Hitsauksen laadunvarmistus teräsrakentamisessa

Suomessa on tapahtunut 2000-luvulla neljä kappaletta ns. suuronnettomuuden vaaratilanteiksi luokiteltavaa teräsrakenteiden vaurioitumisesta aiheutunutta onnettomuutta, joista yksi johti ihmishengen menetykseen. Onnettomuuden syynä oli huonolaatuisten pienahitsien pettäminen kuormituksen alaisena, joka puolestaan oli seurausta puutteellisesta hitsauksen laadunvarmistuksesta. Teräsrakenteiden valmistus ja hitsaus eivät ole yhtä tarkan viranomaisvalvonnan alaista kuten esimerkiksi painelaitteiden valmistus, vaikka teräsrakenteiden vaurioitumisesta aiheutuvat riskit ovat erittäin merkittäviä. Työn tavoitteena oli tutustua onnettomuustapauksiin, teräsrakenteista annettuihin viranomaismääräyksiin sekä ohjeisiin ja esittää laadunvarmistustoimenpiteitä, joiden avulla voidaan varmistua hitsaustyön riittävästä laadusta teräsrakentamisessa. Näitä laadunvarmistustoimenpiteitä ovat mm. hitsaushenkilöstön pätevöinti, hitsausohjeiden käyttäminen, ainetta rikkomattomat tarkastukset ja rakennesuunnitelmien tarkastukset. Toisena tavoitteena oli kartoittaa rakenteiden valmistajien ja pääurakoitsijoiden nykyistä tilannetta laadunvarmistuksen osalta sekä selvittää kiinnostusta kolmannen osapuolen tarjoamiin laadunvarmistuspalveluihin. Kyselyiden perusteella laadunvarmistuspalveluille on olemassa kysyntää tietyin kustannuksiin liittyvin varauksin. Palveluista eniten kiinnostusta herättivät ainetta rikkomattomat tarkastukset ja rakennesuunnitelmien tarkastukset.

Laivan hitsattujen runkorakenteiden ainettarikkomattoman tarkastuksen ohjauksen ja valvonnan kehittäminen

Laivan rungonvalmistuksen laadunvarmistuksessa käytetään viranomaisten valvomia NDT-tarkastuksia vaatimustenmukaisuuden varmistamiseksi. Yleisimmin käytettävät NDT-tarkastusmenetelmät laivanrakennuksessa ovat visuaali-, röntgen-, ultraääni-, magneettijauhe- ja tunkeumanestetarkastukset. Diplomityön tavoitteena oli kehittää laivan hitsattujen runkorakenteiden ainettarikkomattoman tarkastuksen ohjausta ja valvontaa Aker Finnyards:n Turun telakalla. Työn alussa selvitettiin NDT-tarkastuksen ohjauksen ja valvonnannykytila ja tunnistettiin kehityskohteita. Tutkimusmenetelminä käytettiin työnmittausta ja havainnointitutkimusta. Merkittävimmiksi kehityskohteiksi havaittiinyleinen epätietoisuus NDT-tarkastuksista laivan runkoprosessissa, selkeän NDT-tarkastusten ohjausjärjestelmän puuttuminen sekä puutteellinen valvonta. Kehityskohteiden tunnistamisen perusteella luotiin toimintamalli NDT-tarkastusten ohjauksen ja valvonnan kehittämiseksi. Toimintamallissa on kuvattuna NDT-tarkastusprosessin tekijät ja informaatiovirrat. Toimintamalli on tarvittaessa päivitettävissä.

Narrow Gap flux-cored arc welding of high strength shipbuilding steels

This thesis is part of the Arctic Materials Technologies Development –project. The research of the thesis was done in cooperation with Arctech Helsinki Shipyard, Lappeenranta University of Technology and Kemppi Oy. Focus of the thesis was to study narrow gap flux-cored arc welding of two high strength steels with three different groove angles of 20°, 10° and 5°. Welding of the 25 mm thick E500 TMCP and 10 mm thick EH36 steels was mechanized and Kemppi WisePenetration and WiseFusion processes were tested with E500 TMCP steel. EH36 steel test pieces were welded without Wise processes. Shielding gases chosen were carbon dioxide and a mixture of argon and carbon dioxide. Welds were tested with non-destructive and destructive testing methods. Radiographic, visual, magnetic particle and liquid penetrant testing proved that welds were free from imperfections. After non-destructive testing, welds were tested with various destructive testing methods. Impact strength, bending, tensile strength and hardess tests proved that mechanized welding and Wise processes produced quality welds with narrower gap. More inconsistent results were achieved with test pieces welded without Wise processes. Impact test results of E500 TMCP exceeded the 50 J limit on weld, set by Russian Maritime Register of Shipping. EH36 impact test results were much closer to the limiting values of 34 J on weld and 47 on HAZ. Hardness values of all test specimens were below the limiting values. Bend testing and tensile testing results fulfilled the the Register requirements. No cracking or failing occurred on bend test specimens and tensile test results exceeded the Register limits of 610 MPa for E500 TMCP and 490 MPa for EH36.

Orbitaali-TIG-hitsauksen kehittäminen compoundputkien hitsaamisessa

Tässä työssä tutkittiin orbitaali-TIG-hitsauksen hyödyntämistä paineenalaisten compoundputkien jatkohitsien hitsaamiseen. Tutkimus tehtiin Warkaus Works Oy:n omistamalle konepajalle. Tutkimuksen tavoitteena oli laatia standardin SFS-EN ISO 15613 mukaan hyväksytty hitsausmenetelmä. Työn kirjallisuuskatsauksessa esiteltiin orbitaalihitsauksessa käytettävät hitsausprosessit ja laitteistot eri liitosmuodoille. Työssä esiteltiin myös kuumavedettyjen compoundputkien valmistusprosessia ja rakennetta. Tämän lisäksi kerrottiin putkien hitsattavuudesta ja hitsauksen esivalmisteluista, sekä käyttökohteista voimalaitoskattilassa. Ennen menetelmäkokeen hitsausta suoritettiin suuri määrä koehitsauksia yrityksen orbitaali-TIG-laitteistolla. Onnistuneiden koehitsausten perusteella laadittiin hitsausohjelma, jolla hitsattiin testiputket menetelmäkokeeseen. Hitsausmenetelmää varten valittiin Sandvikin valmistama compoundputki. Testihitseille suoritettiin rikkomattomia ja rikkovia tarkastuksia. Hyväksyttyjen tarkastusten pohjalta laadittiin hitsausmenetelmän hyväksymispöytäkirjan. Lisäksi diplomityössä verrattiin mekanisoidun hitsauksen hitsausaikaa käsinhitsauksen hitsausaikaa. Orbitaali-TIG-hitsauksen käyttäminen edellyttää hitsattavalta railolta aina mahdollisimman samanlaisen lähtötilanteen, jotta sen suoritusvarmuus saadaan mahdollisimman korkeaksi. Railon valmistamisen tarkkuudella on mahdollista saada riittävän tarkkoja railoja hitsien laadukkaaseen hitsaukseen. Hitsaus edellyttää laitteiston langansyötön ja elektrodin tarkkoja asetuksia, jotta hitsaus on laadukasta. Lisäaineen jähmeä sula ja hitsin tunkeumavaatimus hankaloittavat orbitaalihitsausta.

Mangaaniseosteisen duplex-teräksen hitsattavuus

Diplomityön tavoitteena oli selvittää mangaaniseosteisen LDX2101 duplex-teräksen ja LDX2101 hitsauslisäaineiden hitsausparametrit puikkohitsaus-, MAG-täytelankahitsaus- ja plasmahitsausprosessilla. Toisena tavoitteena oli selvittää lämmöntuonnin vaikutuksia hit-sausliitosten mekaanisiin ominaisuuksiin, iskusitkeyteen (-40 °C) ja ferriitti- / austeniittipitoi-suuksien jakaantumiseen. Tutkittavat hitsit olivat päittäishitsejä ja koelevyjen aineenpaksuus oli 6 mm. Koetulosten perusteella tehtiin hitsausohjeet kyseisille hitsausprosesseille. Työn kirjallisessa osassa on selvitetty yleisesti duplex-terästen käyttökohteita, mekaanisia ja kemiallisia ominaisuuksia sekä duplex-terästen korroosio-ominaisuuksia. Lisäksi on käsitelty eri hitsausprosesseja ja duplex-terästen hitsattavuutta, jossa selvitetään mm. terästen jähmet-tymistä, erkaumia ja faaseja, lämmöntuonnin vaikutuksia ja hitsausliitosten korroosionkestä-vyyttä. Teoriaosassa on kerrottu myös hitsausliitosten tarkastuksesta ja hitsiluokista. Työn kokeellisessa osassa esitellään kokeiden suoritus sekä ainetta rikkova ja ainetta rikko-maton tarkastus. Liitoksille suoritettava koestusohjelma noudatti pääosin menetelmäkoestan-dardin SFS-EN 15614-1 ohjetta. Hitseille tehtiin ainetta rikkomaton tarkastus, joka käsittää silmämääräisen tarkastuksen, pintatarkastuksen ja röntgentarkastuksen. Rikkovaa aineen-koetusta tehtiin sisältäen kovuusmittaukset, vetokokeet, taivutuskokeet jaiskusitkeyskokeet. Lisäksi valmistettiin metallografiset hieet, joita tutkimalla selvitettiin hitsausliitoksen metal-lurgiaa ja määriteltiin ferriitti- ja austeniittipitoisuudet. Kokeiden perusteella on laadittu hit-sausohjeet kullekin hitsausprosessille. Lisäksi kokeellisessa osassa on esitelty tulokset syö-pymäkokeesta, jossa selvitettiin eri materiaalien syöpymiskestävyyttä valkolipeäliuoksessa. Tutkimustuloksien perusteella LDX2102 duplex-materiaali onhyvin hitsattavaa laajalla hit-sausparametrialueella. Mekaaniset ominaisuudet, kuten lujuus- ja iskusitkeysarvot täyttävät materiaalistandardin SFS-EN10028-7 niille asettamat vaatimukset. Taivutussitkeys ja murto-venymät jäivät kuitenkin osalla koekappaleista vaatimustasoa alhaisemmiksi. Austeniitti- ja ferriittipitoisuudet vastaavat materiaalistandardin vaatimuksia.

Seostamattoman hitsausteräksen leimuhitsaus

Valssilangan valmistuksessa päättymättömällä valssausprosessilla voidaan parantaa tuotannon tuottavuutta ja joustavuutta. Menetelmän ansiosta myös valssilankakieppien kokoa voidaan vaihdella asiakkaan tarpeiden mukaan. Prosessin joustavuus ja tuottavuus perustuvat liikkuvaan leimuhitsauslaitteistoon, jolla austeniittialueelle kuumennetut teelmät hitsataan toisiinsa ennen valssausta. Koska leimuhitsausliitoksen hyvä laatu on valmistusprosessin kannalta erityisen tärkeää, tutkittiin tässä työssä hitsausparametrien vaikutusta liitoksen laatuun. Hitsausparametreista tärkeimpiä ovat leimutusaika ja -jännite sekä tyssäyksen voima ja määrä. Parametrien ollessa liian suuria muodostuvat liitospinnat liian plastisiksi ja sopivan tyssäysvoiman ylläpitäminen on vaikeaa. Liian pienillä parametreilla liitospintojen plastisoituminen jää kesken ja tyssäys jää puutteelliseksi. Leimuhitsauksen laatuun vaikuttaa myös liitospinta-alan koko. Kaikki nämä tekijät heikentävät liitoksia, joten parametrien optimaalisuus on liitoksen hyvän laadun kannalta välttämätön. Parametrikokeina hitsattujen koekappaleiden rakennetta ja ominaisuuksiatutkittiin ainetta rikkovilla kokeilla. Lyhyemmillä leimutusajoilla hitsatuistakoekappaleista löytyi virheitä, jotka heikensivät huomattavasti liitoksien laatua. Menetelmäkokeiden perusteella koekappaleet eivät kaikilta osin täyttäneet liitosten laatuvaatimuksia.

Methods to test gas tightness of packages

One of the primary goals for food packages is to protect food against harmful environment, especially oxygen and moisture. The gas transmission rate is the total gas transport through the package, both by permeation through the package material and by leakage through pinholes and cracks. The shelf life of a product can be extended, if the food is stored in a gas tight package. Thus there is a need to test gas tightness of packages. There are several tightness testing methods, and they can be broadly divided into destructive and nondestructive methods. One of the most sensitive methods to detect leaks is by using a non destructive tracer gas technique. Carbon dioxide, helium and hydrogen are the most commonly used tracer gases. Hydrogen is the lightest and the smallest of all gases, which allows it to escape rapidly from the leak areas. The low background concentration of H2 in air (0.5 ppm) enables sensitive leak detection. With a hydrogen leak detector it is also possible to locate leaks. That is not possible with many other tightness testing methods. The experimental work has been focused on investigating the factors which affect the measurement results with the H2leak detector. Also reasons for false results were searched to avoid them in upcoming measurements. From the results of these experiments, the appropriate measurement practice was created in order to have correct and repeatable results. The most important thing for good measurement results is to keep the probe of the detector tightly against the leak. Because of its high diffusion rate, the HZ concentration decreases quickly if holding the probe further away from the leak area and thus the measured H2 leaks would be incorrect and small leaks could be undetected. In the experimental part hydrogen, oxygen and water vapour transmissions through laser beam reference holes (diameters 1 100 μm) were also measured and compared. With the H2 leak detector it was possible to detect even a leakage through 1 μm (diameter) within a few seconds. Water vapour did not penetrate even the largest reference hole (100 μm), even at tropical conditions (38 °C, 90 % RH), whereas some O2 transmission occurred through the reference holes larger than 5 μm. Thus water vapour transmission does not have a significant effect on food deterioration, if the diameter of the leak is less than 100 μm, but small leaks (5 100 μm) are more harmful for the food products, which are sensitive to oxidation.

Hitsaus- ja liimausmenetelmien mahdollisuudet puumuovikomposiittien liittämisessä

Diplomityössä tutkittiin puumuovikomposiittien liitettävyyttä hitsaamalla ja liimaamalla. Työn kirjallisessa osuudessa tutustuttiin aiheeseen liittyviin tutkimuksiin, jotta saatiin käsitys miten liittäminen voisi onnistua. Työn empiirisessä osuudessa tehtiin liitoskokeita valituilla materiaaleilla eri menetelmillä. Liitoksia tutkittiin sekä rikkovilla, että rikkomattomilla aineenkoestusmenetelmillä. Valitut materiaalit poikkesivat koostumuksellaan hieman toisistaan, joten tuloksista pystyttiin päättelemään, mitkä ominaisuudet vaikuttavat milläkin tavalla liitettävyyteen. Johtopäätöksinä tässä tutkimuksessa voidaan todeta, että komposiitit ovat sekä hitsattavissa, että liimattavissa, mutta materiaalin koostumus vaikuttaa merkittävästi siihen, millä tavoin kappaleet liittyvät toisiinsa. Pääasiassa kaikki materiaalit liittyivät kohtuullisella tavalla. Oikeanlaisten liittämisarvojen määrittäminen reseptikohtaisesti vaatii tarkempia tutkimuksia.

Sähkögeneraattoriosien hitsauksen tuottavuuden kehittäminen

Hitsauksen tuottavuuteen vaikuttavat hitsausmäärä, käytetyt prosessit ja laatu. Työn teoriaosuudessa tutustutaan hitsauksen tuottavuuteen sekä suunnittelullisesta että valmistuksellisesta näkökulmasta. Hitsauksen laadulliset asiat, kuten laatustandardit ja vaatimukset käydään läpi keskittyen standardin SFS-EN ISO 3834 kattaviin laatuvaatimuksiin. Rikkomaton ja rikkova aineenkoetus ja yleisimmät hitsausvirheet esitetään yleisellä tasolla. Hitsausprosesseista esitetään MIG/MAG- ja MAG-täytelankahitsauksen sekä pulssihitsauksen perusteet. Tässä diplomityössä tutkitaan pulssihitsauksen soveltuvuutta sähkögeneraattorin staattoripaketin eripariliitoksen hitsaukseen ja kykyä parantaa sekä tuottavuutta että laatua. Tutkimus perustuu koehitsauksiin ja niiden perusteella tehtyihin johtopäätöksiin. Lisäksi pohditaan sisätuulettimien hitsauksen kehittämistä ja annetaan kehitysehdotus valmistusprosessista. Koehitsauksien perusteella pulssihitsaus on hyvä prosessiparannus staattoripakettien hitsaukseen. Kohdistettu valokaari ja alhaisempi lämmöntuonti verrattuna perinteiseen MAG-hitsaukseen sekä hitsauksen yksinkertaisuus tuovat etuja eripariliitoksen hitsauksen laatuun. Kustannuslaskelmien myötä hitsausprosessin muutoksen odotetaan tuovan kustannussäästöjä. Hitsauslaadun parantuessa ja jälkityöstön määrän vähentyessä hitsausprosessin muutos on kannattava.

Tandem-MAG-welding of high strength steels for shipbuilding applications

Tämän työn tavoitteena oli hitsata tandem MAG –laitteistolla 25 mm paksua Ruukin E500 TMCP terästä. Työssä oli tarkoituksena vähentää railotilavuutta mahdollisimman paljon sekä suorittaa testihitsaukset 0.8 kJ/mm sekä 2.5 kJ/mm lämmöntuonneilla. Teoriaosuudessa käsiteltiin Tandem MAG-hitsaukseen, sen tuottavuuteen ja laatukysymyksiin liittyviä asioita sekä siinä perehdyttiin suurlujuusteräksien käyttöön hitsauksessa sekä laivanrakennuksessa. Kokeellisessa osuudessa perehdyttiin hitsauksessa huomattuihin etuihin, ongelmiin sekä ongelmien ratkaisumahdollisuuksiin. Hitsausliitoksen mekaaniset ominaisuudet tutkittiin rikkomattomin sekä rikkovin menetelmin. Alustavat hitsausohjeet luotiin kummallekin lämmöntuonnille. Testaukset aloitettiin 30 º railokulmalla pienentäen kulmaa mahdollisuuksien mukaan. Testauksissa ei saatu hitsattua onnistuneesti alle 30 º railokulmalla. Hitsaustestien aikana huomattiin magneettisen puhalluksen vaikutus hitsaustapahtumaan. Kaasunvirtausnopeuden tuli olla tietyn suuruinen jotta palkokerrokset onnistuivat ilman huokoisuusongelmaa. Pienemmällä lämmöntuonnilla hitsattaessa kaasunvirtausnopeudet olivat tärkeämpiä hitsatessa ylempiä palkokerroksia. Kääntämällä hitsauspoltinta sivuttaissuunnassa 7-10 astetta auttoi ehkäisemään reunahaavan syntymistä. Rikkovista menetelmistä testitulokset olivat hyväksyttyjä kaikkien muiden paitsi päittäishitsin sivutaivutuskokeen osalta.

Model-based testing of software systems : functionality and performance

Software is a key component in many of our devices and products that we use every day. Most customers demand not only that their devices should function as expected but also that the software should be of high quality, reliable, fault tolerant, efficient, etc. In short, it is not enough that a calculator gives the correct result of a calculation, we want the result instantly, in the right form, with minimal use of battery, etc. One of the key aspects for succeeding in today's industry is delivering high quality. In most software development projects, high-quality software is achieved by rigorous testing and good quality assurance practices. However, today, customers are asking for these high quality software products at an ever-increasing pace. This leaves the companies with less time for development. Software testing is an expensive activity, because it requires much manual work. Testing, debugging, and verification are estimated to consume 50 to 75 per cent of the total development cost of complex software projects. Further, the most expensive software defects are those which have to be fixed after the product is released. One of the main challenges in software development is reducing the associated cost and time of software testing without sacrificing the quality of the developed software. It is often not enough to only demonstrate that a piece of software is functioning correctly. Usually, many other aspects of the software, such as performance, security, scalability, usability, etc., need also to be verified. Testing these aspects of the software is traditionally referred to as nonfunctional testing. One of the major challenges with non-functional testing is that it is usually carried out at the end of the software development process when most of the functionality is implemented. This is due to the fact that non-functional aspects, such as performance or security, apply to the software as a whole. In this thesis, we study the use of model-based testing. We present approaches to automatically generate tests from behavioral models for solving some of these challenges. We show that model-based testing is not only applicable to functional testing but also to non-functional testing. In its simplest form, performance testing is performed by executing multiple test sequences at once while observing the software in terms of responsiveness and stability, rather than the output. The main contribution of the thesis is a coherent model-based testing approach for testing functional and performance related issues in software systems. We show how we go from system models, expressed in the Unified Modeling Language, to test cases and back to models again. The system requirements are traced throughout the entire testing process. Requirements traceability facilitates finding faults in the design and implementation of the software. In the research field of model-based testing, many new proposed approaches suffer from poor or the lack of tool support. Therefore, the second contribution of this thesis is proper tool support for the proposed approach that is integrated with leading industry tools. We o er independent tools, tools that are integrated with other industry leading tools, and complete tool-chains when necessary. Many model-based testing approaches proposed by the research community suffer from poor empirical validation in an industrial context. In order to demonstrate the applicability of our proposed approach, we apply our research to several systems, including industrial ones.

Valukappaleen ainetta rikkomattoman tarkastusprosessin kehittäminen

Ainetta rikkomattomien tarkastusten merkitys erityisesti valettujen kappaleiden valmistuksen yhteydessä on ratkaiseva koneenosan luotettavuuden varmistamisessa. Suurilujuuksiset kuormausnosturin kääntöpylväät ovat kriittisiä osia, joiden vaurioituminen aiheuttaa kustannuksia ja työturvallisuusriskin. Kuormainvalmistajat haluavat, että toimitetut kääntöpylväät täyttävät asetetut laatuvaatimukset, joihin kuuluu säröttömyyden varmistaminen tarkastamalla. Väsymisvaurioiden välttämiseksi kappaleiden pinnan virheettömyys on tarkastettava jollakin pintatarkastusmenetelmällä. Magneettijauhetarkastus on eräs käyttökelpoinen ja taloudellinen menetelmä kyseessä olevien teräsvalukappaleiden tarkastamisessa. Tähän työhön on koottu magneettijauhetarkastukseen (menetelmänä) liittyvää tietoa. Työssä on laadittu kääntöpylväisiin koneistuksia tekevän yrityksen käyttöön tarkastuksen yleisohje. Yrityksessä otetaan käyttöön uusi magneettijauhetarkastuslaitteisto. Tarkastusmenetelmä on fluoresoivamärkä menetelmä, jossa käytetään UV-valaistusta. Tarkastusohjeen tueksi on kuvattu vertailukuvasarja tarkastajien käyttöön. Suurin sallittava särönpituus on väsymisen kannalta tärkein yksittäinen tekijä ja siksi sen arvioinnin on oltava luotettavaa. Työturvallisuuteen on kiinnitetty erityistä huomiota, sillä asiakkaatovat usein kiinnostuneita paitsi itse tuotteesta, myös yrityksen toiminnallisesta laadusta. Yhtenä laadun mittarina voidaan pitää vahinkojen ja tapaturmien vähäisyyttä. Selkeät toimintaohjeet viestivät laatutietoisesta turvallisesta toiminnasta. Yrityksen laatukäsikirjaan on tehtävä lisäys pylväiden tarkastamisesta jatyöturvallisuudesta. Työssä on laadittu lisäyksestä ehdotus. Lisäksi työssä on pohdittu yrityksen ja työntekijöiden toimintaan liittyviä vastuukysymyksiä.

Gamma spectrometry and gamma and X-ray tomography of nuclear fuel

The purpose of gamma spectrometry and gamma and X-ray tomography of nuclear fuel is to determine both radionuclide concentration and integrity and deformation of nuclear fuel. The aims of this thesis have been to find out the basics of gamma spectrometry and tomography of nuclear fuel, to find out the operational mechanisms of gamma spectrometry and tomography equipment of nuclear fuel, and to identify problems that relate to these measurement techniques. In gamma spectrometry of nuclear fuel the gamma-ray flux emitted from unstable isotopes is measured using high-resolution gamma-ray spectroscopy. The production of unstable isotopes correlates with various physical fuel parameters. In gamma emission tomography the gamma-ray spectrum of irradiated nuclear fuel is recorded for several projections. In X-ray transmission tomography of nuclear fuel a radiation source emits a beam and the intensity, attenuated by the nuclear fuel, is registered by the detectors placed opposite. When gamma emission or X-ray transmission measurements are combined with tomographic image reconstruction methods, it is possible to create sectional images of the interior of nuclear fuel. MODHERATO is a computer code that simulates the operation of radioscopic or tomographic devices and it is used to predict and optimise the performance of imaging systems. Related to the X-ray tomography, MODHERATO simulations have been performed by the author. Gamma spectrometry and gamma and X-ray tomography are promising non-destructive examination methods for understanding fuel behaviour under normal, transient and accident conditions.

Identification of extractives and polysaccharides as foulants in membrane filtration of pulp and paper mill effluents

The search for new renewable materials has intensified in recent years. Pulp and paper mill process streams contain a number of potential compounds which could be used in biofuel production and as raw materials in the chemical, food and pharmaceutical industries. Prior to utilization, these compounds require separation from other compounds present in the process stream. One feasible separation technique is membrane filtration but to some extent, fouling still limits its implementation in pulp and paper mill applications. To mitigate fouling and its effects, foulants and their fouling mechanisms need to be well understood. This thesis evaluates fouling in filtration of pulp and paper mill process streams by means of polysaccharide model substance filtrations and by development of a procedure to analyze and identify potential foulants, i.e. wood extractives and carbohydrates, from fouled membranes. The model solution filtration results demonstrate that each polysaccharide has its own fouling mechanism, which also depends on the membrane characteristics. Polysaccharides may foul the membranes by adsorption and/or by gel/cake layer formation on the membrane surface. Moreover, the polysaccharides interact, which makes fouling evaluation of certain compound groups very challenging. Novel methods to identify wood extractive and polysaccharide foulants are developed in this thesis. The results show that it is possible to extract and identify wood extractives from membranes fouled in filtration of pulp and paper millstreams. The most effective solvent was found to be acetone:water (9:1 v/v) because it extracted both lipophilic extractives and lignans at high amounts from the fouled membranes and it was also non-destructive for the membrane materials. One hour of extraction was enough to extract wood extractives at high amounts for membrane samples with an area of 0.008 m2. If only qualitative knowledge of wood extractives is needed a simplified extraction procedure can be used. Adsorption was the main fouling mechanism in extractives-induced fouling and dissolved fatty and resin acids were mostly the reason for the fouling; colloidal fouling was negligible. Both process water and membrane characteristics affected extractives-induced fouling. In general, the more hydrophilic regenerated cellulose (RC) membrane fouled less that the more hydrophobic polyethersulfone (PES) and polyamide (PA) membranes independent of the process water used. Monosaccharide and uronic acid units could also be identified from the fouled synthetic polymeric membranes. It was impossible to analyze all monosaccharide units from the RC membrane because the analysis result obtained contained degraded membrane material. One of the fouling mechanisms of carbohydrates was adsorption. Carbohydrates were not potential adsorptive foulants to the sameextent as wood extractives because their amount in the fouled membranes was found to be significantly lower than the amount of wood extractives.