Ultrafiltration of pulp mill bleaching effluents

Main objective of this research was to find suitable polymeric ultrafiltration membranes with high retentions, good capacities and low fouling tendencies for the E2- and EP-effluent ultrafiltration. Purpose was to treat alkaline bleaching effluents with ultrafiltration in a way that permeates of the filtrations could be recycled back to process and the consumption of fresh water in the pulp mill could be reduced significantly. In the theoretical part of this work the challenges set by the pulp and paper indus-try processes for membranes were examined. An overview of the membrane tech-nology in the pulp industry was also provided. In addition process conditions in the chemical pulp bleaching and properties of bleaching effluents were discussed in literature study. In experimental part the E2- and EP-stage bleaching effluents from Stora Enso Imatra kraft pulp mill were ultrafiltered with CR250- and CR200-filters. Suitable membranes for ultrafiltration were chosen after screening experiments. Concentra-tion experiment was made for the E2-effluent in order to estimate water saving potential. The E2-effluent was finally ultrafiltered in the pulp mill in order to test the feasibility of ultrafiltration in a real industrial environment. Good membrane for the EP-effluent ultrafiltration based on the EP-screening ex-periments was polyethersulfone membrane UP020 with cut-off value of 20 000 Da. Polysulfone membrane UFX05 with cut-off value of 5 000 Da was promising membrane for the ultrafiltration of the E2-effluent. Based on the concentration filtration of the E2-effluent with UFX05 membrane the water saving potential could be 2.2 m3/Adt for the industrial scale ultrafiltration process. Retention re-sults, such as average COD retention of 60 %, from the trial filtration at the pulp mill with UFX05 membrane were modest compared to the screening experiments, where average COD retention was 75 %. Therefore tighter ultrafiltration mem-branes should be tested for the ultrafiltration of the E2-effluent. The UP020 mem-brane seemed to be suitable for the ultrafiltration of the EP-effluent however con-centration and pilot scale ultrafiltration experiments are needed to verify this.

Työn tavoitteena oli löytää sopivat polymeerimembraanit E2- ja EP-suodoksen ultrasuodatukseen. Membraanien toimintaa arvioitaessa kriteereinä käytettiin ero-tustehokkuutta, suodatuskapasiteettia ja likaantumistaipumusta. Ultrasuodatuksen avulla on tarkoitus sulkea valkaisun vesikiertoja ja näin vähentää merkittävästi tehtaan tuoreveden käyttöä. Työn kirjallisessa osassa perehdyttiin sellu- ja paperiteollisuuden prosessien membraaneille aiheuttamiin vaatimuksiin ja luotiin katsaus selluteollisuudelle potentiaalisiin membraanisuodatusprosesseihin. Lisäksi kirjallisessa osassa tarkas-teltiin sellun valkaisun prosessiolosuhteita sekä valkaisusuodosten ominaisuuksia. Kokeellisessa osassa Stora Enson Kaukopään sellutehtaan havulinjan E2- ja EP-suodoksia ultrasuodatettiin CR250- ja CR200-suodattimilla. Sopivat membraanit ultrasuodatukseen valittiin suodoksille tehtyjen seulontakokeiden avulla. Lisäksi mahdollisen vedensäästöpotentiaalin selvittämiseksi E2-suodokselle tehtiin kon-sentrointikoe seulontakokeissa valitulla membraanilla. Lopuksi E2-suodosta suo-datettiin tehtaalla 3 viikkoa, jotta ultrasuodatuksen toimivuutta todellisissa proses-siolosuhteissa pystyttiin arvioimaan. EP-suodoksen seulontakokeiden perusteella 20 000 Da:n polyeetterisulfoni mem-braani UP020 oli lupaava EP-suodoksen ultrasuodatukseen. E2-suodoksilla tehty-jen seulontakokeiden perusteella 5 000 Da:n katkaisukoon polysulfoni membraani UFX05 vaikutti lupaavalta membraanilta E2-suodoksen ultrasuodatukseen. UFX05 membraanilla tehdyn konsentrointikokeen perusteella UFX05 ja UP020 membraania hyödyntävän teollisen mittakaavan ultrasuodatusprosessin avulla voitaisiin saavuttaa 2.2 m3/Adt tuorevedensäästö valkaisussa. Retentiotulokset, kuten COD-retentio 60 %, tehdassuodatuksessa UFX05 membraanilla olivat al-haisia verrattuna seulontakokeisiin, jossa COD-retentio oli 75 %. Täten tiukempia membraaneja tulisi testata E2-suodoksen ultrasuodatukseen. UP020 membraanin soveltuvuus EP-suodoksen ultrasuodatukseen tulisi varmistaa konsentrointisuoda-tuksella ja pitkäkestoisella pilot mittakaavan suodatuksella.