Oxalic acid and calcium oxalate in production of wood-containing paper : formation, analysis, and control

Papperstillverkningen störs ofta av oönskade föreningar som kan bilda avsättningar på processytor, vilket i sin tur kan ge upphov till störningar i pappersproduktionen samt försämring av papperskvaliteten. Förutom avsättningar av vedharts är stenliknande avlagringar av svårlösliga salter vanliga. I vårt dagliga liv är kalkavlagringar i kaffe- och vattenkokare exempel på liknande problem. I massa- och pappersindustrin är en av de mest problematiska föreningarna kalciumoxalat; detta salt är nästan olösligt i vatten och avlagringarna är mycket svåra att avlägsna. Kalciumoxalat är också känt som en av orsakerna till njurstenar hos människor. Veden och speciellt barken innehåller alltid en viss mängd oxalat men en större källa är oxalsyra som bildas när massan bleks med oxiderande kemikalier, t.ex. väteperoxid. Kalciumoxalat bildas när oxalsyran reagerar med kalcium som kommer in i processen med råvattnet, veden eller olika tillsatsmedel. I denna avhandling undersöktes faktorer som påverkar bildningen av oxalsyra och utfällningen av kalciumoxalat, med hjälp av bleknings- och utfällningsexperiment. Forskningens fokus låg speciellt på olika sätt att förebygga uppkomsten av avlagringar vid tillverkning av trähaltigt papper. Resultaten i denna avhandling visar att bildningen av oxalsyra samt utfällning av kalciumoxalat kan påverkas genom processtekniska och våtändskemiska metoder. Noggrann avbarkning av veden, kontrollerade förhållanden under den alkaliska peroxidblekningen, noggrann hantering och kontroll av andra lösta och kolloidala substanser, samt utnyttjande av skräddarsydd kemi för kontroll av avlagringar är nyckelfaktorer. Resultaten kan utnyttjas då man planerar blekningssekvenser för olika massor samt för att lösa problem orsakade av kalciumoxalat. Forskningsmetoderna som användes i utfällningsstudierna samt för utvärdering av tillsatsmedel kan också utnyttjas inom andra områden, t.ex. bryggeri- och sockerindustrin, där kalciumoxalatproblem är vanligt förekommande. -------------------------------------------- Paperinvalmistusta häiritsevät usein erilaiset epäpuhtaudet, jotka kiinnittyvät prosessipinnoille ja haittaavat tuotantoa sekä paperin laatua. Puun pihkan lisäksi eräs yleinen ongelma on niukkaliukoisten suolojen aiheuttamat kivettymät. Kalkkisaostuma kahvinkeittimessä on esimerkki vastaavasta ongelmasta arkielämässä. Massa- ja paperiteollisuudessa yksi hankalimmista kivettymien muodostajista on kalsiumoksalaatti, koska se on lähes liukenematonta ja sen aiheuttamat saostumat ovat erittäin vaikeasti poistettavia. Kalsiumoksalaatti on yleisesti tunnettu myös munuaiskivien aiheuttajana ihmisillä. Puu ja varsinkin sen kuori sisältää aina jonkin verran oksalaattia, mutta suurempi lähde on kuitenkin oksaalihappo jota muodostuu valkaistaessa massaa hapettavilla kemikaaleilla, kuten vetyperoksidilla. Kalsiumoksalaattia syntyy kun veden, puun ja lisäaineiden mukana prosessiin tuleva kalsium reagoi oksalaatin kanssa. Tässä väitöskirjatyössä tutkittiin oksaalihapon muodostumiseen ja kalsiumoksalaatin saostumiseen vaikuttavia tekijöitä valkaisu- ja saostumiskokeiden avulla. Tutkimuksen painopiste oli saostumien ehkäisemisessä puupitoisten painopaperien valmistuksessa. Työssä saadut tulokset osoittavat että oksaalihapon muodostumiseen ja kalsiumoksalaatin saostumiseen voidaan vaikuttaa sekä prosessiteknisten että märänpään kemian keinojen avulla. Tehokas puun kuorinta, optimoidut olosuhteet peroksidivalkaisussa, muiden liuenneiden ja kolloidisten aineiden hallinta sekä räätälöidyn kemian hyödyntäminen kalsiumoksalaattisaostumien torjunnassa ovat keskeisissä rooleissa ongelmien välttämiseksi. Väitöskirjatyön tuloksia voidaan hyödyntää massan valkaisulinjoja suunniteltaessa sekä kalsiumoksalaatin aiheuttamien ongelmien ratkaisemisessa. Tutkimusmenetelmiä, joita käytettiin saostumiskokeissa ja eri lisäaineiden vaikutusten arvioinnissa, voidaan hyödyntää massa- ja paperiteollisuuden lisäksi myös muilla alueilla, kuten sokeri- ja panimoteollisuudessa, joissa ongelma on myös yleinen.

Influence of reactant absorption and dissolution in heterogeneous precipitation processes

In this research work, the aim was to investigate the volumetric mass transfer coefficient [kLa] of oxygen in stirred tank in the presence of solid particle experimentally. The kLa correlations as a function of propeller rotation speed and flow rate of gas feed were studied. The O2 and CO2 absorption in water and in solid-liquid suspensions and heterogeneous precipitation of MgCO3 were thoroughly examined. The absorption experiments of oxygen were conducted in various systems like pure water and in aqueous suspensions of quartz and calcium carbonate particles. Secondly, the precipitation kinetics of magnesium carbonate was also investigated. The experiments were performed to study the reactive crystallization with magnesium hydroxide slurry and carbon dioxide gas by varying the feed rates of carbon dioxide and rotation speeds of mixer. The results of absorption and precipitation are evaluated by titration, total carbon (TC analysis), and ionic chromatrography (IC). For calcium carbonate, the particle concentration was varied from 17.4 g to 2382 g with two size fractions: 5 µm and 45-63 µm sieves. The kLa and P/V values of 17.4 g CaCO3 with particle size of 5µm and 45-63 µm were 0.016 s-1 and 2400 W/m3. At 69.9 g concentration of CaCO3, the achieved kLa is 0.014 s-1 with particle size of 5 µm and 0.017 s-1 with particle size of 45 to 63 µm. Further increase in concentration of calcium carbonate, i.e. 870g and 2382g , does not affect volumetric mass transfer coeffienct of oxygen. It could be concluded from absorption results that maximum value of kLa is 0.016 s-1. Also particle size and concentration does affect the transfer rate to some extend. For precipitation experiments, the constant concentration of Mg(OH)2 was 100 g and the rotation speed varied from 560 to 750 rpm, whereas the used feed rates of CO2 were 1 and 9 L/min. At 560 rpm and feed rate of CO2 is 1 L/min, the maximum value of Mg ion and TC were 0.25 mol/litre and 0.12 mol/litre with the residence time of 40 min. When flow rate of CO2 increased to 9 L/min with same 560 rpm, the achieved value of Mg and TC were 0.3 mol/litre and 0.12 mol/L with shorter residence time of 30 min. It is concluded that feed rate of CO2 is dominant in precipitation experiments and it has a key role in dissociation and reaction of magnesium hydroxide in precipitation of magnesium carbonate.

Carponate precipitation with carbon dioxide gas

The aim of this thesis research work focused on the carbonate precipitation of magnesium using magnesium hydroxide Mg(OH)2 and carbon dioxide (CO2) gas at ambient temperature and pressure. The rate of dissolution of Mg(OH)2 and precipitation kinetics were investigated under different operating conditions. The conductivity and pH of the solution were inline monitored by a Consort meter and the solid samples gotten from the precipitation reaction were analysed by a laser diffraction analyzer Malvern Mastersizer to obtain particle size distributions (PSD) of crystal samples. Also the Mg2+ concentration profiles were determined from the liquid phase of the precipitate by ion chromatography (IC) analysis. Crystal morphology of the obtained precipitates were also investigated and discussed in this work. For the carbonation reaction of magnesium hydroxide in the present work, it was found that magnesium carbonate trihydrate (nesquehonite) was the main product and its formation occurred at a pH of around 7-8. The stirrer speed has a significant effect on the dissolution rate of Mg(OH)2. The highest obtained Mg2+ concentration level was 0.424 mol L-l for the 470 rpm and 0.387 mol L-1 for the 560 rpm which corresponded to the processing time of 45 mins and 40 mins respectively. The particle size distribution shows that the average particle size keeps increasing during the reaction as the CO2 is been fed to the system. The carbonation process is kinetically favored and simple as nesquehonite formation occurs in a very short time. It is a thermodynamically and chemically stable solid product, which allows for a long-term storage of CO2. Since the carbonation reaction is a complex system which includes dissolution of magnesium hydroxide particles, absorption of CO2, chemical reaction and crystallization, the dissolution of magnesium hydroxide was studied in hydrochloric acid (HCl) solvent with and without nitrogen (N2) inert gas. It was found on the dissolution part that the impeller speed had effect on the dissolution rate. The higher the impeller speed the higher the pH of the solution, although for the highest speed of 650rpm it was not the case. Therefore, it was concluded that the optimum speed of the stirrer was 560rpm. The influence of inert gas N2 on the dissolution rate of Mg(OH)2 particles could be seen based on measured pH, electric conductivity and Mg2+ concentration curves.