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.

Globaalien toimijoiden kilpailuseuranta-analyysi paperipigmenttialalla

Työssä tarkastellaan paperipigmenttialaa ja globaaleja paperipigmenttitoimittajia. Työn tarkoituksena on selvittää merkittävät paperipigmenttivalmistajat ja heidän roolinsa kyseisellä toimialalla. Tärkeimpiä paperipigmenttejä ovat kalsiumkarbonaattipitoiset pigmentit, kaoliini ja talkki. Paperipigmenttien toimittajia on ympäri maailmaa. Toimialan kilpailu on kasvanut viimeisen kymmenen vuoden aikana ja globaalien toimittajien osuus on ollut merkittävää kilpailun kehityksessä. Paperiteollisuus on suurin paperimineraalien kuluttaja. Mineraalipohjaisilla paperipigmenteillä voidaan parantaa paperin laadullisia ominaisuuksia sekä vähentää tuotantokustannuksia. Paperipigmenttien kysyntä on riippuvainen paperiteollisuuden tarpeista. Paperipigmenttialan kehitys on vahvasti sidoksissa paperiteollisuuden rakenteen muutoksiin. Paperipigmenttialan sisäisessä kilpailussa globaalit yritykset ovat suunnan näyttäjiä. Kilpailua käydään sekä paikallisella että kansainvälisellä tasolla. Globaaleilla yrityksillä on suuremmat voimavarat vastata paperiteollisuuden tuomiin haasteisiin. Kilpailua käydään niin asiakkaista kuin raaka-ainelähteistä. Yrityksiltä vaaditaan entistä enemmän tiettyjä ominaisuuksia, kuten raaka-aineita, rahoituksellista voimaa ja osaamista pärjätäkseen globaalissa toimintaympäristössä.

Active sulphide mine tailings impoundments as sources of contaminated drainage: controlling factors, methods of characterisation and geochemical constraints for mitigation

Low quality mine drainage from tailings facilities persists as one of the most significant global environmental concerns related to sulphide mining. Due to the large variation in geological and environmental conditions at mine sites, universal approaches to the management of mine drainage are not always applicable. Instead, site-specific knowledge of the geochemical behaviour of waste materials is required for the design and closure of the facilities. In this thesis, tailings-derived water contamination and factors causing the pollution were investigated in two coeval active sulphide mine sites in Finland: the Hitura Ni mine and the Luikonlahti Cu-Zn-Co-Ni mine and talc processing plant. A hydrogeochemical study was performed to characterise the tailingsderived water pollution at Hitura. Geochemical changes in the Hitura tailings were evaluated with a detailed mineralogical and geochemical investigation (solid-phase speciation, acid mine drainage potential, pore water chemistry) and using a spatial assessment to identify the mechanisms of water contamination. A similar spatial investigation, applying selective extractions, was carried out in the Luikonlahti tailings area for comparative purposes (Hitura low-sulphide tailings vs. Luikonlahti sulphide-rich tailings). At both sites, hydrogeochemistry of tailings seepage waters was further characterised to examine the net results of the processes observed within the impoundments and to identify constraints for water treatment. At Luikonlahti, annual and seasonal variation in effluent quality was evaluated based on a four-year monitoring period. Observations pertinent to future assessment and mine drainage prevention from existing and future tailings facilities were presented based on the results. A combination of hydrogeochemical approaches provided a means to delineate the tailings-derived neutral mine drainage at Hitura. Tailings effluents with elevated Ni, SO₄ ^2- and Fe content had dispersed to the surrounding aquifer through a levelled-out esker and underneath the seepage collection ditches. In future mines, this could be avoided with additional basal liners in tailings impoundments where the permeability of the underlying Quaternary deposits is inadequate, and with sufficiently deep ditches. Based on the studies, extensive sulphide oxidation with subsequent metal release may already initiate during active tailings disposal. The intensity and onset of oxidation depended on e.g. the Fe sulphide content of the tailings, water saturation level, and time of exposure of fresh sulphide grains. Continuous disposal decreased sulphide weathering in the surface of low-sulphide tailings, but oxidation initiated if they were left uncovered after disposal ceased. In the sulphide-rich tailings, delayed burial of the unsaturated tailings had resulted in thick oxidized layers, despite the continuous operation. Sulphide weathering and contaminant release occurred also in the border zones. Based on the results, the prevention of sulphide oxidation should already be considered in the planning of tailings disposal, taking into account the border zones. Moreover, even lowsulphide tailings should be covered without delay after active disposal ceases. The quality of tailings effluents showed wide variation within a single impoundment and between the two different types of tailings facilities assessed. The affecting factors included source materials, the intensity of weathering of tailings and embankment materials along the seepage flow path, inputs from the process waters, the water retention time in tailings, and climatic seasonality. In addition, modifications to the tailings impoundment may markedly change the effluent quality. The wide variation in the tailings effluent quality poses challenges for treatment design. The final decision on water management requires quantification of the spatial and seasonal fluctuation at the site, taking into account changes resulting from the eventual closure of the impoundment. Overall, comprehensive hydrogeochemical mapping was deemed essential in the identification of critical contaminants and their sources at mine sites. Mineralogical analysis, selective extractions, and pore water analysis were a good combination of methods for studying the weathering of tailings and in evaluating metal mobility from the facilities. Selective extractions with visual observations and pH measurements of tailings solids were, nevertheless, adequate in describing the spatial distribution of sulphide oxidation in tailings impoundments. Seepage water chemistry provided additional data on geochemical processes in tailings and was necessary for defining constraints for water treatment.

Gelatin as an additive in bio-based barrier films

The main objective of the present study was to verify the approach on starch-gelatin blending for the paperboard coating formulations with enhanced barrier and mechanical properties. Based on that, another objective was to find out, how the approach will function with wood-based polysaccharides (CMC, EHEC and HPC) by analyzing their barrier properties and convertibility. The last objective was to find out, if pigments can be used in the composition of polysaccharide-protein blends without causing any negative effect on stated properties. The whole process chain of the barrier coating development was studied in the research. The methodology applied included pilot-scale coating and converting trials for the evaluation of mechanical properties of obtained coatings, namely their exposure to cracking with the loss of barrier properties. The results obtained indicated that the combination of starch with gelatin, in fact, improves the grease barrier properties and flexibility of starch-based coatings, thereby confirming the offered approach. The similar results were obtained for CMC, exhibited elevated barrier properties and surface coverage, proving that the approach also functions with wood-based polysaccharides. The introduction of equal amounts of talc gave various effects at different gelatin dosages on barrier properties of wood-based polysaccharides. Mainly, the elevation of grease barrier properties was observed. The convertibility of talc-filled coatings was not sufficient.

Impact of mineral fillers on the properties of extruded wood-polypropylene composites

The main aim of this thesis is to study the effect of mineral fillers on the properties of extruded wood-polypropylene composites (WPC). The studied minerals are Talc, Calcite (CaCO3), two quantities of Wollastonite and Soapstone, and the level of mineral addition is 20 w-%. The study shows that mineral fillers can be used to modify and improve the properties of woodplastic composites. Especially the moisture-related properties of WPCs were found to be improved significantly by mineral addition. As the WPCs of the studied type are commonly used in outdoor applications, this is of importance in terms of usability. In machining, the addition of two minerals retained the surface roughness at same level throughout the test, indicating a favorable effect on machinability. The use of hard minerals shortened the tool life in machining. In general, a modest increase in density was observed. In many of the studied properties, no apparent influence of mineral addition was found, indicating that the properties were not weakened. An overall result was that talc showed the best overall performance, indicating that it can be used as an active filler improving most of the studied properties, especially moisture resistance. Calcite was found to have nearly similar performance. According to the findings, mineral addition to wood-plastic composites appears to be beneficial; especially moisture resistance can be enhanced without diminishing the other properties or usability in general.

Improving the fire retardancy of extruded/coextruded wood-plastic composites

The main objective of this thesis is to study the impact of different mineral fillers and fire retardants on the reaction-to-fire properties of extruded/coextruded wood-plastic composites (WPCs). The impact of additives on the flammability properties of WPCs is studied by cone calorimetry. The studied properties are ignition time, peak heat release rate, total heat release, total smoke production, and mass loss rate. The effects of mineral fillers and fire retardants were found to vary with the type of additive, the type of additive combinations, the amount of additives, as well as the production method of the WPCs. The study shows that talc can be used to improve the properties of extruded WPCs. Especially ignition time, peak heat release rate and mass loss rate were found to be improved significantly by talc. The most significant improvement in the fire retardancy of coextruded WPCs was achieved in combinations of natural graphite and melamine. Ignition time, peak heat release rate and total smoke production were improved essentially. High increase in smoke production was found in samples where the amount of ammonium polyphosphate was 10% or higher. Coextrusion as a structural modification was found as a promising way to improve the flammability properties of composite materials in a cost-effective way.

Partikkelikokojakaumamenetelmän testaus INCA Feature

Tässä työssä testattiin partikkelikokojakaumien analysoinnissa käytettävää kuvankäsittelyohjelmaa INCA Feature. Partikkelikokojakaumat määritettiin elektronimikroskooppikuvista INCA Feature ohjelmaa käyttäen partikkeleiden projektiokuvista päällystyspigmenttinä käytettävälle talkille ja kahdelle eri karbonaattilaadulle. Lisäksi määritettiin partikkelikokojakaumat suodatuksessa ja puhdistuksessa apuaineina käytettäville piidioksidi- ja alumiinioksidihiukkasille. Kuvankäsittelyohjelmalla määritettyjä partikkelikokojakaumia verrattiin partikkelin laskeutumisnopeuteen eli sedimentaatioon perustuvalla SediGraph 5100 analysaattorilla ja laserdiffraktioon perustuvalla Coulter LS 230 menetelmällä analysoituihin partikkelikokojakaumiin. SediGraph 5100 ja kuva-analyysiohjelma antoivat talkkipartikkelien kokojakaumalle hyvin samankaltaisen keskiarvon. Sen sijaan Coulter LS 230 laitteen antama kokojakauman keskiarvo poikkesi edellisistä. Kaikki vertailussa olleet partikkelikokojakaumamenetelmät asettivat eri näytteiden partikkelit samaan kokojärjestykseen. Kuitenkaan menetelmien tuloksia ei voida numeerisesti verrata toisiinsa, sillä kaikissa käytetyissä analyysimenetelmissä partikkelikoon mittaus perustuu partikkelin eri ominaisuuteen. Työn perusteella kaikki testatut analyysimenetelmät soveltuvat paperipigmenttien partikkelikokojakaumien määrittämiseen. Tässä työssä selvitettiin myös kuva-analyysiin tarvittava partikkelien lukumäärä, jolla analyysitulos on luotettava. Työssä todettiin, että analysoitavien partikkelien lukumäärän tulee olla vähintään 300 partikkelia. Liian suuri näytemäärä lisää kokojakauman hajontaa ja pidentää analyysiin käytettyä aikaa useaan tuntiin. Näytteenkäsittely vaatii vielä lisää tutkimuksia, sillä se on tärkein ja kriittisin vaihe SEM ja kuva-analyysiohjelmalla tehtävää partikkelikokoanalyysiä. Automaattisten mikroskooppien yleistyminen helpottaa ja nopeuttaa analyysien tekoa, jolloin menetelmän suosio tulee kasvamaan myös paperipigmenttien tutkimuksessa. Laitteiden korkea hinta ja käyttäjältä vaadittava eritysosaaminen tulevat rajaamaan käytön ainakin toistaiseksi tutkimuslaitoksiin.