Kalvoerotusprosessin esikäsittely

Työn tavoitteena oli tutkia kiertoveden puhdistamiseen käytetyn kalvosuodatuksen esikäsittelymenetelmien vaikutusta ultrasuodatukseen. Suodatettava vesi oli kierrätyskuitua käyttävän paperikoneen kiekkosuotimen kirkassuodosta. Koeajon loppuosassa käytettiin biokirkassuodosta. Paperitehtaassa oli suljettu vesikierto. Pilot-laitteistona käytettiin Metso PaperChemin OptiFilter CR550/40 ultrasuodatusyksikköä. Testatut kalvot olivat C30 kalvoja. Suodatuksissa seurattiin esikäsittelymenetelmien vaikutusta permeaatin määrään ja laatuun. Ultrasuodatus tehtiin sekä ilman esikäsittelyä että lamelliselkeytin esikäsittelynä. Esikäsittelykemikaalina käytettiin talkkia. Ultrasuodatuksissa havaittiin, että suodatuslämpötilalla oli suora vaikutus kapasiteettiin. Lämpötila vaikutti lineaarisesti kirkassuodoksen ja biokirkassuodoksen permeaattivuohon. Lämpötila nostettiin 55oC:een suodatuslämpötilasta 35 – 40oC. Korkeassa lämpötilassa kirkassuodos oli kapasiteetiltaan suurempi kuin biokirkassuodos. Konsentrointiajoista nähtiin, että ultrasuodatuksen syötön konsentraatioaste vaikutti kirkassuodoksen permeaattivuohon. Syötön konsentraatioastetta lisättäessä kapasiteetti laski. Konsentrointiajoja vertailtaessa havaitaan, että ilman esikäsittelyä vuo laski konsentroitaessa nopeammin kuin suodatuksissa, joissa käytettiin esikäsittelyä. Lamelliselkeyttimellä ja talkilla esikäsitelty suodatus laski kapasiteettia vähiten. Konsentraatioasteen nostaminen lisäsi konsentraatin kemiallista hapenkulutusta. Konsentraatin viskositeetti nousi konsentraatioastetta lisättäessä. Analyysitulosten perusteella saadaan ultrasuodatuskalvoille tyypilliset reduktiot. COD-reduktio oli 10 – 30 %, anionisuuden 40 – 70 % ja värin 80 – 90 %. Vuon kanssa korreloivat pH, uuteaine, ligniini, viskositeetti ja hemiselluloosat.

Suodatuskalvojen toimivuuden arviointi paperiteollisuuden sovelluksissa

Työn tavoitteena oli etsiä vaihtoehtoja paperiteollisuuden kiertovesien ja pastapitoisten jätevesien suodatusprosesseissa tällä hetkellä käytössä oleville kalvoille. Työssä pyrittiin myös määrittämään tekijöitä, joiden avulla voitaisiin ennustaa polymeerikalvon käyttäytymistä erilaisissa paperiteollisuuden kalvosovelluksissa. Työn kirjallisessa osassa tarkasteltiin polymeerikalvojen ominaisuuksia, jotka vaikuttavat kalvojen käyttäytymiseen suodatusprosesseissa. Työssä esiteltiin myös tavallisimmat kalvomateriaalit ja polymeerikalvojen valmistustavat sekä paperiteollisuuden kalvosovelluksia. Paperiteollisuuden kalvosuodatussovellukset eroavat toisistaan huomattavasti toimintaolosuhteiltaan ja käyttötarkoituksiltaan. Tästä johtuen on hankalaa löytää yhteisiä tekijöitä, joiden perusteella voitaisiin ennustaa kalvon käyttäytymistä eri sovelluksissa. Kalvon hydrofiilisyyden todettiin kuitenkin vaikuttavan positiivisesti suodatustapahtumaan useissa sovelluksissa. Kokeellisessa osassa verrattiin erilaisten polymeerikalvojen ja referenssikalvojen toimintaa happaman kirkkaan suodoksen ja pastapitoisen veden suodatuksessa. Kirkkaan suodoksen suodatuskokeet tehtiin UPM-Kymmene Oy:n Kaukaan tehtailla. Pastapitoista jätevettä mallinnettiin syöttöpanoksilla, jotka tehtiin laimentamalla CTC:n valmistamaa LWC-pastaa. Suodatukset tehtiin CR 200/1- ja CR 550/10 -suodattimilla. Kirkkaan suodoksen suodatuksissa käytettiin referenssikalvona regeneroidusta selluloosasta ja pastapitoisen veden suodatuksessa aromaattisesta polyamidista valmistettua kalvoa. Kirkkaan suodoksen koesuodatusten perusteella todettiin, ettei minkään vertailtavan ultrasuodatuskalvon suodatuskapasiteetti ollut yhtä korkea kuin referenssikalvon. Referenssikalvon toiminta suodatuksessa oli myös vakaata syötön laadun muutoksista huolimatta. Todennäköisesti referenssikalvon erittäin hydrofiilinen luonne tekee siitä vertailtavia kalvoja sopivamman kirkkaan suodoksen suodatukseen. Pastapitoisen veden suodatustulosten perusteella referenssikalvolle löytyi useita potentiaalisia korvaajia. Näistä parhaan kalvon valitseminen edellyttää kuitenkin jatkotutkimuksia. SEM-analyysituloksista huomattiin, että tietyntyyppinen kalvorakenne parantaa kalvon toimintaa pastapitoisen veden suodatuksessa.

Kalvosuodatusprosessin tehostaminen paperiteollisuuden sovelluksissa

Tässä diplomityössä tutkittiin kalvosuodatuksen esikäsittelymenetelmiä ja kalvonpesua. Työn kirjallisuusosassa käsitellään vuon alenemiseen vaikuttavia tekijöitä, esikäsittelymenetelmiä ja kalvonpesua. Kokeellisessa osassa tutkittiin kemiallisten esikäsittelyjen vaikutusta vuon alenemiseen paperitehtaan happaman kiertoveden kirkkaan suodoksen kalvosuodatuksessa. Esikäsittelykemikaalit olivat ympäristöystävällisiä ja paperinvalmistusprosessiin soveltuvia. Lisäksi tutkittiin kalvonpesuaineiden pesutehokkuuksia. Tutkitut esikäsittelyaineet olivat mikrokiteinen kitosaani, karboksimetyyliselluloosa, selluloosa- ja puukuitu sekä kaupallinen antiskalantti. Pesuaineista tutkittiin kolmea kaupallista kalvonpesuainetta, yhtä kalvopesun tehostusainetta sekä peretikkahappoa. Kokeet tehtiin kahdella laboratoriomittakaavaisella kalvosuodattimella. Kalvoina käytettiin kahta nanosuodatus- ja yhtä ultrasuodatuskalvoa. Vuon alenemista tutkittiin suodatuksen aikaisena alenemisena ja vesivuohon verrattavana alenemisena. Esikäsittelyjen vaikutusta erotustehokkuuteen tutkittiin ioni-, johtokyky-, orgaanisen hiilen kokonaispitoisuus-, sokeri-, sameus- ja ligniinireduktioilla. Lisäksi määritettiin kalvon likaantuminen suodatuksen aikana vesivuon määrityksillä ennen ja jälkeen suodatuksen. Pesutehokkuus määritettiin vesivuon määrityksillä suodatuksen jälkeen ja pesun jälkeen. Kitosaani- ja karboksimetyyliselluloosakäsittelyillä oli vuon alenemista estävä vaikutus hydrofiilisellä nanosuodatuskalvolla suodatettaessa. Kitosaanikäsittelyn 5 g/dm3:n ja karboksimetyyliselluloosakäsittelyn 2 g/ dm3:n annostuksella vuot alentuivat suodatuksen aikana 8 %-yksikköä vähemmän kuin ilman esikäsittelyä. Puukuitukäsittely stabiloi 0,1 g/dm3:n annostuksella saman kalvon vuota, kun kiintoainetta ei poistettu syötöstä. Hydrofobisen nanosuodatuskalvon vuon alenemista ehkäisivät puu- ja selluloosakuitukäsittelyt sekä karboksimetyyliselluloosakäsittely. Karboksimetyyliselluloosakäsittely vähensi vuon alenemista 25 %-yksikköä ja puukuitukäsittely 13 %-yksikköä. Hydrofiilisellä ultrasuodatuskalvolla vuon aleneminen oli pientä ilman esikäsittelyä. Reduktioihin esikäsittelyt vaikuttivat parhaiten ultrasuodatuskalvolla. Kitosaanikäsittely nosti 1 g/dm3:n annostuksella alumiinireduktion 50 %:sta 96 %:iin ja 5 g/dm3:n annostuksella rautareduktion 30 %:sta 55 %:iin. Karboksyylimetyyliselluloosakäsittelyt vaikuttivat parantavasti mangaanin, magnesiumin, raudan ja kalsiumin reduktioihin. Optimi karboksyylimetyyliselluloosa-annostus oli 2 g/dm3. Merkittävin reduktion nousu oli kalsiumilla, jonka reduktio nousi esikäsittelyllä 4 %:sta 57 %:iin. Reduktiota nostava mekanismi oli kalvon pinnalle muodostuva sekundaarikerros. Pesuaineista tehokkain oli entsyymiä sisältävä kalvonpesuaine. Suurin vaikutus sillä oli hydrofobisen nanosuodatuskalvon pesussa. Optimiannostuksella (0,5 %) kalvon vesivuo pesun jälkeen oli 114 % pesua edeltäneestä vesivuosta. Muut kaupalliset pesuaneet oli tehokkaita hydrofiilisille kalvoille. Peretikkahappo oli yksittäisenä pesuaineena heikkotehoinen.

Polymeerien erotus ultrasuodatuksella

Työssä selvitettiin suodatusolosuhteiden vaikutusta neutraalien polymeerien pidättymiseen niiden vesiliuoksia suodatettaessa. Suodatuksissa käytettiin kahta regeneroidusta selluloosasta valmistettua ultrasuodatuskalvoa (Microdyn-Nadir UC 030T ja JSC STC Vladipor C 30V). Malliaineina käytettiin polyetyleeniglykolia ja dekstraania. Kirjallisuusosassa esiteltiin aluksi lyhyesti ultrasuodatus erotusmenetelmänä. Lisäksi käsiteltiin ultrasuodatuskalvojen huokoskoon karakterisointimenetelmiä ja selvitettiin polymeerien erottumiseen ultrasuodatuksen aikana vaikuttavia tekijöitä. Työn kokeellisessa osassa tutkittiin paineen ja virtausnopeuden vaikutusta malliaineiden pidättymiseen ultrasuodatuskalvoilla. Lisäksi pyrittiin löytämään suodatusolosuhteet, joissa toinen aineista läpäisisi suodatuskalvon lähes täydellisesti toisen konsentroituessa syöttöliuokseen. Työssä myös määritettiin tutkimuksissa käytetyille kalvoille katkaisukoko, joka kuvaa kalvon kykyä pidättää moolimassaltaan erikokoisia molekyylejä. Lisäksi kokeellisessa osassa selvitettiin työssä käytettyjen kalvojen tasalaatuisuutta vertailemalla keskenään samanlaisissa suodatusolosuhteissa eri kalvopaloilla tehtyjen suodatusten tuloksia. Työssä saatiin erotettua kaksi lähes samankokoista malliaineeksi valittua neutraalia polymeeriä toisistaan siten, että toinen aine pidättyi kalvolla huomattavasti toista ainetta paremmin. Parhaimpaan erotustulokseen päästiin, kun permeaattivuo kalvon läpi oli noin 400 l/(m2 h). Tällöin suodatuspaine oli noin 2 bar ja virtausnopeus alle 2 m/s. Työn aikana määritettyjen katkaisukokojen havaittiin poikkeavan huomattavasti kalvojen valmistajien ilmoittamista arvoista, mutta olevan kuitenkin samaa suuruusluokkaa kuin muiden tutkimusryhmien vastaaville ultrasuodatuskalvoille esittämät arvot. Työn tulosten perusteella C 30V olisi hieman tasalaatuisempi kalvo kuin UC 030T.

Recovery of Hemicelluloses from Wood Hydrolysates by Membrane Filtration

Hemicelluloses are among the most important natural resources that contain polysaccharides. In this study the separation and purification of hemicelluloses from water extraction liquors containing wood hemicelluloses, lignin compounds and monosaccharide by using membrane filtration was investigated. The isolation of the hemicelluloses from the wood hydrolysates was performed in two steps: concentration of high molar mass hemicelluloses by ultrafiltration and separation of low molar mass hemicelluloses from monomeric sugars using tight ultrafiltration membranes. The purification of the retained hemicelluloses was performed by diafiltration. During the filtration experiments, the permeate flux through ultrafiltration and tight ultrafiltration membranes was relatively high. The fouling ability of the used membranes was relatively low. In our experiments, the retention of hemicelluloses using two filtration steps was almost complete. The separation of monosaccharides from hemicelluloses was relatively high and the purification of hemicelluloses by diafiltration was highly efficient. The separation of lignin from hemicelluloses was partially achieved. Diafiltration showed potential to purify retained hemicelluloses from lignin and other organics. The best separation of lignin from hemicelluloses in the first filtration step was obtained using the UC005 membrane. The GE-5 and ETNA01PP membranes showed potential to purify and separate lignin from hemicelluloses. However, the feed solution of the second filtration stages (from different ultrafiltration membranes) affected the permeate flux and the separation of various extracted compounds from hemicelluloses. The GE-5 and ETNA01PP membranes gave the efficient purification of the hemicelluloses when using diafiltration. Separation of degraded xylan from glucomannan (primary spruce hemicelluloses) was also possible using membrane filtration. The best separation was achieved using the GE-5 membrane. The retention of glucomannan was three times higher than xylan retention.

Fouling management and retention in nanofiltration of integrated paper mill effluents

Nanofiltration performance was studied with effluents from the pulp and paper industry and with model substances. The effect of filtration conditions and membrane properties on nanofiltration flux, retention, and fouling was investigated. Generally, the aim was to determine the parameters that influence nanofiltration efficiency and study how to carry out nanofiltration without fouling by controlling these parameters. The retentions of the nanofiltration membranes studied were considerably higher than those of tight ultrafiltration membranes, and the permeate fluxes obtained were approximately the same as those of tight ultrafiltration membranes. Generally, about 80% retentions of total carbon and conductivity were obtained during the nanofiltration experiments. Depending on the membrane and the filtration conditions, the retentions of monovalent ions (chloride) were between 80 and 95% in the nanofiltrations. An increase in pH improved retentions considerably and also the flux to some degree. An increase in pressure improved retention, whereas an increase in temperature decreased retention if the membrane retained the solute by the solution diffusion mechanism. In this study, more open membranes fouled more than tighter membranes due to higher concentration polarization and plugging of the membrane material. More irreversible fouling was measured for hydrophobic membranes. Electrostatic repulsion between the membrane and the components in the solution reduced fouling but did not completely prevent it with the hydrophobic membranes. Nanofiltration could be carried out without fouling, at least with the laboratory scale apparatus used here when the flux was below the critical flux. Model substances had a strong form of the critical flux, but the effluents had only a weak form of the critical flux. With the effluents, some fouling always occurred immediately when the filtration was started. However, if the flux was below the critical flux, further fouling was not observed. The flow velocity and pH were probably the most important parameters, along with the membrane properties, that influenced the critical flux. Precleaning of the membranes had only a small effect on the critical flux and retentions, but it improved the permeability of the membranes significantly.

Ultrasuodatuskalvojen valinta, likaantuminen ja puhdistus entsyymiliuosten suodatuksessa

Ultrasuodatus on tehokas entsyymiliuosten konsentrointi- ja puhdistusmenetelmä. Prosessin ongelmana on kuitenkin kalvojen likaantumisesta johtuva suodatuksen aikainen vuon pienentyminen ja kalvojen hankala puhdistaminen. Oikeilla kalvovalinnoilla ja optimaalisilla pesustrategioilla voidaan suodatus- ja pesuaikoja lyhentää ja nain parantaa suodatusprosessin tehokkuutta ja tuotteen laatua. Työn kirjallisessa osassa on käsitelty entsyymiliuosten ja polymeerikalvojen suodatusprosessiin vaikuttavia ominaisuuksia. Työssä on esitelty myös pesuaineiden ja pesukemikaalien ominaisuuksia sekä pesuprosessiin vaikuttavia tekijöitä. Työn kokeellinen osa koostui kahdesta osasta. Työn ensimmäisessä osassa etsittiin entsyymiliuosten ultrasuodatusprosessiin sopivaa kalvoa vertailemalla kalvojen permeabiliteetteja, hydrofiilisyytta, varausta ja peseytyvyyttä. Suodatuksissa käytettiin kahta Roal Oy:n tuottamaa entsyymiliuosta ja suodatukset tehtiin DSS Labstak M20-laitteistolla. Työn toisen osan tarkoituksena oli etsiä entsyymiliuosten suodatuksessa käytettävien kalvojen likaantumisen syyt sekä tehokas puhdistusaine kalvojen pesuun. Tehokasta pesuainetta etsittiin liotuskokeilla ja laboratoriomittakaavan poikkivirtauslaitteistolla. Analysointeja tehtiin muun muassa FTIR- spektroskoopilla, vuomittauksilla, pyyhkäisyelektronimikroskoopilla ja kontaktikulmamittauksilla. Entsyymiliuosten suodatuksiin sopivan kalvon etsinnässä testattujen kalvojen välillä oli suuria eroja niin permeabiliteeteissa kuin likaantumisessa ja puhdistumisessa, mutta mikään kalvoista ei erottunut ylivoimaisesti parhaaksi. Pesuaineista kaupalliset membraanien puhdistukseen tarkoitetut emäksiset pesuaineet osoittautuivat tehokkaimmiksi lian poistajiksi.

The effect of pulp washing on bleaching efficiency

The main aim of this study was to inspect the influence of the ultrafiltration implementation on the washing and on bleaching efficiency. Four cases corresponding to four washing stages were observed: two with hardwood pulp and two with softwood pulp; each case had a reference and a trial experiment. The experiments with hardwood pulp were arranged in a manner to explore predominantly the possibility of bleaching performance improvement by applying for washing instead of untreated filtrate (reference case) the same treated one (trial case). Despite that the ultrafiltration reduced the COD of the wash filtrates allowing the decreasing of COD carry-over to the bleaching stage it didn’t affect the bleaching performance. Another set was used in the experiments with softwood pulp. It implied the ultrafiltration and recirculation of the filtrate to the same washing stage with the purpose to reduce the volumes and pollution of the bleaching effluents. In one case the negative result was obtained which was expressed by worse parameters of the pulp after bleaching. Another case showed the opportunity to replace hot water with the filtrate and reduce the fresh water consumption.

Hemiselluloosien erotus ja in situ -modifiointi

Hemiselluloosat kuuluvat selluloosan ja ligniinin ohella puun ja muiden kasvimateriaalien päärakenneaineksiin. Hemiselluloosan kemiallisessa koostumuksessa on eroja kasvilajien välillä, mikä tekee ryhmästä hyvin monimuotoisen. Lehtipuiden pääasiallinen hemiselluloosa on glukuroniksylaani. Ksylaaneja esiintyy laajasti myös muissa kasveissa erilaisina rakenteina. Havupuiden yleisin hemiselluloosa on puolestaan galaktoglukomannaani. Arabinogalaktaani on erityisesti lehtikuusesta runsaana löytyvä hemiselluloosa, jota muissa puulajeissa on vain vähän. Luonnon polymeerejä tutkitaan jatkuvasti muun muassa vaihtoehtojen löytämiseksi raakaöljypohjaisille tuotteille. Aiemmin hemiselluloosia on pääosin hyödynnetty sellaisenaan tai jalostettu esimerkiksi sokereiksi. Selluloosan ja tärkkelyksen tavoin ne voivat kuitenkin toimia myös kemiallisen, fysikaalisen tai entsymaattisen muokkauksen lähtöaineena. Hemiselluloosien käyttöä rajoittaa usein se, että niiden eristäminen kasvimateriaalista hyvällä saannolla on vaikeaa. Useimmiten hemiselluloosa erotetaan biomassasta ligniinin poiston jälkeen uuttamalla erilaisilla reagensseilla, kuten emäksillä. Arabinogalaktaanin erottamiseen ei kuitenkaan vaadita ankaria olosuhteita, vaan yleisimmin siihen riittää uutto vedellä. Kalvosuodatus puolestaan on hyvä keino hemiselluloosan talteenottoon uuttoliuoksista. Tässä työssä tarkasteltiin arabinogalaktaanin erotusta siperianlehtikuusesta uuttokokein. Saadut uuttoliuokset konsentrointiin ja puhdistettiin kalvosuodatusmenetelmillä. Lisäksi tutkittiin eristetyn arabinogalaktaanin käyttöä kemiallisen muokkauksen lähtöaineena, missä pyrkimyksenä oli etenkin in situ -modifiointi suoraan uuttoliuoksessa oleville yhdisteille. Uuttokokeilla saatiin kuitenkin vain pieni osa lehtikuusen arabinogalaktaanista erotetuksi. Myös kalvosuodatusvaiheen aikana menetettiin osa uuttoliuosten arabinogalaktaanista. Koska arabinogalaktaanipitoisuus uuttoliuoksissa jäi hyvin alhaiseksi, in situ -modifiointeja oli vaikea saada onnistumaan. Uutto-olosuhteiden lisätutkimuksella sekä kiinnittämällä erityistä huomiota suodatuskalvojen valintaan voitaneen pitoisuutta nostaa ja saada lisämateriaalia kemiallista muokkausta varten.

Pretreatment in membrane filtration of wood hydrolysate

Interest in recovery of valuable components from process streams has increased in recent years. Purpose of biorefinery is to utilize components that otherwise would go to waste. Hemicelluloses, for example, could be utilized in production of many valuable products. One possible way to separate and fractionate hemicelluloses is membrane filtration. In the literature part of this work membrane fouling in filtration processes of pulp and paper process- and wastewaters was investigated. Especially purpose was to find out the possible fouling compounds, after which facilities to remove or modify such components less harmful were studied. In the experimental part different pretreatment methods, mainly to remove or degrade lignin from wood hydrolysate, were studied. In addition, concentration of hemicelluloses and separation from lignin were examined with two ultrafiltration membranes; UFX5 and RC70PP. Changes in feed solution, filtration capacity and fouling of membranes were used to evaluate the effects of pretreatment methods. Changes in hydrolysate composition were observed with different analysis methods. Filtration of hydrolysate proved to be challenging, especially with the UFX5 membrane. The more hydrophilic RC70PP membrane did not seem to be fouled as severely as the UFX5 membrane, according to pure water flux measurements. The UFX5 membrane retained hemicelluloses rather well, but problems arose from rapid flux decline resulting from concentration polarization and fouling of membrane. Most effective pretreatment methods in the case with the UFX5 membrane proved to be prefiltration with the RC70PP membrane, activated carbon adsorption and photocatalytic oxidation using titanium dioxide and UV radiation. An additional experiment with PHW extract showed that pulsed corona discharge treatment degraded lignin quite efficiently and thus improved filtration capacity remarkably, even over six times compared to the filtration with untreated extract.

Membraanien kestävyys ionisessa nesteessä

Tämän diplomityön tavoitteena oli etsiä mahdollisimman hyvin ionista nestettä kestävä yleisesti kaupallisesti saatavilla oleva nano- tai ultrasuodatusmembraani. Kirjallisuusosassa on perehdytty yleisesti membraanitekniikan ja ionisten nesteiden historiaan sekä niiden ominaisuuksiin ja käyttösovelluksiin. Membraaniprosesseista on lyhyesti käyty läpi mikro-, ultra- ja nanosuodatus sekä käänteisosmoosi ja pervaporaatio. Kokeellisessa osassa tutkittiin neljäntoista kaupallisesti saatavilla olevien nano- ja ultrasuodatusmembraanien kestävyyttä ionisessa nesteessä. Tutkimuksessa käytettyjen membraanien vesi- ja malliaineliuosvuon arvoja sekä retentioita vertailtiin ennen ja jälkeen ioniselle nesteelle altistusta. Tulokset osoittivat, että polyamidista, polyeetterisulfonista ja sulfonoidusta polyeetterisulfonista valmistettujen membraanien suodatusominaisuudet muuttuivat niiden altistuessa ioniselle nesteelle. Näiden membraanien permeabiliteetit ja retentiot laskivat viikon altistuksen jälkeen merkittävästi. Erityisesti liuottimia kestäviksi suunnitellut membraanit säilyttivät erotusominaisuutensa paremmin.

Online Ultrasound Measurements of Membrane Compaction

There are several filtration applications in the pulp and paper industry where the capacity and cost-effectiveness of processes are of importance. Ultrafiltration is used to clean process water. Ultrafiltration is a membrane process that separates a certain component or compound from a liquid stream. The pressure difference across the membrane sieves macromolecules smaller than 0.001-0.02 μm through the membrane. When optimizing the filtration process capacity, online information about the conditions of the membrane is needed. Fouling and compaction of the membrane both affect the capacity of the filtration process. In fouling a “cake” layer starts to build on the surface of the membrane. This layer blocks the molecules from sieving through the membrane thereby decreasing the yield of the process. In compaction of the membrane the structure is flattened out because of the high pressure applied. The higher pressure increases the capacity but may damage the structure of the membrane permanently. Information about the compaction is needed to effectively operate the filters. The objective of this study was to develop an accurate system for online monitoring of the condition of the membrane using ultrasound reflectometry. Measurements of ultrafiltration membrane compaction were made successfully utilizing ultrasound. The results were confirmed by permeate flux decline, measurements of compaction with a micrometer, mechanical compaction using a hydraulic piston and a scanning electron microscope (SEM). The scientific contribution of this thesis is to introduce a secondary ultrasound transducer to determine the speed of sound in the fluid used. The speed of sound is highly dependent on the temperature and pressure used in the filters. When the exact speed of sound is obtained by the reference transducer, the effect of temperature and pressure is eliminated. This speed is then used to calculate the distances with a higher accuracy. As the accuracy or the resolution of the ultrasound measurement is increased, the method can be applied to a higher amount of applications especially for processes where fouling layers are thinner because of smaller macromolecules. With the help of the transducer, membrane compaction of 13 μm was measured in the pressure of 5 bars. The results were verified with the permeate flux decline, which indicated that compaction had taken place. The measurements of compaction with a micrometer showed compaction of 23–26 μm. The results are in the same range and confirm the compaction. Mechanical compaction measurements were made using a hydraulic piston, and the result was the same 13 μm as obtained by applying the ultrasound time domain reflectometry (UTDR). A scanning electron microscope (SEM) was used to study the structure of the samples before and after the compaction.

Ultrasuodatuskalvon modifiointi paineen, lämpötilan ja emäksen avulla

Työssä tutkittiin polymeerisen ultrasuodatuskalvon modifiointimahdollisuuksia prosessiolosuhteita muuttamalla. Kalvon modifioimisella pyritään sen suodatusominaisuuksien muuttumiseen, joka voi lisätä kalvon käyttökohteita ja parantaa kalvon soveltuvuutta tiettyjen yhdisteiden suodatukseen. Hydrofiilisiä, tiukkoja polymeerisiä ultrasuodatuskalvoja on kaupallisesti saatavilla vähän, joten työssä tutkittiin niiden valmistusta modifioimalla markkinoilla olevaa, löysempää, hydrofiilistä, polymeeristä ultrasuodatuskalvoa. Ultrasuodatuskalvo modifioitiin paineen, lämpötilan ja emäksen avulla. Modifioinnin aiheuttamat muutokset voidaan jakaa pysyviin, osittain palautuviin tai palautuviin muutoksiin. Kalvon rakenteen muuttuessa pysyvästi voidaan kalvo modifioida ennen suodatuksen aloittamista. Tällöin modifioinnissa käytetyt olosuhteet eivät vaikuta suodatukseen kuten muissa tapauksissa. Modifioinnin vaikutusta kalvoon voidaan analysoida eri menetelmillä. Näitä ovat esimerkiksi elektronimikroskopia ja kalvon vuon tai retention analysointi. Mikroskooppikuvia ei voida ottaa suodatuksen aikana, vaan kalvosta saada tietoa ainoastaan alku- ja lopputilanteissa suodatusolosuhteista poistettuna. Vuon ja retention avulla saadaan reaaliaikaista tietoa modifioidun kalvon suodatuskapasiteetin ja erotuskyvyn muutoksista. Työssä modifioinnin vaikutusta seurattiin vuo- ja retentiomittausten avulla ja kalvon rakenteessa tapahtuvia muutoksia tutkittiin pyyhkäisyelektronimikroskooppikuvien ja mikrometrimittausten avulla. Korkeampaa painetta tai lämpötilaa käytettäessä havaittiin vuon alenevan modifioitaessa enemmän kuin matalammissa paineissa tai lämpötiloissa. Korkeampi puristuslämpötila kasvatti myös retentiota. Modifiointiolosuhteiden ollessa emäksisiä aleni permeabiliteetti neutraaleissa olosuhteissa tehtyä puristusta enemmän. Myös retentio aleni emäksen avulla tehdyssä modifioinnissa. Kalvon rakenteessa tapahtuneiden muutosten palautuminen riippui modifiointilämpötilasta, korkeassa lämpötilassa modifioidussa kalvossa palautumista ei tapahtunut. Modifioinnin aiheuttamat kalvojen paksuuden muutokset tukivat retentio- ja vuomittauksia. Pyyhkäisyelektronimikroskooppikuvista voitiin havaita kalvon huokosrakenteen puristuneen modifioinnin aikana.

Reaaliaikaisen esikäsittelyn kehittäminen hemiselluloosa-analytiikalle

Tämän työn tavoitteena oli kehittää esikäsittelymenetelmä, jolla voidaan reaaliaikaisesti vähentää hydrolysaatin ligniinipitoisuutta ja näin vähentää fluoresenssia hemiselluloosan analysoimisessa. Työn kirjallisuusosassa käsitellään hemiselluloosien rakennetta sekä niiden erottamista puusta, sekä käydään läpi hemiselluloosien käyttömahdollisuuksia ja niiden reaaliaikaiseen analysointiin soveltuvia tekniikoita. Kokeellisessa osassa tutkittiin ultrasuodatusta sekä adsorptiohartsikäsittelyä hydrolysaatin esikäsittelynä ennen Raman-analyysiä. Esikäsittelyn tavoitteena oli vähentää Raman-analyysia häiritsevää ligniinistä johtuvaa fluoresenssia. Suodatukset tehtiin Amicon-suodatuslaitteistolla käyttäen viittä eri suodatuskalvoa. Hartsikäsittelyissä käytettiin Amberliten XAD16 ja XAD7HP adsorbtiohartseja. Hartsisuhteina käytettiin 1/80, 1/40, 1/19 ja 1/13. Käytetyt ultrauodatuskalvot osoittautuivat suodatusnäytteistä tehtyjen HPLC-analyysien perusteella cut-off-luvultaan liian pieniksi, sillä hemiselluloosien ja ligniinin erotus ei onnistunut, vaan molemmat väkevöityivät konsentraattiin. Hartsikäsittelyillä saatiin ligniiniä poistettua aiheuttamatta hemiselluloosahäviöitä. Parhaimmillaan ligniinin poistumista kuvaava UV-absorbanssi pieneni hartsilla XAD16 37 % ja hartsilla XAD7 25 %. Vaikka ligniinipitoisuus aleni, näytteet fluoresoivat edelleen voimakkaasti Raman-mittauksessa. Tulosten perusteella näyttäisi siltä, että hartsikäsittelyä optimoimalla analyysiä häiritsevää fluoresenssia olisi edelleen mahdollista vähentää.

Puuperäisten biomassahydrolysaattien likaamien membraanien pesu

Tässä diplomityössä tutkittiin biomassahydrolysaatilla liattujen ultrasuodatusmembraanien pesua. Työn kirjallisuusosassa käsitellään membraanien likaantumista ja pesua, puuperäistä biomassahydrolysaattia sekä biomassahydrolysaatin suodatusta membraaneilla ja membraanien karakterisointia. Kokeellisessa osassa tutkittiin pesuaineiden vaikutusta koivuhydrolysaatilla liattujen membraanien peseytyvyyteen. Käytetyt ultrasuodatusmembraanit olivat Alfa Lavalin UFX5 ja ETNA01PP. Membraanien pesussa käytettiin Ecolabin entsymaattisia P3-ultrasil 53 ja P3-ultrasil 67 pesuaineita yhdessä emäksisen P3-ultrasil 69 pesuaineen kanssa sekä hapanta P3-ultrasil 75 pesuainetta. Lisäksi emäksisiä P3-ultrasil 110, P3-ultrasil 112 ja P3-ultrasil 115 pesuaineita. Emäksisten pesujen tehokkuutta vertailtiin pelkällä natriumhydroksidilla tehtyyn pesuun. Membraanien likaantumista arvioitiin mittaamalla puhtaan veden vuota ennen ja jälkeen likaantumissuodatuksen ja laskemalla niiden vuoarvojen erotus. Samalla tavalla arvioitiin pesuaineiden vaikutusta membraanin peseytyvyyteen. Lisäksi peseytyvyyttä arvioitiin FTIR–analyyseillä, kontaktikulmamittauksilla ja membraanin sisältämän ligniinin värjäyksellä. Tutkimuksissa havaittiin, että koivuhydrolysaatilla liatuille UFX5 membraaneille vesivuon sekä FTIR–spektrin muuttumisen perusteella sopii parhaiten emäksisen ja happaman pesuaineen kaksivaiheinen pesu. Kontaktikulman palautumisen perusteella parhaiten sopi pelkällä emäksisellä P3-Ultrasil 115 tehty pesu. Ligniiniä parhaiten, mikroskooppiin liitetyllä kameralla otettujen kuvien perusteella, poisti entsymaattinen P3-ultrasil 67, mutta tämä samalla modifioi membraanin pintaa. Tässä tutkimuksessa havaittiin, että emäksinen ja entsymaattinen pesuaine pesevät melko hyvin koivuhydrolysaatilla liattuja membraaneja. Lisäksi havaittiin, että ligniini tunkeutuu suodatuksissa membraanin sisään, joten pelkkä pesuaineen kierrättäminen laitteistossa ei riitä vaan tarvitaan paineellista pesua.