A Study on Fractionation and Ultrafiltration of Proteins with Characterized Modified and Unmodified Membranes

Membrane filtration has become increasingly attractive in the processing of both foodand biotechnological products. However, the poor selectivity of the membranes and fouling are the critical factors limiting the development of UF systems for the specific fractionation of protein mixtures. This thesis gives an overview on fractionation of proteins from model protein solutions or from biological solutions. An attempt was made to improve the selectivity of the available membranes by modifying the membranes and by exploiting the different electrostatic interactions between the proteins and the membrane pore surfaces. Fractionation and UF behavior of proteins in the model solutions and in the corresponding biological solutions were compared. Characterization of the membranes and protein adsorptionto the membrane were investigated with combined flux and streaming potential studies. It has been shown that fouling of the membranes can be reduced using "self-rejecting" membranes at pH values where electrostatic repulsion is achieved between the membrane and the proteins in solution. This effect is best shown in UF of dilute single protein solutions at low ionic strengths and low pressures. Fractionation of model proteins in single, binary, and ternary solutionshas been carried out. The results have been compared to the results obtained from fractination of biological solutions. It was generally observed that fractination of proteins from biological solutions are more difficult to carry out owingto the presence of non studied protein components with different properties. Itcan be generally concluded that it is easier to enrich the smaller protein in the permeate but it is also possible to enrich the larger protein in the permeateat pH values close to the isoelectric point of the protein. It should be possible to find an optimal flux and modification to effectively improve the fractination of proteins even with very similar molar masses.

Päällystävän paperikoneen vesikiertojen mallinnus

Työssä mallinnettiin kevyesti päällystettyjä aikakauslehtipapereita valmistavan paperikoneen vesikierrot Balas-ohjelman avulla. Mallin avulla selvitettiin paperikoneelle suunniteltujen muutosten vaikutuksia haitallisten aineiden tasoihin, muihin mallinnettuihin parametreihin ja vedenkulutukseen. Mallin luotettavuutta testattiin käytännössä tehdyillä muutoksilla. Vesinäytteistä haitallisina aineina tarkasteltiin lipofiilisten uuteaineiden, kalsiumin, alumiinin, raudan, piin ja sulfaatin pitoisuuksia. Pohjapaperinäytteistä määritettiin lipofiilisten uuteaineiden sekä kalsiumin ja alumiinin pitoisuudet. Paperikoneelle suunniteltuja muutoksia olivat kiekkosuodattimien kirkkaan suodoksen käyttö viiraosan suihkuvetenä ja päällystyksen yhteydessä syntyvän pastajätteen käyttö pohjapaperin täyteaineena. Kirkkaan suodoksen käytön lisäämisellä pyrittiin vähentämään raakaveden käyttöä. Pastajäte sisältää arvokkaita raaka-aineita, jotka kannattaisi hyödyntää paperitehtaalla. Nykyisin pastajäte kuljetetaan läjitysalueelle. Balas-mallin todettiin mallintavan melko luotettavasti liuenneiden haitallisten aineiden pitoisuuksien sekä muista parametreista muun muassa sakeuden ja tuhkapitoisuuden muutoksia. Pastajätteen palautuksen mallinnuksessa haitallisten aineiden pitoisuudet laskivat prosessissa. Tämä toteutui koeajossa, koska jätepastasta suurin osa oli vettä, joka huuhtoi prosessia. Kirkkaan suodoksen käyttö suihkuvetenä ei nostanut epäorgaanisten haitallisten aineiden pitoisuuksia niin paljon kuin malli ennusti. Todennäköisesti haitalliset aineet saostuivat tai poistuivat tuotteen mukana prosessista. Kirkassuodos-koeajon aikana otetussa pohjapaperinäytteessä kiinteän kalsiumin pitoisuus oli 40 % ja kiinteän alumiinin pitoisuus 11 % korkeampi mutta uuteaineiden pitoisuus 20 % alhaisempi kuin referenssipohjapaperissa.

Rasvaisten jätevesien puhdistus

Rasvaisten jätevesien puhdistus on sitä tuottaville yrityksille kallista ja hankalaa. Nykyisten päästövaatimusten saavuttaminen on perinteisillä jätevedenkäsittelymenetelmillä vaikeaa tai lähes mahdotonta, riippuen käsiteltävän jäteveden ominaisuuksista. Rasvaisen jäteveden käsittelyssä on käytetty mm. laskeutusta, flotaatiota, hydrosykloneja, pisaroitusta, suodatusta sekä biologista käsittelyä. Lisäksi happohydrolyysiä voidaan soveltaa edellä mainittujen menetelmien esikäsittelynä. Useita näitä erotusmenetelmiä voidaan myös tehostaa kemikaalien lisäyksellä. Työn kirjallisuusosassa on käsitelty rasvaisten jätevesien ja emulsioiden kalvosuodatusta ja kalvojen käyttöä pisaroituselementtinä. Tavanomaisessa kalvosuodatuksessa tarkoituksena on erottaa kalvoa läpäisemätön rasvajae ja permeoituva vesijae toisistaan, kun taas pisaroittamisen tarkoituksena on saada dispergoituneen faasin pisarakoko kasvamaan joko kalvon pinnalla tai sen huokosissa. Pisarakoon kasvaessa emulsion stabiilisuus heikkenee ja faasit voidaan helpommin erottaa toisistaan. Työn kokeellisessa osassa tavoitteena oli tutkia kalvosuodatuksen ja erilaisten kalvojen toimivuutta esteröintilaitoksen rasvaisten jätevesien käsittelyssä. Tutkimuksessa käytettiin MW- (GE Osmonics), C30F- (Nadir Filtration), Teflon Typar- (Tetratex) sekä JX-kalvoa (Osmonics Desal). Haastetta työhön syntyi tutkittujen jätevesien ominaisuuksien suuresta vaihtelusta sitä tuottavan laitoksen panostyylisestä toiminnasta johtuen. Lisäksi tutkittiin, onko syöttöliuoksen pH-säädöllä ja laskeutuksella ennen suodatusta merkittävää etua itse kalvosuodatusprosessiin. Kalvotekniikkaa voidaan tämän tutkimuksen perusteella soveltaa myös esteröintilaitoksen rasvaisten jätevesien suodatukseen, ja erityistä etua saadaan jäteveden pH-säädöllä (pH 3) ja laskeutuksella ennen varsinaista suodatusta. Tällaiseen käsittelyyn soveltuu tutkituista kalvoista parhaiten hydrofiilinen regeneroidusta selluloosasta valmistettu C30F-kalvo, jonka etuna on vähäinen foulaantuminen muihin tutkittuihin kalvoihin verrattuna.

SB-lateksitehtaan päästöjen minimointi

Diplomityön tavoitteena oli löytää soveltuvimmat parhaaseen käytettävissä olevaan tekniikkaan perustuvat menetelmät SB-lateksitehtaan päästöjen käsittelemiseksi. Kirjallisuuslähteinä käytettiin Euroopan komission julkaisemia toimialakohtaisia BAT-julkaisuja. Lisäksi hyödynnettiin kemianteollisuudessa jo käytössä olevien menetelmien kokemusperäistä tietoa. Kokeellinen osan pohjaksi kartoitettiin merkittävät päästölähteet: kiinteät, nestemäiset ja kaasumaiset päästöt. Päästömittaukset olivat kvantitatiivisia, mutta mittauksissa kerättiin myös kvalitatiivista tietoa. Kirjallisen ja kokemusperäisen tiedon sekä päästöjen mittaustulosten perusteella valittiin soveltuvimmat päästöjenkäsittelyvaihtoehdot. Kiinteiden päästöjen määrään vaikuttaa eniten lateksin suodatusmenetelmän valinta. Nestemäisten päästöjen uudelleenkäyttö on tehokkain tapa minimoida päästöjä. Tehokkain tapa käsitellä orgaanisia jätevesiä on kolonnistrippaus. Lateksipitoisille jätevesille soveltuvin menetelmä on membraanitekniikka. Kaasuseospäästöille soveltuvin käsittelymenetelmä on terminen kammiopoltto. Yhden kemikaalin kaasupäästöjen käsittelyssä menetelmät perustuvat kondensointiin, paikallisiin suodattimiin ja kaasujen takaisinkierrätykseen riippuen kemikaalin ominaisuuksista.

Siistausmassan saostuksessa kiekkosuodattimella käytettävän suodatinväliaineen testaus ja kehittäminen

Työn aiheena on siistausmassan saostuksessa käytettävä kiekkosuodatinväliaine ja tarkoituksena selvittää lankamateriaalien ja pinnoitusaineiden vaikutusta väliaineen likaantumisherkkyyteen ja suodatusteknisiin ominaisuuksiin. Siistauslaitosten ongelmana on suodatinväliaineen likaantuminen massassa olevien tahmo- ja painoväripartikkelien johdosta. Tällä hetkellä siistauslaitosten kiekkosuodatinpussien valmistuksessa käytetään pääasiassa polypropeeni- ja polyvinylideenifluoridimonofilamenttilankoja, joiden lianhylkivyys on osoittautunut huonoksi. Uusiksi lankamateriaaleiksi tutkimuksiin valittiin Easy Kleen I, Easy Kleen II, Hyflon, Halar ja Polyesteri. Tulosten perusteella Easy Kleen I ja II monofilamenttilangoista kudotun suodatinkankaan lianhylkivyys on polypropeeni- ja polyvinylideenifluoridimonofilamenttilangoista kudottua kangasta parempi. Suodatusteknisissä ominaisuuksissa ei materiaalien välillä havaittu merkittävää eroa. Easy Kleen monofilamenttilangat näyttävät soveltuvan myös keittokutistumiltaan ja mekaanisilta ominaisuuksiltaan kiekkosuodatinpussien materiaaleiksi. Polypropeeni- ja polyesterimonofilamenettilangoista kudottujen suodatinkankaiden pinnoittamisessa käytettiin hydrofiilisiä ja hydrofobisia pinnoitusaineita. Tulosten perusteella on mahdollista parantaa suodatinkankaan lianhylkivyyttä pinnoittamalla. Pinnoitettu kangas on myös suodatusteknisiltä ominaisuuksiltaan toimiva. Ongelmaksi suodatinkankaiden pinnoittamisessa saattaa kuitenkin muodostua pinnoituslämpötila, jossa kangas kutistuu asennuskelvottomaksi.

Puumassapesurin suotautumisolojen kartoitus ja simulointi

Työn tavoitteena oli tutkia sellumassan suotautumiseen liittyviä tekijöitä Ahlstrom Machineryn Drum Displacer™ -puumassapesurissa (DD-pesuri). Teoriaosassa tarkasteltiin aluksi suotautumisen teoriaa kuitu-vesi-suspensiossa, minkä jälkeen esiteltiin suotautumisnopeuteen vaikuttavia fysikaalisia ja kemiallisia vaikutusmekanismeja. Seuraavaksi kuvattiin massan pesun yleisiä perusteita sekä teoriaa puumassapesureissa. Lopuksi tarkasteltiin pesurien kytkeytymistä muuhun kuitulinjaan sekä prosessista johtuvia pesun toiminnan ulkoisia häiriötekijöitä. Kokeellisen osan aluksi tarkasteltiin paine- ja lämpötilamittauksien avulla massapesurissa vallitsevia prosessioloja. Mittaustulosten perusteella pumppausolot pesurin suodoslinjoissa ovat vaikeahkot ja häiriötilanteita voi esiintyä, mutta käytäntö on osoittanut tästä olevan vain harvoin haittaa prosessin toiminnalle. Pesureissa toteutuneet syrjäytysnopeudet laskettiin ja niitä verrattiin syrjäytystestien antamiin tuloksiin. Kuitulinjasta riippuen testin vastaavuus tehdasprosessiin vaihteli suuresti. Syrjäytystesteillä kokeiltiin myös tehdasprosesseissa usein esiintyvien muuttujien vaikutusta sellukakun syrjäytettävyyteen. Kakun paksuus ja syrjäytyslämpötila vaikuttivat syrjäytysnopeuteen Darcyn lain mukaisesti. Alipaineen massakakun alapuolella havaittiin huonontavan syrjäytysnopeutta verrattuna tilanteeseen, jossa kakun alla vallitsi ilmanpaine. Tämä havainto on selvästi ristiriidassa suotautumisen teorian kanssa. Massakakun muodostumis-pH osoittautui ratkaisevaksi lopulliselle syrjäytysnopeudelle, sillä alkalisissa oloissa muodostetun kuitukakun syrjäytysnopeus ei enää parantunut happamalla syrjäytysnesteellä. Happamissa oloissa muodostetun kakun syrjäytysnopeus oli alkalisista parempi, mutta se alkoi hitaasti alentua, kun syrjäytysneste vaihtui alkaliseen. Massan laimentaminen ennen syrjäytystä alkalisella tehdassuodoksella puhtaan veden sijasta alensi ligniinipitoisella massalla lopullista syrjäytysnopeutta. Shirato-Tillerin mallilla ja Jönssonin staattisella mallilla simuloitiin numeerisesti syrjäytystestiä kahdessa eri pH:ssa, ja simulointituloksia verrattiin vastaavissa oloissa tehtyihin syrjäytystesteihin. Shirato-Tillerin mallin antamien syrjäytysnopeuksien havaittiin olevan lähellä syrjäytystestien nopeuksia, kun Jönssonin mallin antamat tulokset jäivät huomattavasti testituloksia alemmiksi. Herkkyystarkastelussa havaittiin mallien olevan varsin herkkiä parametrien virheille. Hajonta vaadittavien kuituparametrien määrityksissä ja menetelmien työläys rajoittavat numeerisen simuloinnin käytettävyyttä, sillä kuituparametrien määrityksen vaatima työmäärä on ainakin toistaiseksi syrjäytystestiä suurempi. Lopuksi todettiin, että oikeiden syrjäytysolosuhteiden käyttö on ensiarvoisen tärkeää oikeiden tulosten saamiseksi sekä kokeellisessa että numeerisessa simuloinnissa. Nykyinen syrjäytystestilaitteisto on pienin muutoksin käyttökelpoinen, kun massan testaus prosessioloissa tulee rutiininomaiseksi.

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.

Jälkikäsitellyn jätevesikirkasteen uusiokäyttö Anjalan paperitehtailla

Työssä tarkasteltiin aktiivilietelaitoksen jätevesikirkasteen uusiokäyttöä Anjalan paperitehtailla. Tavoitteena oli löytää keino jätevesimäärän vähentämiseksi, kierrättämällä jatkokäsiteltyä jätevesikirkastetta. Työssä tehtiin prosessisuunnitelma kirkasteen kierrättämiseksi; suunnitelman vaikutuksia arvioitiin kirjallisuuden, simuloinnin ja arkkikokeiden avulla. Lisäksi arvioitiin kierrätyksen taloudellisia näkökohtia. Prosessisuunnittelussa päädyttiin vaihtoehtoon, jossa tehtaan nykyinen tehdasvesijae korvataan jälkikäsitellyllä jätevesikirkasteella. Esitetty prosessimuutos vähentäisi jokeen laskettavan kirkasteen määrää 20 %. Haitta-ainetason muutoksia selvitettiin simuloimalla prosessisuunnitelman mukainen suolatase. Simuloinnin kohteena oli haitta-ainetason muutokset PK3:lla. Tuloksista pääteltiin, että PK3:lla tapahtuu normaalissa ajotilanteessa suurempia muutoksia suolatasoissa kuin prosessimuutoksen aiheuttama suolatason muutos. Arkkikokeilla selvitettiin kirkasteen ja tehdasveden vaikutuksia PK3:n massan vaaleuteen ja vaaleuden pysyvyyteen. Kirkasteen vaikutus massan vaaleuteen oli suurempi kuin tehdasvedellä, kun kirkastetta oli käsitelty tehdasmittakaavan flotaatiolla ja hiekkasuodatuksella. Pilot-mittakaavan hiekkasuodatuksella ja laboratoriomittakaavassa laskeutetulla kirkasteella oli pienempi vaikutus arkkien vaaleuteen kuin tehdasvedellä. Vaaleuden pysyvyydessä ei havaittu eroa kirkasteen ja tehdasveden välillä. Kirkasteella oli voimakas vaikutus arkkien keltaisuuteen. Tehdasvesi ei vaikuttanut arkkien keltaisuuteen. Mikäli prosessisuunnitelman mukainen kirkastevirtaus jatkokäsiteltäisiin hiekkasuodatuksella, arvioitiin päälaitteista kerroinmenetelmällä tehdasinvestoinniksi 5.20 milj. euroa. Vuosittaisiksi kemikaalikustannuksiksi arvioitiin 0.21 milj. euroa ja teoreettiseksi energiasäästöksi 0.87 milj. euroa.

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.

Haja-asutusalueiden jätevesien käsittelyn tulevaisuus

Tässä työssä tarkastellaan haja-asutusalueilla käytössä olevia kiinteistökohtaisia jäteveden käsittelymenetelmiä. Koelaitteistona oli biologinen pienpuhdistamo, jonka toimintaa tutkittiin tavanomaisessa kotitalouskäytössä. Tarkoituksena oli selvittää jäteveden biologisen suodatuksen soveltuvuutta haja-asutuksen jätevesien käsittelyyn. Kirjallisuusosiossa käsitellään haja-asutuksen jätevesien aiheuttamia ympäristövaikutuksia, ympäristölainsäädäntöä ja yleisesti käytössä olevia erilaisia jäteveden käsittelymenetelmiä, sekä vaihtoehtoisia käymäläratkaisuja. Ennen kokeellisen osuuden alkua asennettiin pienpuhdistamo oheislaitteineen omakotitalon viemärijärjestelmään. Tämän jälkeen päästiin tutkimaan puhdistamon puhdistustehokkuutta ja ympäristökuormitusta lähtevästä jätevedestä keräilynäyttein. Puhdistamolta lähtevän jäteveden kuormitusarvoja verrattiin Ympäristöministeriössä suunnitteilla oleviin enimmäisrajoihin: BOD7 5 g/(d,as), kokonaisfosfori 0,33 g/(d,as) ja kokonaistyppi 8,4 g/(d,as). Mitatut BOD7- ja kokonaistyppikuormitukset alittivat raja-arvot kerran. Muilla mittauskerroilla kuormitus oli enimmäisrajoja suurempi. Kokonaisfosforikuormitus oli kaikilla mittauskerroilla moninkertainen enimmäisrajaan verrattuna. Puhdistamon todellinen BOD7-reduktio oli noin 60 %. Kokonaisfosforin ja kokonaistypen reduktiot vaihtelivat paljon ollen kokonaisfosforilla korkeimmillaan 12 % ja kokonaistypellä 29 %.

Hylky- ja vesijärjestelmän vaikutus kartongin tuotepuhtauteen

Kirjallisuusosassa käsitellään paperi- ja kartonkikoneiden eri vesijärjestelmiä, vedenkäytön vähentämistä ja sen vaikutusta prosessiin. Mikrobiologiaa, mikrobien aiheuttamia prosessiongelmia, mikrobien torjuntaa ja simulointia on myös käsitelty kirjallisuusosassa. Kokeellisessa osassa laadittiin Kartonkikone 1:n massa- ja vesijärjestelmän mikrobiologisen puhtauden simulointimalli Balas-prosessisimulointiohjelmalla. Kartongin mikrobiologinen puhtaus määritettiin kokonaispesäkelukuna. Kokeellinen osa sisälsi pilot-mittakaavan suodatinkoeajoja, joissa määritettiin tarvittavat erotusparametrit simulointimallille, selvitettiin Dynasand-hiekkasuodattimen soveltuvuus suihkuvesien puhdistukseen, Dynadisc-kiekkosuodattimen käyttökelpoisuus kiertoveden puhdistukseen kiertovesisuodattimena ja hiekkasuodattimien esisuodattimena sekä UV-reaktorin soveltuvuus suodatettujen vesien desifiointiin. Simulointimallilla tarkasteltiin eri prosessivaihtoehtojen vaikutus kartongin mikrobiologiseen puhtauteen. Suihkuvesien puhdistaminen hiekkasuodattimilla alentaa kokonaispesäkelukua vain vähän. Koneen ajettavuus paranee suihkuputkien roskaryöppyjen ja viiraosan limoittumisen vähenemisen takia. Kiertovesijärjestelmän pelkkä jakaminen hylkyprosessi- ja sakeudensäätövedeksi aiheuttaa kokonaispesäkeluvun kasvun prosessista poistettavien vesien puhdistumisen takia. Kokonaispesäkeluku minimoidaan poistamalla ylimääräinen vesi hylkysaostajan suodoksena. Suodatettua hylkysaostajan suodoksen ja viiraveden seosta käytetään sekä sakeudensäätö- että hylkyprosessivedeksi. Hylkymassalla on dominoiva vaikutus kokonaispesäkelukuun. Suurin vähennys kokonaispesäkeluvussa saadaan estämällä mikrobikasvu hylkymassassa. Tämä voidaan tehdä kuumentamalla hylkymassa 80 °C:n höyryllä. Suodatuskoeajojen perusteella Dynasand-hiekkasuodattimella voidaan puhdistaa pisaralämmönvaihtimelta saatavaa lämmintä suihkuvettä. Esisuodatettua kiertovettä voidaan puhdistaa Dynasand-hiekkasuodattimella viiran johtotelojen suihkuvedeksi. Dynadisc-kiekkosuodatinta voidaan käyttää hiekkasuodattimen esisuodattimena ja kiertovesisuodattimena. UV-säteily poistaa tehokkaasti mikrobeja suodatetuista vesistä.

Pigmenttien suodatus

Työn tavoitteena oli tutkia neljän eri koesuotimen soveltuvuutta pigmenttilietteen kiintoainepitoisuuden nostoon. Työssä käytetyt suotimet olivat Larox PF 0,1, Certus-CU-0047, Crossflow-koesuodin ja Steuerung ET06-linko. Suodinväliaineena Larox PF 0,1-suotimessa ja Crossflow-koesuotimessa käytettiin Tamfelt Oyj:n suodinkankaita. Certus-CU-0047-suotimessa suodinväliaineena toimi keraaminen membraani. Työn kirjallisuusosassa tarkasteltiin partikkelien karakterisointia, suodatuksen teoriaa, kakkusuodatusta, suodinväliaineista suodinkankaita ja membraaneja. Lisäksi tarkasteltiin paperin päällystämiseen käytettyjen pigmenttien ominaisuuksia ja niiden suodatusta. Kokeet suoritettiin Larox PF 0,1, Certus-CU-0047 ja Crossflow-koesuotimella vakiopainesuodatuksena yhdellä paineella. Steuerung ET06-lingon kokeet suoritettiin vakiovirtaussuodatuksena käyttäen kolmea eri virtausnopeutta ja kolmea eri lingon ja ruuvin kierrossuhdetta. Työssä suodatettiin neljää erilaista pigmenttilietettä. Suodoksista otettiin näytteitä niiden sameuden määrittämiseksi. Larox Pf 0,1-suotimella ja Steuerung ET06-dekantterilingolla saatiin nostettua pigmenttilietteen kiintoainepitoisuutta erittäin hyvin. Loput kaksi suodinta eivät sovellu tähän tarkoitukseen ollenkaan. Vakiopainesuodatuksissa suodatusajat muodostuivat kuitenkin liian pitkiksi. Suodoksien kiintoainepitoisuudet olivat suurimmaksi osaltaan pieniä lukuun ottamatta tiettyjä suodinkankaita. Lietteen 2 kiintoainepitoisuuden nostaminen oli kaikilla suotimilla erittäin vaikeaa, muut lietteet suodattuivat kohtuullisen hyvin. Näiden kokeiden perusteella voidaan sanoa, että varsinkin vakiovirtaussuodatus soveltuu hyvin ainakin tiettyjen pigmenttilietteiden kiintoainepitoisuuden nostoon.

Kakun rakenteen vaikutus pesutulokseen

Tässä työssä tutkittiin suodatukseen vaikuttavien tekijöiden vaikutusta suodatuksessa syntyvän kakun ominaisuuksiin sekä kakun ominaisuuksien vaikutusta syrjäytyspesun tehokkuuteen. Lisäksi määritettiin tärkeimmät suodatusparametrit sekä niiden riippuvuudet suodatusolosuhteista. Toissijaisena tavoitteena oli lisäksi tutkia, miten suodatusolosuhteita ja suodatettavan lietteen ominaisuuksia muuttamalla voidaan vaikuttaa suodatusjakson kestoon. Työn kirjallisuusosassa käsiteltiin aluksi yleisesti kiintoaineen erotusta nesteestä. Tämän jälkeen käsiteltiin yleisimmät suodatustekniikat ja tarkasteltiin yksityiskohtaisemmin painesuodatusta ja varsinkin syntyvän kakun rakenteeseen vaikuttavia tekijöitä. Lopuksi käytiin läpi kakulle suodatuksen jälkeen suoritettavat jälkikäsittelymenetelmät ja selvitettiin varsinkin syrjäytyspesun tehokkuuteen vaikuttavia tekijöitä tarkemmin. Kokeellisessa osassa tehtiin koesuodatuksia lietteellä joka sisälsi hienojakoista pigmenttiä. Koesuodatukset tehtiin kahdella eri kankaalla panostoimisella piston press- laboratoriopainesuodattimella johon oli liitetty tiedonkeruuohjelmisto, joka keräsi tiedostoon paineet suodatuskammiossa, kankaan alapuolella ja työsylinterin syöttölinjassa sekä lisäksi männän korkeuden, lietteen lämpötilan ja suodosvaakalukeman. Lietteiden ominaisuuksia seurattiin analysoimalla niiden kiintoainepitoisuuksia, kloridipitoisuuksia, z-potentiaaleja ja partikkelikokojakau-mia siten että jokaisessa suodatuksessa käytetyn lietteen ominaisuudet olivat tiedossa. Suodatusten jälkeen syntyneistä kakuista määritettiin kiintoaine- sekä joissain tapauksissa myös kloridipitoisuudet. Suodatus- ja puristuspaineiden havaittiin vaikuttavan kakkujen huokoisuuksiin ja ominaisvastuksiin selvästi, joskin muutokset olivat melko pieniä. Vaikutus näkyi selvästi myös suodatusten kestoissa ja muutosten havaittiin olevan merkittävän suuruisia. Myös lietteen pH:n havaittiin vaikuttavan merkitsevästi suodatusten kestoihin ja kakkujen ominaisuuksiin. Pesutuloksen ja kakun ominaisuuksien välille löydettiin riippuvuus heikoksi jääneestä pesutuloksesta huolimatta. Myös koesuodatuksissa käytettyjen kankaiden välillä havaittiin selviä eroavaisuuksia.

Kalvon modifioinnin vaikutus pienten molekyylien nanosuodatukseen

Tässä työssä tutkittiin pienten molekyylien nanosuodatusta kolmella kalvolla. Lappeenrannan teknillisen korkeakoulun laboratoriomittakaavan nanosuodatuslaitteistolla suodatettiin glukoosin, maitohapon ja oktaanihapon vesiliuoksia 0,45 m/s virtausnopeudella. Lisäksi NF 45, NF 270 ja NTR 7450 –kalvoja modifioitiin UV-säteilytyksellä modifiointiaineen kanssa tai ilman. Modifiointiaineina olivat maito- ja oktaanihappo. Kalvon modifioinnilla pyrittiin parantamaan permeabiliteettia ilman retentiohäviöitä. Kirjallisuusosassa käsiteltiin nanosuodatuksen erottumisperiaatteita ja konsentraatiopolarisaation merkitystä liuenneiden aineiden erottumisessa. Lisäksi käsiteltiin kalvon modifioinnin merkitystä suodatuksen parantamiseen ja pienten orgaanisten molekyylien nanosuodatusta. Aluksi suodatettiin glukoosi- ja oktaanihappoliuoksia NF 270 –kalvolla. Glukoosin retentio oli 80% pitoisuudesta riippumatta, mutta oktaanihapon retentio, 70-100%, riippui pitoisuudesta. 100 ppm oktaanihapon pitoisuudessa retentio oli 100% ja suuremmilla pitoisuuksilla alhaisempi. Kun oktaanihappoa suodatettiin modifioimattomilla kalvoilla pH:n funktiona, niin retentiot olivat pH-riippuvaisia. Alhaisilla pH-arvoilla oktaanihapon retentiot olivat lähes nolla ja nousivat jyrkästi pH:ssa 6 siten, että korkeilla pH-arvoilla retentiot olivat yli 80%. Glukoosin suodatuksissa NF 270 –kalvolla modifiointi aina hieman paransi vuota, mutta retentiot huononivat. Oktaanihapon suodatuksissa vuo parani hieman, kun kalvoja (NF 270 ja NTR 7450) oli modifioitu 20 minuuttia UV-säteilytyksellä 100 ppm maitohappoliuoksessa. NTR 7450 –kalvon vuo moninkertaistui modifioimattoman kalvon vuohon verrattuna, kun kalvoa oli UV-säteilytetty 20 minuuttia 2000 ppm maitohappoliuoksessa. Oktaanihapposuodatuksissa retentiot modifioiduilla kalvoilla olivat suurimmat pH-alueella 7-10. Modifioitujen kalvojen permeabiliteetit nousivat jyrkästi pH:ssa 12 kaikilla malliaineilla, mikä viittaa siihen, että modifiointiaine irtosi pH:ssa 12. Toisaalta korkeilla pH-arvoilla kalvo muuttuu avoimemmaksi, joten modifiointiaineen irtoamista ei voitu näiden mittausten perusteella varmentaa. Kalvon modifiointi oli onnistunut, sillä malliainesuodatuksissa havaittiin vuo- ja retentiomuutoksia.

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.