y salida de gas. La mezcla oxígeno-ozono se obtuvo de un equipo generador de ozono (AQOZO, Cuba) alimentado con oxígeno comprimido procedente de un balón, que garantiza que la mezcla gaseosa esté seca. La mezcla gaseosa se aplicó seca y humedecida previamente, en este caso se empleó un recipiente denominado burbujeador (se describe más adelante). El ozono residual en el gas, que no reaccionó, fue destruido catalíticamente a la salida de la columna. La concentración de ozono en el gas fue determinada a 256 nm en un espectrofotómetro UV/VIS (Pharmacia LKB, Reino Unido).
Las muestras de toallas, crudas y pretratadas (desencolado-descrudado), fueron identificadas como tejido de fibras de felpa 100 % de algodón y suministradas por la Empresa de Toallas Hilatex. Se seleccionaron muestras toallas de dimensiones similares (rectangulares) con un peso de 10 g, ajustado con el empleo de una balanza analítica modelo Mettler BB 3000.
Fig. 1 Esquema de la instalación experimental a escala de laboratorio. 1-Cilindro o balón de oxígeno comprimido, 2-Equipo ozonizador, 3-Espectrofotómetro UV-VIS, 4-Flujómetro de gas, 5-Burbujeador de gas, 6-Columna (reactor), 7- Motor, 8- Destructor de ozono gaseoso, 9-Muestra de tejido.
El proceso de ozonización se desarrolló a temperatura ambiente y previamente todas las muestras fueron inmersas en una disolución de HCl (0,1N) a pH 5. El contenido de agua de todas las muestras fue ajustado a un 30 % por gravimetría con el empleo de la balanza analítica. Para evaluar el efecto del ozono en la calidad del blanqueo se ejecutaron dos tipos de experimentos.
Experimento I. Se emplearon muestras de tejido pretratado (desencolado-descrudado) y tejido crudo (sin pretratar). Se aplicaron tiempos de exposición del tejido al ozono gaseoso de 5, 10, 15 y 30 min, flujos de gas de 10 y 20 L h-1 y una concentración constante de ozono en el gas de 80 mg L-1. La corriente gaseosa antes de la entrada al reactor se mantuvo seca y se introdujo directamente. Las muestras de toallas, después de la ozonización, se lavaron inmediatamente a temperatura ambiente en un recipiente (200 mL) con entrada y salida continua de agua potable (3,6 L min-1 hasta pH 7). Una muestra fue lavada de igual manera a las 72 horas después de la ozonización. Al final las muestras fueron secadas en una estufa a 50 oC durante 30 min.
Experimento II. Se emplearon muestras de tejido crudo (sin pretratar) con el objetivo de evaluar solamente el efecto del ozono, como única etapa a aplicar en el tratamiento del tejido. El proceso de ozonización se realizó bajo una atmósfera húmeda. Esto se garantizó burbujeando la corriente gaseosa, antes de la entrada del reactor, en agua destilada contenida en un burbujeador con un difusor de vidrio poroso (Figura 1). Se aplicaron tiempos de exposición del tejido al ozono gaseoso de 10 y 15 min, un flujo de gas constante de 10 L h-1 y concentraciones de ozono en el gas de 40, 60 y 80 mg L-1. Después de la ozonización todas las muestras fueron lavadas inmediatamente con agua potable, posteriormente secadas en una estufa a 50 oC durante 30 min.
Evaluación del blanqueo con ozono de muestras de toallas de tejido de felpa 100 % de algodón.
Se determinaron, en la Empresa de Toallas Hilatex, los valores del grado de blanco (GB) y el grado de polimerización (GP) como medida de la degradación de la celulosa del tejido. Ambos parámetros son importantes en el proceso de blanqueo. Las muestras crudas presentaron valores de GB: 0 y de GP: 3049 ± 3,5 unidades y las pretratadas GB: 0-5 unidades y GP: 2920 ± 2,8 unidades. Las muestras de referencia (patrón) fueron de tejido blanqueado con peróxido de hidrógeno (previamente desencolado-descrudado) con GB: 25-50 unidades y GP: 2657 ± 2,6 unidades.
Las especificaciones consideradas, por Empresa de Toallas Hilatex, correspondieron al referido patrón de blanqueo donde GP debe ser mayor de 1800 unidades, GB: 25-50 unidades para alcanzar blanco para teñir tonos pasteles. Así como, GB: 25 unidades para teñir tonos pasteles a medios y GB: 5-25 unidades para tonos medios a oscuros. Se emplearon las Normas Cubanas para el análisis del GP la (NC 40-55/84, 1984) Textiles y para el GB la NC 40-130/87, 1987 Textiles. También, se determinó la hidrofilidad de muestras ozonizadas con la NC 40-51/84, 1984 Textiles.
Procesamiento estadístico de la data experimental
Las determinaciones de GP se hicieron por triplicado. Para el procesamiento estadístico de resultados se empleó el programa Microsoft® Excel 2016 y el programa estadístico Statgraphics Centurion XV. Se aplicó una prueba de rango múltiple para determinar cuáles medias son significativamente diferentes de otras (con un nivel del 95,0 % de confianza), incluyendo los valores de las diferentes condiciones experimentales y el patrón. Para las determinaciones del GB se empleó la técnica, de la norma referida, que responde a un ensayo de comparación visual donde la muestra del tejido se compara con las placas de una escala plástica para hallar la correspondencia de su GB con alguna de ellas o que se encuentre entre los valores de dos placas consecutivas. La data experimental aportada limitó el procesamiento estadístico. No obstante, resultó útil para analizar la tendencia del comportamiento del GB del tejido evaluado bajo las condiciones experimentales del estudio.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Se evaluó el efecto de diferentes condiciones experimentales para lograr la condición deseada de un mayor grado de blanqueo (GB) con mínima modificación de la celulosa en términos de grado de polimerización (GP) del tejido blanqueado con ozono.
Experimento I
Efecto del pretratamiento y tiempo de exposición en el blanqueo con ozono
En la Tabla 1 se muestran los valores de GB y GP de las muestras ozonizadas sin pretratamiento (crudas) y con pretratamiento (desencolado-descrudado). Ambas muestras tienen como objetivo específico estudiar su comportamiento frente al ozono con sus características propias, siendo la celulosa el componente principal. El tejido crudo contiene todas las impurezas acompañantes de las fibras de algodón tales como grasas, ceras, pectinas, sales minerales, pigmentos naturales y los encolantes añadidos a las hilazas de urdimbre para incrementar su resistencia a las tensiones de los telares. Por lo tanto, las muestras de toallas crudas no recibieron tratamiento previo a la ozonización. Sin embargo, las muestras pretratadas descrudado recibieron previamente un proceso de desencolado y descrudado (por tratamiento alcanino caliente a 98-100 oC), que permite eliminar los encolantes e impurezas, excepto los pigmentos naturales (materia coloreada) que son fundamentalmente eliminados por el ozono, debido a su carácter de oxidante.
Tabla 1 Efecto del pretratamiento y el tiempo de exposición en el blanqueo con ozono de muestras de toallas de tejido de fibra de felpa 100 % de algodón.
Los resultados de GP se expresan como valores promedios ± desviación estándar (X ± DS)
Evaluación del grado de blanco (GB): Tomando como patrón el blanqueo con peróxido de hidrogeno, de la Empresa de Toallas Hilatex, las muestras ozonizadas presentan valores de GB aceptables para el teñido, en especial para tonos pasteles (GB: 25-50), así como para tonos pasteles a medio (GB: 25). Excepto la muestra 5, que al estar en el intervalo de GB: 5-25 es útil para teñir tonos medios a oscuros. Manteniendo un tiempo constante se aprecia que el pretratamiento de descrudado realizado antes de la ozonización mejora el valor del GB. Este resultado se corresponde con el criterio de (Bautista, 2012) respecto a que, en primer lugar, el contenido en materia coloreada presente en las fibras de algodón descrudado es inferior al crudo y se conoce que la solubilización de grasas y ceras en álcali podría arrastrar parte de esta materia coloreada. En segundo lugar, la oxidación por ozono de materia coloreada del algodón descrudado podría estar favorecida debido a un menor contenido en grasas y ceras superficiales.
Sin embargo, el desencolado-descrudado tiene como inconveniente la aplicación de un tratamiento previo al proceso de blanqueo, con ozono, con sus respectivos consumos de reactivos, tiempo, energía y agua. En este sentido, Prabaharan M y Venkata Rao (2001, 2003) destacaron como una ventaja del blanqueo con ozono la eliminación de los procesos previos. Proponen a la ozonización como un solo proceso simultáneo, que logra un GB similar al método convencional (desencolado y descrudado, peróxido de hidrogeno) para teñir tonos medios y oscuros. Así como, sugieren dos etapas de blanqueo, ozono seguido de peróxido de hidrógeno, para obtener altos GB y teñir tonos pasteles con un mínimo de afectación de la celulosa del tejido.
Evaluación de la degradación (GP): Las muestras 6 y 7 de tejido crudo a 10 y 15 min de exposición, respectivamente, alcanzaron valores de GB aceptables respecto al patrón. Sin embargo, a los 10 min se apreció una degradación al bajar el GP de 2657 ± 2,6 unidades (muestra patrón) a 1110, valor que se considera como tejido con cierta degradación (mínimo 1800 unidades). Para 15 min incrementó el valor de GB hasta 50 unidades, pero se apreció una mayor degradación.
Por otra parte, las muestras 10 y 11 de tejido pretratado a 5 y 10 min de exposición respectivamente, lograron GB aceptables respecto al patrón. Para estos tiempos de tratamiento el GP arrojó valores que indican un tejido con cierta degradación, pero menor que las muestras de tejido crudo bajo las mismas condiciones experimentales. Los tratamientos con 15 y 30 min, para muestras crudas y pretratadas, el GP decreció por debajo de 700 unidades, que refleja una degradación significativa.
Estos resultados indican que el tiempo de exposición del tejido al ozono tiene un efecto favorable en el GB, pero afecta el GP al incrementar la degradación de la celulosa presente en el tejido tratado. Bajo las condiciones experimentales evaluadas el proceso de ozonización se desarrolla en una zona de control cinético. Donde tienen lugar principalmente tanto reacciones de oxidación de grupos cromóforos del algodón, que se corresponden con los incrementos en los valores de GB, como también reacciones de rotura de enlaces glucosídicos de las cadenas de celulosa, correspondientes a la disminución brusca de los valores de GP en el tiempo. Las muestras ozonizadas presentan diferencias estadísticamente significativas (con un nivel del 95.0% de confianza), lo que indica el efecto del pretratamiento y el tiempo de ozonización en el GP (Figura 2), igualmente difieren respecto a la muestra patrón.
Efecto del lavado en tejido después de la ozonización
En la Tabla 2 se muestra cómo influye el tiempo transcurrido para el lavado de los tejidos después del proceso de blanqueo con ozono. La muestra 4 indicó que mantener el tejido hasta 72 h sin lavar después del blanqueo, para eliminar las impurezas que quedan, afectó considerablemente el blanco final. Sin embargo, un enjuague con agua potable inmediato alcanzó un GB de 50 unidades, lo cual quedó demostrado con la muestra 12. Para ambas condiciones de lavado, bajo las condiciones de ozonización aplicadas, se apreció una degradación del tejido ozonizado siendo menor con la aplicación del lavado inmediato. Las muestras ozonizadas y patrón presentan diferencias significativas con un nivel del 95.0% de confianza (Figura 3).
(Paksoy et al. 2021) en sus investigaciones, con tejidos 100 % de algodón, demostraron un efecto positivo en el GB del proceso de lavado después del blanqueo con ozono. Por otra parte, (Turhan et al. 2018) reportaron que la ozonización puede utilizase en el acabado de telas de toallas de felpa, desencolado y blanqueo, con la eliminación de impurezas, que permanecen, aplicando un proceso de enjuague posterior al blanqueo. Además, Por otra parte, es necesario el lavado con agua potable para garantizar un pH neutro durante el almacenamiento de los tejidos ozonizados y la neutralización de las aguas residuales procedentes del lavado.
Tabla 2 Efecto del lavado en muestras de toallas de tejido de fibra de felpa 100 % de algodón después del tratamiento con ozono.
Efecto del incremento de flujo de gas de entrada al reactor
Las muestras de tejido tratadas bajo una misma concentración de ozono gaseoso y tiempo de ozonización de 15 min indicaron una disminución significativa del GB al duplicar el flujo de gas de entrada al reactor (Tabla 3). Este resultado pudiera ser porque al incrementar el flujo de gas, que se introdujo seco, provocó que el contenido de agua del tejido disminuyera durante el proceso afectando la efectividad del blanqueo con ozono. Parece ser que la transferencia de materia de la fase gas (ozono) a la fase sólida (fibra de algodón) está favorecida por la presencia de una fase líquida (agua). Este fenómeno físico fue observado por (Bautista, 2012), en tejido de algodón, al evaluar las pérdidas de contenido de agua por arrastre al incrementar el flujo de gas, junto a una disminución del consumo de ozono y del GB. Este autor reportó que flujos de 10, 20 y 30 L h-1 indicaron pérdidas del 15, 20 y 25 %, respectivamente, con relación al contenido en agua inicial de las muestras.
Por lo tanto, la transferencia de materia (gas-líquido) puede presentar una influencia importante en el control de la cinética del proceso de blanqueo con ozono, tanto por limitación como exceso del contenido de agua del tejido durante el tratamiento. Las muestras ozonizadas presentan diferencias estadísticamente significativas (con un nivel del 95.0 % de confianza) respecto al valor de GP (Figura 4), esto indicó que el incremento del flujo de gas, bajo estas condiciones experimentales, disminuyó también la degradación de la celulosa debido a la limitación del acceso del ozono a los sitios de reacción, igualmente difieren respecto a la muestra patrón.
Tabla 3 Efecto del flujo de gas en el blanqueo con ozono de muestras de toallas de tejido de fibra de felpa 100 % de algodón.
Fig 4 Comparación del GP entre muestras crudas ozonizadas y el patrón. Incremento del flujo de gas de entrada al reactor: Fg 10 L h-1 y Fg 20 L h-1. Nota: Existe diferencia estadísticamente significativa entre aquellos niveles que no comparten una misma columna X's.
En resumen, en el Experimento I todas las muestras arrojaron valores de GP menores que las muestras de tejido blanqueado con peróxido de hidrógeno (GP: 2657 unidades) y por debajo del límite aceptable (1800 unidades). Se desechan las condiciones de las muestras 4, 7, 8, 12 y 12a por su alto grado de degradación (GP: debajo de 700 unidades). Así como, las muestras 5 y 9 por presentar un GB: 5 que se corresponde con el valor más bajo del intervalo requerido para teñir tonos medios a oscuros. Las muestras ozonizadas a tiempos mayores (15 y 30 min) alcanzaron GB: 50, pero están entre las más degradadas. Las mejores variantes resultaron las muestras ozonizadas de tejido crudo (10 min) y pretratado (5 min) para teñir tonos pasteles a medios, así como las de tejido pretratado (10 min) para teñir tonos pasteles.
Evaluación de la hidrofilidad del tejido
La hidrofilidad (absorción de agua) del tejido pretratado descrudado, con eliminación de impurezas incluyendo las ceras, y posterior ozonización fue evaluada. Los resultados indicaron que, bajo las condiciones experimentales evaluadas (Tabla 1), no hubo un efecto de la concentración de ozono y el tiempo de exposición en el valor de hidrofilidad para estos tejidos, con un valor entre 1 a 2 segundos. Consecuentemente, no se realizaron evaluaciones para muestras crudas ozonizadas. Además, se consideraron los resultados y criterios de otros autores respecto a la limitación del empleo de la ozonización sola para la eliminación de las impurezas referidas. Sin embargo, varios aspectos discutidos y reportados, por otros autores, deben ser tenidos en cuenta para nuestros futuros estudios.
En este sentido, Prabaharan y Venkata Rao (2003) respecto a la eliminación de impurezas, en muestras ozonizadas, consideraron que el incremento obtenido de las pérdidas de peso indicó un efecto en alguna medida. Reportaron un 31 % de eliminación de ceras y parafinas, que relacionan con la oxidación y la posible transformación en productos más solubles en agua. Sugieren que la ozonización, bajo determinadas condiciones, seguida por peróxido de hidrógeno alcanza mejores resultados. (Bautista, 2012) reportó que la absorción de agua se favorece con el proceso de descrudado y blanqueo. Comprobó que aun para tiempos largos de aplicación sólo de la ozonización (hasta 120 min) los tejidos de algodón crudo continúan siendo hidrófobos, en cierta medida, ya que no se eliminan por completo las grasas y ceras presentes en las capas más superficiales de la pared primaria de las fibras de algodón crudo.
En este sentido, Arroj et al. (2015, 2021), durante el blanqueo de tejidos de algodón crudo, al aumentar la dosis y concentración de ozono en el gas, no obtuvieron un incremento de la hidrofilidad cuando aplicaron ozono solamente. Mientras, que al añadir un tensoactivo (surfactante) la eficiencia del blanqueo aumentó significativamente en términos de hidrofilidad y GB, comparable al control, sin causar daño al tejido. Turhan et al. (2018) reportaron que no hubo un incremento de la hidrofilidad, en tejido de felpa de algodón con dosis bajas al aumentar el tiempo de exposición al ozono (5 a 45 min). Sin embargo, a dosis altas observaron valores similares de GB y un efecto favorable en la hidrofilidad, aunque con valores inferiores al método convencional. Consideraron que el blanqueo con ozono puede sustituir al proceso convencional de blanqueo y desencolado. Resaltaron que el tipo de tejido puede favorecer o no la penetración del ozono e influir en la propiedad referida. También, Eren (2020b) indicó que los procesos de acabado y el tipo de tejido tienen un efecto en esta propiedad.
Experimento II
Efecto de la humedad del flujo de gas de entrada al reactor
Las ozonizaciones se realizaron con muestras de tejido crudo y bajo una atmósfera húmeda (Tabla 4). Respecto al GB se observó un efecto favorable a los 10 min y se mantuvo constante a los 15 min, pero con un efecto favorable respecto a la degradación del tejido. Es interesante observar la disminución de la degradación (GP) de las muestras 13 y 14 respecto a las muestras tratadas bajo similares condiciones de flujo de gas (sin humedecer) y tiempo de exposición (Experimento I). El GP se incrementó de 1110 a 1807 unidades en 10 min de ozonización y de 683 a 1172 unidades en 15 min.
Tabla 4 Efecto de la humedad del flujo de gas de entrada al reactor en el blanqueo con ozono de muestras de toallas de tejido de fibra de felpa 100 % de algodón.
Los resultados de GP se expresan como valores promedios ± desviación estándar (X ± DS).
Este resultado confirma que la mezcla gaseosa de ozono humedecida, previamente a la entrada del reactor, favorece el proceso de blanqueo con ozono en este tipo de tejido. Pudiera considerarse que, el valor seleccionado, 30 % de contenido de agua del tejido no fuera suficiente y que la introducción del gas humedecido, durante el proceso, incrementó o mantuvo el contenido de agua en el tejido favoreciendo el blanqueo. Por lo que, se recomienda mantener un burbujeador de gas a la entrada del reactor y el ajuste adecuado del contenido de agua del tejido antes del blanqueo. Las muestras ozonizadas presentaron diferencias estadísticamente significativas (con un nivel del 95,0 % de confianza), lo que indicó el efecto de la humedad en el flujo de gas a la entrada del reactor en el GP (Figura 5), igualmente difieren respecto a la muestra patrón.
Fig. 5 Comparación del GP entre muestras ozonizadas y patrón. Flujo de gas seco (Fg S) y humedecido (Fg H) para 10 y 15 min de ozonización. Nota: Existe diferencia estadísticamente significativa entre aquellos niveles que no comparten una misma columna X's.
En este sentido, (Paksoy et al. 2021) investigaron la ozonización de tejido 100 % algodón bajo diferentes condiciones. Los resultados indicaron que el mejor efecto de blanqueo se obtuvo en la ozonización en fase acuosa, seguida de en fase gaseosa con las muestras previamente humedecidas (pH 6), no siendo favorable con las muestras secas. Perinçek et al. (2007, 2009) también resaltaron que el empleo del ozono es factible en el blanqueo de tejidos de algodón en poco tiempo si el contenido de agua del tejido era del 60 % y el pH 7. Prabaharan y Venkata Rao (2003) destacaron que solo en presencia de agua el ozono puede actuar como agente blanqueador eficaz. Turhan et al. (2018), Bahtiyari y Belin (2016) también reportaron el efecto del contenido de agua del tejido de algodón en el blanqueo con ozono.
Efecto de la concentración de ozono en el gas y el tiempo de exposición
Evaluación del grado de blanco (GB): Las ozonizaciones se realizaron con muestras de tejido crudo y bajo una atmósfera húmeda. Se tomó como patrón el blanqueo para teñido con peróxido de hidrogeno de la Empresa de Toallas Hilatex con los intervalos de GB planteados anteriormente. En la Tabla 5 se observa que las muestras 13 y 14 tratadas con concentración de 80 mg L-1 presentan, respectivamente, un GB de 5-25 útil para teñir tonos medios a oscuros y GB: 50 adecuada para el teñido de tonos pasteles. Este resultado indicó una mejora respecto al blanqueo con el tiempo de exposición. Sin embargo, hay un aumento de la degradación, siendo mayor en la muestra 14.
En las muestras 15 y 16, con 60 mg L-1 de ozono, se observó similar comportamiento del GB con el incremento del tiempo. Se apreció una mayor degradación de la muestra 16. La muestra 17 tratada con 40 mg L-1 de ozono para 10 min de exposición solo alcanzó un GB: 5 unidades. Por otro lado, el tratamiento durante 15 min indicó un GB ligeramente menor del obtenido bajo las concentraciones de ozono más altas, resultando útil para tonos medios y oscuros. En la Figura 6 se presentan los tejidos ozonizados bajo las diferentes condiciones experimentales.
Evaluación de la degradación (GP): Los mejores resultados de GP se obtuvieron para un tiempo de 10 min (muestras 13, 15, 17) comparándolo con el tratamiento de 15 min. Se observó que para 10 min con 60 y 80 mg L-1 el valor del GP es mayor de 1800 unidades. Mientras para 40 mg L-1 con 10 min el GP es de 2557 similar al blanqueo con peróxido de hidrógeno (GP: 2657), pero solo alcanza un GB: 5 unidades y para 15 min incrementa el blanqueo con un valor del GP cercano a 1800 unidades (muestra 18). Las muestras ozonizadas presentaron diferencias estadísticamente significativas (con un nivel del 95,0 % de confianza), lo que indicó el efecto en el GP de la concentración de ozono en el gas y el tiempo de exposición (Figura 7), igualmente difieren respecto a la muestra patrón.
Tabla 5 Efecto de la concentración de ozono en el gas y el tiempo de exposición en el blanqueo con ozono de muestras de toallas de tejido de fibra de felpa 100 % de algodón.
Los resultados de GP se expresan como valores promedios ± desviación estándar (X ± DS)
Fig. 6 Blanqueo con ozono de muestras de toallas de tejido, de fibra de felpa, 100 % de algodón a diferentes concentraciones de ozono en el gas y tiempos de exposición.
Fig.7. Comparación del GP entre las muestras ozonizadas diferentes concentraciones de ozono en el gas para tiempos de ozonización (10 y 15 min) y la muestra patrón. Nota: Existe diferencia estadísticamente significativa entre aquellos niveles que no comparten una misma columna X's.
El efecto de las variables aplicadas, concentración de ozono en el gas y tiempo de ozonización, en el grado de polimerización (GP) fue comprobado estadísticamente con el diseño experimental. Se obtuvo una diferencia significativa del efecto del incremento de ambas variables en el incremento del GP, siendo la variable tiempo la que presenta un mayor efecto (Figura 8). A partir de la simplificación del modelo más general se obtuvo el resultado siguiente:
GP = 344.33 - 34.18*CO3g - 143.80*Tiempo - 3.386*CO3g*Tiempo R2: 99.9 %
Fig. 8 Evaluación del efecto en el grado de polimerización (GP) debido a las variables concentración de ozono en el gas (A) y tiempo de ozonización (B). Interacciones (AB).
En resumen, en el Experimento II, muestras crudas ozonizadas aplicando gas húmedo, todas arrojaron valores de GP menores que las muestras de tejido blanqueado con peróxido de hidrógeno (GP: 2657 unidades), aunque con menos degradación del tejido respecto a los resultados del Experimento I. Las mejores variantes resultaron para 10 min con concentración de ozono en el gas de 80 y 60 mg L-1, que se corresponden con las muestras de tejido 13 y 15, respectivamente. Teniendo en cuenta, el factor económico se seleccionó como propuesta para el escalado de la aplicación tecnológica de blanqueo de este tipo de tejido, para teñir de tonos medios a tonos oscuros en sus valores iniciales, la condición de 60 mg L-1 durante 10 min de ozonización (muestra 15). Se recomienda mantener el pH 5, temperatura ambiente y contenido de humedad del tejido a tratar de un 30 %, así como garantizar la entrada del flujo de gas humedecido.
Los resultados se corresponden con los obtenidos por otros autores. Prabaharan y Venkata Rao (2003) indicaron que el blanqueo con ozono depende de la concentración de ozono en el gas, el tiempo de exposición, el pH y la cantidad de agua del tejido. Reportaron que los daños mecánicos y físicos de la celulosa incrementan con un aumento de la concentración y el tiempo, siendo este último un factor más significativo. Estos autores plantean, además, que con alta concentración de ozono en el gas y tiempos cortos se obtienen resultados similares al método convencional (desencolado-descrudado, peróxido de hidrogeno) para tintura en colores de tonos medio a oscuros. El empleo de tiempos cortos permite minimizar los efectos mecánicos, químicos y daños a la celulosa. Por otra parte, Arooj et al. (2014) analizaron el efecto del blanqueo con ozono de la tela de algodón y optimizaron los parámetros del proceso (pH, temperatura, dosis de ozono y tiempo de tratamiento). Obtuvieron mejor GB y calidad de tejido blanqueado a pH 5 y temperatura ambiente. La efectividad por debajo de pH 5 no resultó significativa.
Aspectos generales a considerar
-Aplicando el blanqueo con ozono de tejido de fibras de felpa 100 % de algodón (toallas), a temperatura ambiente y tiempos de tratamiento cortos, se pueden alcanzar GB aceptables para teñir, consumiendo pequeñas cantidades de agua, con mucho menor consumo de energía y reactivos, respecto al blanqueo convencional. Sin embargo, es necesario estudiar sistemas de protección del daño químico producido en el tejido de algodón, así como posibles sinergias obtenidas entre la ozonización en fase gaseosa y otros procesos, incorporación de algún aditivo y ajuste de condiciones de operación a partir de los resultados obtenidos en este estudio.
-Se recomienda realizar una prueba a escala piloto y ajustar condiciones de operación antes de la implementación industrial, teniendo en cuenta las condiciones experimentales y resultados a escala de laboratorio y piloto. Así como, determinar la disminución de costos de operación al ahorrar energía, tiempo, agua y peróxido de hidrógeno entre otros productos, y su impacto en la sustitución de importaciones y la protección del medio ambiente.
-Proponer una tecnología con empleo del ozono como blanqueador de tejidos de fibras de felpa 100 % de algodón. La Figura 9 presenta un esquema de la propuesta tecnológica. La longitud del reactor, el número de difusores de gas y el número de rodillos estará en función de la velocidad de los mismos para dar al tejido el tiempo de exposición requerido. Se recomienda evaluar el equipamiento necesario, el empleo de un burbujeador de gas antes de la entrada al reactor y de un concentrador de oxígeno, a partir de aire atmosférico, como fuente de alimentación del equipo ozonizador.
CONCLUSIONES
Bajo las condiciones experimentales evaluadas se lograron GB para teñir muestras de toallas, de tejido de fibra de felpa 100 % de algodón, similares al proceso convencional de blanqueo (desencolado-descrudado, peróxido de hidrógeno), pero con menores valores de GP. Aplicando la mezcla gaseosa sin humedecer el tejido pretratado ozonizado presentó mayor GB y menor GP respecto al tejido crudo ozonizado. El GB resultó comparable al proceso convencional para teñir tonos pasteles y tonos pasteles a medios, con tiempos de ozonización de hasta 10 min, aunque con cierto grado de degradación, por debajo del valor requerido. Mientras, el blanqueo con ozono del tejido crudo resultó útil para tonos medios y oscuros con una degradación similar. Sin embargo, el tejido crudo ozonizado aplicando la mezcla gaseosa humedecida alcanzó un GB comparable con el proceso convencional, para teñir de tonos medios a oscuros, con 10 min de exposición y arrojando valores de GP mayores del requerido. Lo que indica que el contenido de humedad en la mezcla gaseosa de entrada al reactor mejora significativamente el proceso. El proceso de blanqueo con ozono se favorece al incrementar el tiempo de exposición y la concentración en el gas. No obstante, teniendo en cuenta los valores requeridos de GB y el GP se recomienda la aplicación de tiempos cortos. Se propone la condición: 60 mg L-1 durante 10 min (contenido de agua del tejido: 30 % y pH 5). El lavado del tejido con agua potable inmediatamente después de la ozonización favorece el blanqueo, no así el incremento del flujo de gas. Bajo las condiciones experimentales evaluadas no se observó un efecto en la hidrofilidad. Se realizó una propuesta tecnológica con especificaciones técnicas.
