El lignosulfonato sódico es un subproducto del proceso de fabricación de pasta con sulfito. Es el derivado de la lignina más comercializado en el mundo, y representa más del 90% del mercado de la lignina. Es un polvo o líquido marrón con una excelente solubilidad en agua y se utiliza ampliamente en varias industrias, como la construcción, la agricultura y la minería.
Para explorar la posibilidad de sustituir a los actuales productos químicos sintéticos, se está investigando su potencial para el desarrollo sostenible. A continuación se explicarán los conocimientos básicos y las aplicaciones industriales.
1. ¿Qué es el lignosulfonato sódico?
El lignosulfonato sódico (fórmula química C2OH24Na2O1OS2, número de registro CAS 8061-51-6) es un tipo de polímero polielectrolítico aniónico. Su peso molecular oscila entre 1.000 y 140.000 Da, lo que depende de las fuentes de madera y de las condiciones de procesado. Se presenta como un polvo o líquido de color marrón a negro, cuya viscosidad aumenta con la concentración. Sirve principalmente como dispersante, aglutinante y emulsionante.
El grupo sulfo (-SO3一) tiene carga negativa; puede adsorberse en la superficie de una partícula con carga positiva, lo que puede impedir la agregación de partículas. Este es el principio de funcionamiento de su función como dispersante, y es también el fundamento químico de la aplicación general en industrias como el hormigón, la cerámica y la minería.
La lignina ordinaria no es soluble en agua, y el lignosulfonato sódico se vuelve soluble en agua gracias a la adición del grupo sulfo. Amplía enormemente el ámbito de aplicación debido a la comodidad y al uso sin disolventes.
2. ¿De dónde procede el lignosulfonato de sodio?
El lignosulfonato de sodio procede de la solución residual del proceso de fabricación de pasta con sulfito. Tras el procesamiento a alta temperatura y alta presión por parte de la fábrica de papel utilizando ácido sulfuroso y sulfito, se extrae la celulosa de la madera y queda una gran cantidad de lignosulfonato sódico en la solución residual. El producto final puede fabricarse tras su concentración y purificación. Las materias primas son principalmente maderas blandas (como el abeto y el pino) y maderas duras, y con ellas se fabrican anualmente unos 7 millones de toneladas de lignosulfonato sódico.
Además del lignosulfonato sódico, en la solución residual también quedan hemicelulosa, azúcares y otras materias orgánicas. La fábrica moderna extraerá etanol y cultivará levadura a partir de la solución de residuos, lo que permitirá aprovechar al máximo la solución de residuos y conseguir un nivel cero de residuos.
China es el mayor productor mundial de lignosulfonato sódico. La principal materia prima es la solución residual de una fábrica de papel, aunque algunas fábricas también pueden producir a partir de Lignina Kraft mediante el método de postsulfonación, debido a la gran demanda del mercado.
3. ¿Quién inventó el lignosulfonato de sodio?
Un estadounidense llamado Benjamin Tilghman solicitó la patente de un proceso de fabricación de pasta de papel con sulfito en Filadelfia (EE.UU.) en 1867. Se dice que la inspiración le vino de la observación del ablandamiento de la madera después de remojarla en agua sulfurosa. Este descubrimiento sentó las bases de la moderna industria del papel y la pasta de papel al sulfito.
En 1874, un ingeniero químico sueco llamado Carl Daniel Ekman comercializó esta tecnología, con la creación de la primera fábrica de papel sulfito. El lignosulfonato de sodio, como subproducto de esta tecnología, se trata como residuo que se vierte directamente y contamina los ríos.
Los investigadores empezaron a investigar el valor comercial de la solución residual hasta el siglo XX. Debido al endurecimiento de la normativa medioambiental, las fábricas se ven obligadas a encontrar una forma de tratar la solución residual, lo que resulta descubrir la aplicación general del Lignosulfonato Sódico.
4. Tipos de lignosulfonato sódico
El lignosulfonato puede combinarse con diferentes cationes, como sodio (Na⁺), calcio (Ca2⁺), magnesio (Mg²⁺) o amonio (NH₄⁺). El lignosulfonato sódico es una combinación de lignosulfonato y sodio. Es común verlo en el mercado con una excelente solubilidad en agua y una amplia gama de aplicaciones. La solubilidad en agua del lignosulfonato de calcio es menor, pero su coste es relativamente razonable. El lignosulfonato de magnesio se utiliza para ciertos fines específicos.
Cuando el lignosulfonato de sodio se clasifica por forma física, el polvo seco representó aproximadamente 58% de la producción mundial en 2024. Su principal aplicación es el aditivo para hormigón. La forma líquida representó 42%, y se utiliza principalmente en la alimentación animal agrícola. Cuando el lignosulfonato de sodio se clasifica por pureza, el grado estándar se utiliza en la construcción y la agricultura, y el grado refinado se utiliza en la alimentación animal y la industria alimentaria, mientras que los grados de alta pureza se utilizan en productos farmacéuticos y química fina.
Es notable prestar atención al contenido de humedad, el valor de pH (normalmente 8-11) y el contenido de azúcar reductor del polvo seco durante la adquisición, ya que estos indicadores afectan al rendimiento de la aplicación del hormigón. Las especificaciones del producto pueden variar significativamente de un proveedor a otro, por lo que se recomienda solicitar una ficha técnica completa.
5. ¿Cómo se produce el lignosulfonato sódico?
El proceso de fabricación consta de varias fases:
Las astillas de madera se colocan en un digestor empapado con una solución de ácido sulfuroso en condiciones de 130-160°C y pH 1,5-5 durante 4-14 horas. |
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La lignina se está sulfonando, y los grupos hidrófilos del ácido sulfónico se inducen y se vuelven solubles en agua. |
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La solución residual que contiene 50-60% de sólidos secos de Lignosulfonato se procesa mediante concentración evaporativa, ultrafiltración y purificación por intercambio iónico. |
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El producto final en polvo se obtiene tras el secado por atomización. |
La clave de toda la producción es el proceso de sulfonación, que convierte la Lignina hidrófoba en hidrófila, y es la fuente fundamental de todas las funciones del Lignosulfonato de Sodio.
Algunas fábricas pueden aplicar el proceso de sulfonación a la lignina kraft, haciendo reaccionar formaldehído con sulfito sódico a altas temperaturas. Puede producir productos con estructuras ligeramente diferentes pero funciones similares. Este método adquiere cada vez más importancia, ya que la disponibilidad mundial de Lignina Kraft supera con creces la del proceso con sulfito.
6. Aplicaciones del lignosulfonato sódico
El principal uso del lignosulfonato sódico es la industria de la construcción, que representa 40% del consumo mundial. Como agente reductor de agua para el hormigón, el lignosulfonato sódico puede reducir el consumo de agua en 12%. Puede mejorar la resistencia y la durabilidad, y también retrasar el tiempo de fraguado. En 2024, este aditivo se utilizará en unos 220 millones de toneladas de hormigón. Aparte de la industria de la construcción, la agricultura representa unas 25%, mientras que 20% de lignosulfonato sódico se utilizan en metales y minería.
En el ámbito de la agricultura, el lignosulfonato sódico se utiliza como aglutinante de gránulos para piensos, acondicionador del suelo y agente fertilizante de liberación lenta. En el sector metalúrgico y minero, se utiliza como aglutinante de polvos minerales y aditivo de fluidos de perforación. Además, los productos refinados de lignosulfonato sódico están aprobados por la FDA para su uso en materiales en contacto con alimentos y piensos.
También se están desarrollando rápidamente nuevas aplicaciones. El lignosulfonato sódico se está investigando actualmente como aditivo para electrodos en la industria de las baterías de plomo-ácido, que puede mejorar el rendimiento de carga y descarga. También puede utilizarse como adsorbente de metales pesados en el tratamiento de aguas residuales, lo que permite eliminar metales pesados como el plomo o el cadmio de las aguas residuales a un coste relativamente bajo.
7. Ventajas del lignosulfonato sódico
Comparado con el reductor de agua sintético, como el superplastificante de policarboxilato (PCE), el coste del lignosulfonato sódico es de aproximadamente $50 por tonelada, que es sólo una décima parte del del PCE. El rendimiento es más que suficiente para la construcción en general. El reductor de agua sintético sólo es necesario en edificios de gran altura o en hormigón de alto rendimiento.
Otras ventajas son su excelente solubilidad en agua y su comodidad de uso. Además, es respetuoso con el medio ambiente por ser biodegradable y renovable, ya que es un subproducto de las fábricas de papel. El lignosulfonato sódico también es multifuncional, ya que puede aplicarse en múltiples industrias. Puede utilizarse como conservante por sus propiedades antibacterianas naturales.
Una de las limitaciones del lignosulfonato sódico es que no es adecuado para productos blancos o de color claro debido a su aspecto entre parduzco y negruzco. El contenido de azufre de aproximadamente 5% también hace que el producto no sea adecuado para ciertas aplicaciones de alta gama (como los usos farmacéuticos). Esto explica por qué la lignina Organosolv, más costosa, sigue siendo demandada por su gran pureza.
8. Por qué el lignosulfonato sódico es importante para la sostenibilidad
En la producción anual de Lignosulfonato Sódico en una fábrica de papel, la parte de utilización comercial equivale a transformar residuos en valiosas materias primas. La sustitución de productos químicos sintéticos por cada tonelada de Lignosulfonato Sódico puede reducir aproximadamente 1,5 toneladas de emisiones de CO2.
La sustitución de los aditivos sintéticos por el lignosulfonato sódico se ve facilitada por el Registro, Evaluación, Autorización y Restricción de Sustancias y Preparados Químicos (REACH) y la Certificación de Productos de Materiales de Construcción Ecológicos de China. La dirección política es beneficiosa para el desarrollo a largo plazo de la industria debido a la creciente demanda de materiales de base biológica en todo el mundo. El mercado mundial fue de aproximadamente 4.600 millones de RMB (yuanes chinos) en 2024 y, con un crecimiento estable, se espera que alcance los 5.000 millones en 2030.
9. Preguntas frecuentes sobre el lignosulfonato sódico
P: ¿Cuál es la diferencia entre lignosulfonato sódico y lignosulfonato? R: Lignosulfonato es el término común, y puede consistir en diferentes cationes como calcio , magnesio o amonio . Lignosulfonato de sodio se refiere específicamente al tipo que contiene iones de sodio, que es el tipo más comúnmente visto en el mercado, con una excelente solubilidad en agua. |
P: ¿Cuál es la reacción específica del lignosulfonato de sodio y el cemento? R: El grupo Sulfo se adsorbe en la superficie de las partículas de cemento e impide la agregación de partículas, lo que puede hacer que la lechada de cemento sea más fluida, reducir el consumo de agua y aumentar la resistencia final. |
P: ¿Puede el lignosulfonato sódico sustituir completamente al reductor de agua sintético? R: El lignosulfonato sódico puede sustituir al reductor de agua sintético en la construcción general. Sin embargo, en la construcción de edificios de gran altura o de hormigón de alto rendimiento, se sigue prefiriendo el reductor de agua sintético, como el superplastificante de policarboxilato (PCE), debido a su mayor tasa de reducción de agua. |
P: ¿Es seguro el lignosulfonato sódico? R: Los productos refinados de lignosulfonato sódico están aprobados por la FDA para su uso en materiales en contacto con alimentos y piensos. El Lignosulfonato de Sodio de grado industrial también está clasificado como de baja toxicidad, con solo una protección básica en la operación diaria. |
P: ¿Cuál es la vida útil del lignosulfonato sódico? R: El polvo seco puede almacenarse durante dos años en condiciones secas y selladas, y el tipo líquido puede almacenarse durante 6-12 meses. Es esencial evitar las altas temperaturas y la luz solar directa. |
P: ¿Dónde están los principales proveedores? R: Los principales proveedores se encuentran en China, como Kingsun Chemicals y Shenyang Xingzhenghe. Se recomienda solicitar una hoja de datos técnicos (TDS) cumplimentada y un informe de pruebas de terceros durante la adquisición. |
