Softkalanteroinnin optimointi luettelopaperin viimeistelyssä

Työssä tutkittiin softkalanteroinnin vaikutus heat set web offset-luettelopaperin laatu- ja painatusominaisuuksiin. Tavoitteena oli löytää luettelopaperin laatuvaatimukset täyttävä ajotapa softkalanterille. Työn kirjallisessa osassa käsitellään softkalanteroinnin teoriaa, softkalanteroinnin vaikutusta sanomalehti-paperin laatuun sekä soft- ja konekalanteroinnin eroja. Lisäksi käsitellään painatusta; densiteettiä ja sen vaikutusta paperin läpipainatukseen. Työn kokeellisessa osassa tutkittiin softkalanterin lämpötilan ja viivapaineen vaikutus luettelopaperin laatuun. Paras laatu sileyden, kiillon sekä painojäljen kannalta saavutetaan käyttämällä korkeaa kalanterin lämpötilaa ja viivapainetta. Massaseoksessa tulisi olla niin paljon hioketta kuin paperin lujuusominaisuudet sallivat. Hioke antaa paperille tasaisen painojäljen. Täyteainetta tulisi käyttää, koska se nostaa opasiteettia ja pienentää läpipainatusta sekä helpottaa kalanteroitumista. Helpommin kalanteroituva paperi pienentää paperin huokostilavuutta, jolla on edullinen vaikutus paperin läpipainatukseen. Luettelopaperin kalanteroiminen yhdellä nipillä on mahdollista, mutta ei suotavaa. Tällöin paperista tulee toispuoleista karheuden suhteen.

Uuttoprosessin suunnittelu

Teknologian kehitys ja prosessien tiukempi valvonta ovat alentaneet selluteollisuuden häviöitä tehden prosesseista suljetumpia. Valitettavasti nämä edistysaskeleet teknologiassa ovat lisänneet prosessiin kuulumattomien yhdisteiden määrää kemikaalien talteenottokierrossa. Näistä kemikaaleista haitallisimpia ovat kloridi- ja kaliumyhdisteet, jotka tulevat prosessiin raaka-aineiden ja prosessikemikaalien mukana. Kloridi ja kalium muodostavat emäksisissä liuoksissa epäorgaanisia liukoisia yhdisteitä, jotka rikastuvat lipeäkiertoon. Soodakattilassa kloridien läsnäolo alentaa tuhkan sulamislämpötilaa sekä tarttumispistettä, lisää korroosiota ja saostumien muodostumista kattilan pinnalle. Nämä seuraukset voivat vähentää vuosituotantoa ja nostaa korjauskustannuksia. Kaliumin ja kloridin rikastumista talteenottokiertoon voidaan estää poistamalla ne prosessista. Prosessiin kuulumattomat yhdisteet tulisi poistaa talteenottoprosessista ja säilyttää samalla korkea kemikaalien talteenottoprosentti. Koska kaliumin ja kloridin rikastumiskertoimet soodakattilan tuhkassa ovat korkeita, on tuhkan käsittely tehokasta. Kloridin ja kaliumin poistoon on kehitetty menetelmiä, joilla voidaan vähentää hyödyllisten kemikaalien häviöitä. Näitä menetelmiä ovat uutto, ioninvaihto, elektrodialyysi, jäähdytyskiteytys ja haihdutuskiteytys. Menetelmissä tuhka jaetaan kloridi- ja kaliumpitoiseen osaan ja natriumsulfaattipitoiseen osaan. Kloridi ja kalium poistetaan prosessista ja loput palautetaan lipeäkiertoon. Kloridin ja kaliumin poistoa tuhkasta tutkittiin uuttamalla tuhkaa vedellä. Parhaissa käyttöolosuhteissa natriumsulfaatin liukoisuus veteen on huomattavasti alhaisempi kuin kaliumkloridin liukoisuus veteen. Optimaalinen uuttolämpötila ja tuhka-vesisuhde määritettiin siten, että kloridi- ja kaliumpitoisuudet suodoksessa olivat mahdollisimman korkeat sekä natriumin ja muiden anioneiden pitoisuudet suodoksessa mahdollisimman alhaiset. Saatuja tuloksia käytettiin jatkuvatoimisen uuttoprosessin suunnittelussa.

Kosteusmittaus ylläpidon parantajana

Kosteusmittauksesta on tullut tärkeä osa teollisuuden kunnossapitoa ja huoltotoimenpiteitä. Yritykset valvovat entistä tarkemmin prosesseitaan erilaisten mittalaitteiden avulla. Diplomityön tavoitteena oli selvittää kosteuslähetin HMP228:n markkinoita. Diplomityössä kartoitettiin suuria ja kansainvälisillä markkinoilla toimivia suodatin- ja separaattorivalmistajia, joiden toimintaan kosteusmittaus oleellisesti liittyy. Työssä keskityttiin noin kymmeneen suurimpaan suodatin- sekä eparaattori valmistajaan, jotka eivät itse valmista kosteusmittalaitteita. Näistä yrityksistä valittiin analysoinnin jälkeen potentiaalisimmat vaihtoehdot. Työssä tarkasteltiin myös muita kosteusmittauksen sovellusalueille tuotteita valmistavia yrityksiä. Nämä olivat kuitenkin toiminnaltaan huomattavasti suuria suodatin- ja separaattorivalmistajia pienempiä. Diplomityön loppuosassa tarkasteltiin asiakastarpeita ja QFD- analyysiä. Sopivia yrityksiä löytyi suodatin- sekä separaattorivalmistajien joukosta yhteensä kuusi kappaletta. Valittujen yritysten avulla voidaan tehostaa HMP228:n myyntiä, sillä perusteellinen tieto sovelluskohteista sekä loppuasiakkaiden tarpeista helpottaa markkinointia. Myyntivolyymin kasvattaminen vaatii myös oman markkinoinnin ja myynnin tehostamista. Markkinointitoimenpiteinä erilaiset lehtiartikkelit voisivat lisätä tuotteen tunnettavuutta. Myynnin sekä markkinoinnin lisäksi tarvitaan myös työtä kentällä, yrityskäyntejä ja uusien asiakassuhteiden luomista

Regenerated cellulose ultrafiltration membranes in the treatment of pulp and paper mill process waters

Ultrafiltration (UF) is widely applied in different separation processes in the pulp and paper industry. The growing need to protect the environment, a lack of pure water and an interest in producing high-value chemicals from compounds present in process waters will probably lead to an increase in the use of UF in the pulp and paper industry. The efficiency and cost-effectiveness of a UF process depends on the applied membrane. The membrane should have a high and stable filtration capacity, a particular selectivity and a long operational lifetime. To meet these requirements a membrane should have a low fouling tendency. In addition, it should withstand the prevailing operational and chemical conditions. This thesis evaluates the performance and applicability of the regenerated cellulose (RC) membranes 00030T and C2 in the treatment of pulp and paper mill process waters based on the requirements above. The results demonstrated that both the tested RC membranes fulfilled well the requirement of high filtration capacity. In addition, in the filtration of a paper mill clear filtrate (CF) the RC membranes were not as greatly affected by variations in the CF quality as a polysulphone membrane. Furthermore, due to their extreme hydrophilicity and weak charge the fouling tendency of the membranes can be expected to be low in pulp and paper mill filtration applications. It is, however, known that fouling cannot be totally avoided even when the membrane is chosen very carefully. This study indicated that carbohydrates influenced negatively on permeability and caused fouling in the filtration of groundwood mill circulation water. Thus, a pre-treatment effectively reducing the amount of carbohydrates might help to maintain a stable capacity. However, the results of the thesis also showed that the removal of some of the possible foulants might just increase the harmful effect of others. Multivariate examination was useful in the understanding of the complicated factors causing the unstable capacity. The thesis also revealed that the 00030T and C2 membranes can be used at high pressure (max. tested pressure 12 bar). The C2 membrane, having a sponge-like substructure, was more pressure resistant, and its performance was more stable at high pressure compared to the UCO30T membrane containing macrovoids in its substructure. Both tested membranes can, according to the results, also be used at temperatures as high as 70°C in acidic, neutral and alkaline conditions. However, the use at extreme conditions might cause faster ageing of the membranes compared to ageing in neutral conditions. The thesis proved that both the tested RC membranes are very suitable for pulp and paper mill applications and that the membranes can be utilised in processes operating in challenging conditions. Thus, they could be used in more demanding applications than supposed earlier.

Factors Affecting Filterability

In this thesis the factors affecting lime mud filterability were studied. In the literature part there is information about recausticizing process, lime mud properties and filterability, and general filtration theory. In the experimental part the properties of lime mud particles and the properties of lime mud filter cake were investigated and the behavior of lime mud precoat was studied. The experiments were also carried out with R-PCC (rhombohedral precipitated calcium carbonate). The filtration and precoat studies were performed with a laboratory scale pressure filter. The pressure differences used were between 0.25-1.50 bars. Six different lime mud samples with varying amount of impurities and two R-PCC samples were used in the experiments. The average specific cake resistance of different lime mud samples varied quite extensively. The most influential factor affecting the lime mud filterability and dry solids content was found to be silica content. As the lime mud contained silica, the average specific cake resistance was high and the lime mud dryness was low. If the lime mud samples containing silica were not taken into account, the smaller the mean particle size, the higher the average specific cake resistance of the lime mud. The R-PCC had also a high average specific cake resistance, which was because of small particle size. In addition, the pressure difference affected the average specific cake resistance of some lime mud samples. In those cases lime mud was compressible material. During the precoat experiments the lime mud samples having the largest mean particle sizes, compressed. However, the average specific cake resistances of the filtration and precoat part were approximately the same magnitude. A brief displacement by air did not affect the behavior of the precoat. Instead, vibration and a brief but relatively great change in pressure difference had a slight influence.

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.

Fractionation of wood hydrolysate by ultrafiltration membranes at high temperature

Ultrafiltration (UF) is already used in pulp and paper industry and its demand is growing because of the required reduction of raw water intake and the separation of useful compounds from process waters. In the pulp and paper industry membranes might be exposed to extreme conditions and, therefore, it is important that the membrane can withstand them. In this study, extractives, hemicelluloses and lignin type compounds were separated from wood hydrolysate in order to be able to utilise the hemicelluloses in the production of biofuel. The performance of different polymeric membranes at different temperatures was studied. Samples were analysed for total organic compounds (TOC), lignin compounds (UV absorption at 280 nm) and sugar. Turbidity, conductivity and pH were also measured. The degree of fouling of the membranes was monitored by measuring the pure water flux before and comparing it with the pure water flux after the filtration of hydrolysate. According to the results, the retention of turbidity was observed to be higher at lower temperature compared to when the filtrations were operated at high temperature (70 °C). Permeate flux increased with elevated process temperature. There was no detrimental effect of temperature on most of the membranes used. Microdyn-Nadir regenerated cellulose membranes (RC) and GE-Osmonics thin film membranes seemed to be applicable in the chosen process conditions. The Polyethersulphone (NF-PES-10 and UH004P) and polysulphone (MPS-36) membranes used were highly fouled, but they showed high retentions for different compounds.

Höyryn käyttö suodinkakun pesussa ja kuivauksessa

Työssä käsitellään suodinkakkujen kuivapitoisuuksien muuttumista, kun kuivauksessa käytetään paineilman sijasta kylläistä höyryä.

Nanosuodatuskalvojen alkalikestävyys

Tässä diplomityössä tutkittiin nanosuodatuskalvojen puhdistusta ja kestävyyttä alkalipesuissa. Työn kirjallisuusosassa käsitellään kalvojen likaantumista ja eri puhdistusmenetelmiä, sekä vertaillaan kolmen nanosuodatuskalvon erotusominaisuuksia. Kokeellisessa osassa tutkittiin emäksisten pesukemikaalien vaikutusta kirjallisuusosassa esitettyihin kalvoihin. Käytetyt suodatuskalvot olivat Dow FilmTecTM NF-270, GE Osmonics Desal-5 DL ja Trisep XN45. Kalvojen puhdistukseen käytettiin Ecolabin P3-ultasil 110 ja 112 alkalipesukemikaaleja. Suodatuskokeet tehtiin laboratoriomittakaavan tasokalvojen suodatinlaitteistolla. Alkalikäsittelyitä tehtiin sekä liottamalla kalvoja säilytysastiassa että altistamalla näitä virtauksen ja paineen alaisuudessa. Vaihdettuja muuttujia oliat: pesuainekonsentraatio, lämpötila ja vaikutusaika. Kalvoissa tapahtuneita muutoksia arvioitiin mittaamalla permeabiliteettia sekä magnesiumsulfaatti- ja glukoosiretentioita. Suodatuslämpötilan nostaminen kasvatti lineaarisesti permeabiliteettia ja vastaavasti laski lineaarisesti retentiota. Kalvojen välillä ei ollut eroja permeabiliteettien lämpötilariippuvuuksissa. DL:n retentio laski vähiten lämpötilaa nostettaessa. Liotuskokeiden perusteella kestävät DL- ja NF-270-kalvot noin 1 % P3-ultrasil 110 liuoksia, sekä XN-kalvo 1,2–1,5 %:sia liuoksia, kun lämpötilana on 44 ºC ja vaikutusaikana 50 vrk. Käytettyjen pesukemikaalien välillä ei havaittu eroja. Pienen paineen ja virtauksen alla suoritetuissa käsittelyissä havaittiin alkalihajoamisen noudattavan likimain ensimmäisen kertaluvun reaktiokinetiikkaa ja käyttäytyvän likimain Arrheniuksen yhtälön ennustamalla tavalla. Myös näissä kokeissa XN45 osoittautui kestävimmäksi. Retentioiden heikkenemistä ei pystytty luotettavasti ennustamaan permeabiliteetin perusteella. Työssä osoitettiin että kalvojen muutoksia alkalipesuissa ajan funktiona voidaan ennustaa ja näin teollisuudessa voidaan ennakoida kalvojen vaihtotarvetta.

Fractionation of Wood Extracts

The aim of this thesis was to fractionate wood extracts into pure fractions using membrane technology, to observe membrane behaviour in solvents and to study the effect of conditioning on membrane performance. Four different wood extracts were used in the performed filtrations. In the literature part, the focus was on the effect of different solvent properties on polymeric membranes, especially on their retention and flux. Solute properties, such as shape, polarity and charge, were examined. Transport models, membrane stability and ways to improve the stability, when solvents were filtered, were also discussed. The experimental part consisted of a series of filtrations, where the effect of the wood extracts and solvent concentration on solute retention was observed. Polymeric and ceramic membranes were tested under different conditions and the solute analyses were performed with GC and GC-MS. It was discovered that it is possible to fractionate wood extracts using membrane technology to some extent, but more research must be done to understand the mechanisms behind the various interactions between the solvent and the membrane. Conditioning was also considered as an important part of the membrane pre-treatment.

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.

Hitsatun kerrossihtilevyrakenteen soveltuvuus sellutehtaan laitteiden suodatinpinnaksi

Tässä diplomityössä tutkittiin hitsaamalla valmistettavan kerrossihtilevyn soveltuvuutta eri sellutehtaan laitteisiin mekaanisen kuormituskokeen, korroosiokokeen ja syrjäytyskokeiden avulla. Tutkimusympäristönä käytettiin puukuitupesuria, sillä kerrossihtilevyrakenteen todennäköisimpiä käyttökohteita ovat erilaiset massan pesuun tarkoitetut laitteet. Mekaanisen kuormituksen kokeessa tarkasteltiin kerrossihtilevyn staattista ja dynaamista kuormituksen kestoa painevaihteluiden avulla pesurin koelokerossa ja verrattiin sitä porattuun reikälevyyn. Kokeessa käytetyn kerrossihtilevyversion todettiin olevan huomattavasti porattua saman paksuista reikälevyä heikompi dynaamisen kuormituksen alaisena. Syrjäytyskokeilla määritettiin syrjäytysnopeus erilaisilla reiänhalkaisijoilla ja –jaoilla sekä tutkittiin väriaineen avulla sokeiden tukikannasten vaikutusta syrjäytyspesun homogeenisuuteen levyn pinnassa. Syrjäytysnopeuden todettiin heikentyvän vapaan reikäpinta-alan pienentyessä. Väriaineellisissa kokeissa ei havaittu tukikannasten merkittävästi alentavan syrjäytysnopeutta. Korroosiokokeilla tutkittiin ja vertailtiin laser- ja vastuspistehitsien korroosionkestokykyä kloridipitoisissa olosuhteissa lämpötilan säätelyn mahdollistavan olosuhdekaapin avulla. Laserhitsauksessa parametrien ei havaittu vaikuttavan merkittävästi hitsin herkistymislämpötilaan. Vastuspistehitsaamalla on mahdollista saavuttaa laserhitsien korroosionkesto.

High pressure compression of filter cakes

The purpose of this thesis was to investigate the compression of filter cakes at high filtration pressures with five different test materials and to compare the energy consumption of high pressure compression with the energy consumption of thermal drying. The secondary target of this study was to investigate the particle deformation of test materials during filtration and compression. Literature part consists of basic theory of filtration and compression and of the basic parameters that influence the filtration process. There is also a brief description about all of the test materials including their properties and their industrial production and processing. Theoretical equations for calculating the energy consumptions of the filtrations at different conditions are also presented. At the beginning of the experiments at experimental part, the basic filtration tests were done with all the five test materials. Filtration tests were made at eight different pressures, from 6 bars up to 100 bars, by using piston press pressure filter. Filtration tests were then repeated by using a cylinder with smaller slurry volume than in the first series of filtration tests. Separate filtration tests were also done for investigating the deformation of solid particles during filtration and for finding the optimal curve for raising the filtration pressure. Energy consumption differences between high pressure filtration and ideal thermal drying process were done partly experimentally and partly by using theoretical calculation equations. By comparing these two water removal methods, the optimal ranges for their use were found considering their energy efficiency. The results of the measurements shows that the filtration rate increased and the moisture content of the filter cakes decreased as the filtration pressure was increased. Also the porosity of the filter cakes mainly decreased when the filtration pressure was increased. Particle deformation during the filtration was observed only with coal particles.

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.