Water circulations for effective bleaching of high-brightness mechanical pulps

The amount of water available is usually restricted, which leads to a situation where a complete understanding of the process, including water circulations and the influence of water components, is essential. The main aim of this thesis was to clarify the possibilities for the efficient use of residual peroxide by means of water circulation rearrangements. Rearranging water circulations and the reduction of water usage may cause new problems, such as metal induced peroxide decomposition that needs to be addressed. This thesis introduces theoretical methods of water circulations to combine two variables; effective utilization of residual peroxide and avoiding manganese in the alkaline peroxide bleaching stage. Results are mainly based on laboratory and mill site experiments concerning the utilization of residual peroxide. A simulation model (BALAS) was used to evaluate the manganese contents and residual peroxide doses. It was shown that with optimum recirculation of residual peroxide the brightness can be improved or chemical costs can be decreased. From the scientific perspective, it was also very important to discover that recycled peroxide was more effective pre-bleaching agent compared to fresh peroxide. This can be due to the organic acids i.e. per acetic acid in wash press filtrate that have been formed in alkaline bleaching stage. Even short retention time was adequate and the activation of residual peroxide using sodium hydroxide was not necessary. There are several possibilities for using residual peroxide in practice regarding bleaching. A typical modern mechanical pulping process line consist of defibering, screening, a disc filter, a bleach press, high consistency (HC) peroxide bleaching and a wash press. Furthermore there usually is not a particular medium consistency (MC) pre-bleaching stage that includes additional thickening equipment. The most advisable way to utilize residual peroxide in this kind of process is to recycle the wash press filtrate to the dilution of disc filter pulp (low MC pre-bleaching stage). An arrangement such as this would be beneficial in terms of the reduced convection of manganese to the alkaline bleaching stage. Manganese originates from wood material and will be removed to the water phase already in the early stages of the process. Recycling residual peroxide prior to the disc filter is not recommended because of low consistencies. Regarding water circulations, the novel point of view is that, it would be beneficial to divide water circulations into two sections and the critical location for the division is the disc filter. Both of these two sections have their own priority. Section one before the disc filter: manganese removal. Section two after the disc filter: brightening of pulp. This division can be carried out if the disc filter pulp is diluted only by wash press filtrate before the MC storage tower. The situation is even better if there is an additional press after the disc filter, which will improve the consistency of the pulp. This has a significant effect on the peroxide concentration in the MC pre-bleaching stage. In terms of manganese content, it is essential to avoid the use of disc filter filtrate in the bleach press and wash press showers. An additional cut-off press would also be beneficial for manganese removal. As a combination of higher initial brightness and lower manganese content, the typical brightness increase varies between approximately 0.5 and 1% ISO units after the alkaline peroxide bleaching stage. This improvement does not seem to be remarkable, but as it is generally known, the final brightness unit is the most expensive and difficult to achieve. The estimation of cost savings is not unambiguous. For example in GW/TMP mill case 0.6% ISO units higher final brightness gave 10% savings in the costs of bleaching chemicals. With an hypothetical 200 000 ton annual production, this means that the mill could save in the costs of bleaching chemicals more than 400 000 euros per year. In general, it can be said that there were no differences between the behavior of different types of processes (GW, PGW, TMP and BCTMP). The enhancement of recycling gave a similar response in all cases. However, we have to remember that the utilization of residual peroxide in older mills depends a great deal on the process equipment, the amount of water available and existing pipeline connections. In summary, it can be said that processes are individual and the same solutions cannot be applied to all cases.

Ultrafiltration of pulp mill bleaching effluents

Main objective of this research was to find suitable polymeric ultrafiltration membranes with high retentions, good capacities and low fouling tendencies for the E2- and EP-effluent ultrafiltration. Purpose was to treat alkaline bleaching effluents with ultrafiltration in a way that permeates of the filtrations could be recycled back to process and the consumption of fresh water in the pulp mill could be reduced significantly. In the theoretical part of this work the challenges set by the pulp and paper indus-try processes for membranes were examined. An overview of the membrane tech-nology in the pulp industry was also provided. In addition process conditions in the chemical pulp bleaching and properties of bleaching effluents were discussed in literature study. In experimental part the E2- and EP-stage bleaching effluents from Stora Enso Imatra kraft pulp mill were ultrafiltered with CR250- and CR200-filters. Suitable membranes for ultrafiltration were chosen after screening experiments. Concentra-tion experiment was made for the E2-effluent in order to estimate water saving potential. The E2-effluent was finally ultrafiltered in the pulp mill in order to test the feasibility of ultrafiltration in a real industrial environment. Good membrane for the EP-effluent ultrafiltration based on the EP-screening ex-periments was polyethersulfone membrane UP020 with cut-off value of 20 000 Da. Polysulfone membrane UFX05 with cut-off value of 5 000 Da was promising membrane for the ultrafiltration of the E2-effluent. Based on the concentration filtration of the E2-effluent with UFX05 membrane the water saving potential could be 2.2 m3/Adt for the industrial scale ultrafiltration process. Retention re-sults, such as average COD retention of 60 %, from the trial filtration at the pulp mill with UFX05 membrane were modest compared to the screening experiments, where average COD retention was 75 %. Therefore tighter ultrafiltration mem-branes should be tested for the ultrafiltration of the E2-effluent. The UP020 mem-brane seemed to be suitable for the ultrafiltration of the EP-effluent however con-centration and pilot scale ultrafiltration experiments are needed to verify this.

Temporal trends in chemical parameters of upland forest soils in southern Finland

Abstract

Sellutehtaan valkaisusäätöjen evaluointi

Tämän diplomityön tarkoituksena oli arvioida UPM-Kymmene Oyj, Kaukaan sellutehtaan havukuitulinjan uuden valkaisusäätömenetelmän, kompensoidun kappakerroinsäädön, ja vaaleusanalysaattoreiden käyttöönoton vaikutukset klooridioksidikulutukseen ja sellun laatuun. Kirjallisuusosassa esitelläänvalkaisun tärkeimpiä on-line ja in-line mittalaitteita sekä niitä hyödyntäviä säätöratkaisuja. Tiettävästi paras saatavilla oleva säätömenetelmä, kompensoitu kappakerroinsäätö määrittää klooridioksidiannoksen vaiheeseen tulevan massan kappaluvun tai vaaleuden perusteella. Valkaisukemikaaliannos optimoidaan jatkuvatoimisten vaaleus- ja jäännösmittausten sekä vaiheen jälkeisen saavutetun kappaluvuntai vaaleuden takaisinkytkennällä. Kokeellisessa osassa arvioitiin havulinjan valkaisusäätömenetelmän käyttöönoton vaikutukset klooridioksidikulutuksiin ja sellun laatuun vertailemalla uuden ja vanhan säätömenetelmän aikaisia kemikaalikulutuksia sekä välikappaluvun ja loppuvaaleuden itseisarvopoikkeamia tavoitteistaan. Lisäksi selvitettiin annossäätöön ja kompensoituun vaaleussäätöön perustuvan vanhan sekä kompensoitua kappakerroinsäätöä soveltavan uuden säätömenetelmän toimintaperiaatteet. Työssä kartoitettiin myös valkaisulinjan tarpeet uusille mittalaitteille sekä analysaattorin mittausten vertailukelpoisuus laboratorioanalyysien kanssa. Edelleen työssä arvioitiin tehtaan X koivuvalkaisulinjan uuden säätömenetelmän toimivuus. Kompensoidun kappakerroinsäädön käyttöönoton myötä valkaisun klooridioksidikulutukset pienenivät sekä välikappaluku ja loppuvaaleus saatiin pidettyä lähempänä tavoitteittaan. Säätömenetelmän toimivuuttaedisti vaaleusanalysaattoreiden mittausten korreloivuus laboratorioanalyysien kanssa. Vastaavat vaikutukset kemikaalikulutuksiin ja sellun laatuun havaittiin myös tehtaan X valkaisusäädön käyttöönotosta.

Kasvihuonekaasujen päästökaupan ohjausvaikutus sellutehtaan prosessien ja laitteiden kehityksessä

EU:n päästökaupan ensimmäinen jakso alkoi 1.1.2005. Päästökauppa on aiheuttanut sen piiriin kuuluvalle teollisuudelle monia haasteita ja riskejä kasvavien kustannusten muodossa. Massa- ja paperiteollisuus on päästökaupanpiiriin kuuluva teollisuudenala, johon päästökaupan kustannukset vaikuttavat haitallisesti globaalin hinnoittelun vuoksi. Massa- ja paperiteollisuudelle päästökaupasta voi koitua kustannuksia päästöoikeuksien ostamisesta, sähkön, polttoaineiden ja kemikaalien hinnan noususta sekä raaka-ainehuollon vaikeutumisesta. Toisaalta tehtaat voivat hyötyä päästökaupasta alittaessaan päästöoikeutensa tai myydessään sähköä ulkopuoliseen verkkoon. Massa- ja paperiteollisuudessa sähköä kuluu enimmäkseen pumppauksiin eli massan siirtoon ja mekaanisen massan valmistukseen. Suurimpia sähköenergian kuluttajia sellun valmistuksessa ovat soodakattila, puunkäsittely, valkaisu ja lajittelu. Lämpöä tarvitaan haihdutus-, kuivaus- ja keittoprosesseissa. Kemikaaleista klooridioksidin valmistuksessa käytettävä natriumkloraatti on kustannusten kannalta merkittävin kemikaali. Tässä työssä tutkittiin päästökaupan aiheuttamien kustannusten vähentämismahdollisuuksia kohdetehtaalla. Suurin potentiaali liittyy meesauunissa poltettavan maakaasun korvaamiseen mäntyöljyllä tai biomassan kaasutuskaasulla. Kemikaalikulutuksen osalta happidelignifiointi on merkittävin mahdollisuuskustannusten alentamiseksi. Lisäksi päästökaupan kustannuksia voidaan alentaa muun muassa oikealla mitoituksella ja sekundäärilämpöjen optimaalisella käytöllä.

Vaihtoehtoalkalit mekaanisen massan peroksidivalkaisussa

Tehokkain tapavalkaista mekaanisesti kuidutettua puumassaa on suorittaa se hapettavasti peroksidikemikaalilla vahvasti alkalisissa oloissa. Perinteisesti alkalisuus on aikaansaatu natriumhydroksidin ja -silikaatin avulla. Se kuitenkin liuottaa massasta merkittävästi ligniiniä, mikä huonontaa saantoa ja suurentaa valkaisun jätevesien orgaanisen hiilen määrää sekä kemiallista hapenkulutusta. Yhä kovenevien vaaleustavoitteiden ja tiukentuneen vedenkäytön seurauksena on syntynyt tarve etsiä parempia valkaisun alkaleja. Kirjallisuuden pohjalta valittiinkokeellisesti tutkittaviksi alkaleiksi magnesiumhydroksidi, magnesiumoksidi, kalsiumhydroksidi sekä kalsiumoksidi. Niiden toimivuutta hapettavan vetyperoksidivalkaisun alkaleina tutkittiin valkaisukokein natriumsilikaattilisäyksen kanssa sekä ilman. Näistä parhaiten toimivaksi osoittautui Mg(OH)2. Sen avulla suoritettiin jatkoksi laboratoriokoevalkaisuja korkeassa sakeudessa. Keski- ja korkeasakeusvalkaisukokeiden tulosten mukaan käytettäessä Mg(OH)2 -alkalia natriumydroksidin ja -silikaatin asemesta jää massan loppuvaaleus noin yhden ISO-prosentin verran heikommaksi. Tällöin valkaisusuodoksessa oli vain varsin vähäinen määrä massasta liuennutta orgaanista hiiliainesta, noin 45 % siitä, mitä natriumin yhdisteiden käyttö vertailukokeessa tuotti. Tulosta varmennettiin suorittamalla korkea-sakeusvalkaisukokeita hiokemassatehtaan olosuhteissa, massoilla ja kiertovesillä.Myös tehdaskokeiden mukaan valkaistun massan loppuvaaleus jää noin yhden ISO-prosentin alhaisemmaksi, mutta valkaisusuodoksen orgaanisen hiilen määrä (TOC) jääalle puoleen Na-kemikaalein suoritetusta vertailukokeesta.

Optimal Mechanical PulpingProcesses for Eucalyptus, Acacia and Birch

Tässä diplomityössä tutkittiin ja vertailtiin eukalyptuksen, akaasian ja koivun kemimekaanista kuiduttamista ja valkaisua. Yleensä näitä puulajeja käytetään sellun keittoon. Puulajit eroavat toisistaan kasvupaikan ja kuiturakenteen osalta. Eukalyptus ja akaasia ovat niin sanottuja trooppisia lehtipuita, kun taas koivu kasvaa pohjoisilla vyöhykkeillä. Koivulla on kookkaimmat kuidut ja akaasialla pienimmät kuidut. Myös näiden lajien putkilot eroavat toisistaan. Koivun putkilot ovat pitkiä ja kapeita, kun taas eukalyptuksen ja akaasian putkilot ovat lyhyitä ja leveitä. Prosessiksi valittiin kaksivaiheinen APMP-prosessi. Koeajot tehtiinKeskuslaboratorio Oy:ssä. Massoille asetettiin seuraavat tavoitteet: freeness 150-200 ml ja vaaleus 80 %ISO. Eukalyptukselle ja koivulle tehtiin kaksi erilaista impregnointisarjaa, mutta akaasialle vain yksi. Jauhatuksen viimeisessä vaiheessa kokeiltiin myös jauhinvalkaisua. Jauhatuksen energiankulutus oli korkea varsinkin eukalyptuksella ja akaasialla. Jotta energiankulutus saataisiin pienemmäksi, tulisi käyttää enemmän lipeää, mutta se johtaa alkalitummumiseen. Lopuksi massat valkaistiin laboratoriossa. Eukalyptus ja koivu pystyttiin valkaisemaan vaaleuteen 80 %ISO, mutta eukalyptuksen valkaisu vaati enemmän peroksidia kuin koivun valkaisu. Akaasian lähtövaaleus oli niin alhainen, ettei siinä päästy tavoitevaaleuteen. Eukalyptuksella on parempi valonsironta ja paremmat lujuusominaisuudet kuin koivulla. Kemimekaanista massaa voidaan käyttää hienopaperissa parantamassa jäykkyyttä, bulkkia ja valonsirontaa, mutta usein ongelmana on alhainen vaaleus ja huono vaaleuden pysyvyys. Kemimekaanista massaa voidaankäyttää missä tahansa mekaanisissa painopapereissa. Mekaanisissa painopapereissa kemimekaanisella lehtipuumassalla voidaan korvata mekaanista havupuumassaa. Akaasia on niin tummaa, ettei sitä voida käyttää korkeavaaleuksisiin papereihin. Eukalyptus ja koivu ovat vaaleampia ja helpompia valkaista kuin akaasia, mutta myös niillä on niin huono vaaleudenpysyvyys että käyttö hienopapereissa on rajoittunutta. Mekaanisille eukalyptus ja koivumassoille hienopaperia parempi käyttökohde on mekaaniset painopaperit, kuten MWC-paperi.

Effect of physico-chemical conditions and operating parameters on flux and retention of different components in ultrafiltration and nanofiltration fractionation of sweet whey

Tässä väitöstutkimuksessa tutkittiin fysikaaliskemiallisten olosuhteiden ja toimintaparametrien vaikutusta juustoheran fraktiointiin. Kirjallisuusosassa on käsitelty heran ympäristövaikutusta, heran hyödyntämistä ja heran käsittelyä kalvotekniikalla. Kokeellinen osa on jaettu kahteen osaan, joista ensimmäinen käsittelee ultrasuodatusta ja toinen nanosuodatusta juustoheran fraktioinnissa. Ultrasuodatuskalvon valinta tehtiin perustuen kalvon cut-off lukuun, joka oli määritetty polyetyleeniglykoliliuoksilla olosuhteissa, joissa konsentraatiopolariosaatioei häiritse mittausta. Kriittisen vuon konseptia käytettiin sopivan proteiinikonsentraation löytämiseksi ultrasuodatuskokeisiin, koska heraproteiinit ovat tunnetusti kalvoa likaavia aineita. Ultrasuodatuskokeissa tutkittiin heran eri komponenttien suodattumista kalvon läpi ja siihen vaikuttavia ominaisuuksia. Herapermeaattien peptidifraktiot analysoitiin kokoekskluusiokromatografialla ja MALDI-TOF massaspektrometrillä. Kokeissa käytettävien nanosuodatuskalvojen keskimääräinen huokoskoko analysoitiin neutraaleilla liukoisilla aineilla ja zeta-potentiaalit virtauspotentiaalimittauksilla. Aminohappoja käytettiin malliaineina tutkittaessa huokoskoon ja varauksen merkitystä erotuksessa. Aminohappojen retentioon vaikuttivat pH ja liuoksen ionivahvuus sekä molekyylien väliset vuorovaikutukset. Heran ultrasuodatuksessa tuotettu permeaatti, joka sisälsi pieniä peptidejä, laktoosia ja suoloja, nanosuodatettiin happamassa ja emäksisessä pH:ssa. Emäksisissä oloissa tehdyssä nanosuodatuksessa foulaantumista tapahtui vähemmän ja permeaattivuo oli parempi. Emäksisissä oloissa myös selektiivisyys laktoosin erotuksessa peptideistä oli parempi verrattuna selektiivisyyteen happamissa oloissa.

The Influence of Process Conditions on the Deresination Efficiency in Mechanical Pulp Washing

The aim of this thesis was to produce information for the estimation of the flow balance of wood resin in mechanical pulping and to demonstrate the possibilities for improving the efficiency of deresination in practice. It was observed that chemical changes in wood resin take place only during peroxide bleaching, a significant amount of water dispersed wood resin is retained in the pulp mat during dewatering and the amount of wood resin in the solid phase of the process filtrates is very small. On the basis of this information there exist three parameters related to behaviour of wood resin that determine the flow balance in the process: 1. The liberation of wood resin to the pulp water phase 2. Theretention of water dispersed wood resin in dewatering 3. The proportion of wood resin degraded in the peroxide bleaching The effect of different factors on these parameters was evaluated with the help of laboratory studies and a literature survey. Also, information related to the values of these parameters in existing processes was obtained in mill measurements. With the help of this information, it was possible to evaluate the deresination efficiency and the effect of different factors on this efficiency in a pulping plant that produced low-freeness mechanical pulp. This evaluation showed that the wood resin content of mechanical pulp can be significantly decreased if there exists, in the process, a peroxide bleaching and subsequent washing stage. In the case of an optimal process configuration, as high as a 85 percent deresination efficiency seems to be possible with a water usage level of 8 m3/o.d.t.

Practical applications of a systematic approach to the chemical abatement of pollutants in water and air

The present dissertation is devoted to the systematic approach to the development of organic toxic and refractory pollutants abatement by chemical decomposition methods in aqueous and gaseous phases. The systematic approach outlines the basic scenario of chemical decomposition process applications with a step-by-step approximation to the most effective result with a predictable outcome for the full-scale application, confirmed by successful experience. The strategy includes the following steps: chemistry studies, reaction kinetic studies in interaction with the mass transfer processes under conditions of different control parameters, contact equipment design and studies, mathematical description of the process for its modelling and simulation, processes integration into treatment technology and its optimisation, and the treatment plant design. The main idea of the systematic approach for oxidation process introduction consists of a search for the most effective combination between the chemical reaction and the treatment device, in which the reaction is supposed to take place. Under this strategy,a knowledge of the reaction pathways, its products, stoichiometry and kinetics is fundamental and, unfortunately, often unavailable from the preliminary knowledge. Therefore, research made in chemistry on novel treatment methods, comprisesnowadays a substantial part of the efforts. Chemical decomposition methods in the aqueous phase include oxidation by ozonation, ozone-associated methods (O3/H2O2, O3/UV, O3/TiO2), Fenton reagent (H2O2/Fe2+/3+) and photocatalytic oxidation (PCO). In the gaseous phase, PCO and catalytic hydrolysis over zero valent ironsare developed. The experimental studies within the described methodology involve aqueous phase oxidation of natural organic matter (NOM) of potable water, phenolic and aromatic amino compounds, ethylene glycol and its derivatives as de-icing agents, and oxygenated motor fuel additives ¿ methyl tert-butyl ether (MTBE) ¿ in leachates and polluted groundwater. Gas-phase chemical decomposition includes PCO of volatile organic compounds and dechlorination of chlorinated methane derivatives. The results of the research summarised here are presented in fifteenattachments (publications and papers submitted for publication and under preparation).

Sulfaattimassan D/Q(EOP)D-valkaisimon optimointi

Työssä tutkittiin sulfaattisellutehtaan ECF-valkaisimon toimintaan vaikuttavia tekijöitä. Tavoitteena oli selvittää tekijöiden vaikutus massan laatuominaisuuksiin, valkaisimon kemikaalikustannuksiin ja klooridioksidin kulutukseen. Työn kirjallisuusosassa on tarkasteltu nykyaikaisen sulfaattisellutehtaan eri prosesseja. Erityistä huomiota on kiinnitetty sellun ECF-valkaisuun ja kyseisessä valkaisussa käytettäviin kemikaaleihin. Lisäksi on tarkasteltu TCF-valkaisua ja mahdollisuuksia sulkea sellutehtaan vesikiertoja. Kokeellisessa osassa selvitettiin Oy Metsä-Botnia Ab Joutsenon tehtaan kolmivaiheisen ECF-valkaisimon massan laatuominaisuuksiin, kustannuksiin ja klooridioksidin kulutukseen vaikuttavia tekijöitä. Tavoitteena oli vaikuttaa positiivisesti massan laatuominaisuuksiin valkaisun keinoin. Samalla pyrittiin minimoimaan valkaisusta aiheutuvia kemikaalikustannuksia ja vähentämään klooridioksidin kulutusta. Työssä käytettiin Taguchi-menetelmää. Tehdyn tutkimuksen myötä saatiin runsaasti tietoa mihin eri ominaisuuksiin tutkitut tekijät vaikuttivat. Metallien poistolla eli kelatoinnilla havaittiin olevan suuri merkitys hapettavan alkaliuuttovaiheen ja samalla koko valkaisimon toimintaan. Suurella kelatointiaineannoksella valkaisimon selektiivisyys ja tehokkuus paranivat. Muista tekijöistä happiannoksella havaittiin olevan vaikutusta vain massan paperiteknisiin ominaisuuksiin ja hiilihydraattien koostumukseen. Happiannoksen kasvattaminen paransi repäisyindeksiä ja vähensi massan jauhatustarvetta yli valkaisimon. Kyseisiin ominaisuuksiin vaikuttivat myös klooridioksidi ja sen toimintaolosuhteet. Kemikaalikustannuksiin vaikuttavista tekijöistä valkaisimon tulokapalla ja ensimmäisen klooridioksidivaiheen kemikaaliannoksella havaittiin olevan suuri merkitys. Samat tekijät vaikuttivat myös valkaisimon klooridioksidin kokonaiskulukseen.