Formation of polyelectrolyte multilayers and polyelectrolyte complexes in dual polymer treatment of papermaking pulp

The goal of this study was to find a new approach to modify chemically the properties of paper by improving fiber quality. This Master’s thesis includes the multiple polymer treatment in general and themeasurement methods with which the formation of multilayers and complexes can be noticed. The treatment by an oppositely charged dual polymer system is a good approach to increase paper strength. In this work, starch, a cationic polymer, and carboxymethyl cellulose (CMC), an anionic polymer, were used step-by-step to improve paper strength. The adsorption of cationic starch and CMC on cellulose fibers were analyzed via polyelectrolyte titration. The results showed that paper strength was enhanced slightly with a layer-by-layer assembly of the polymers. However, if the washing stage, which was required for layer-by-layer assembly, was eliminated, the starch/CMC complex was deposited on fibers more efficiently, and the paper strength was improved more significantly.

Kaasun dispergoituminen tehdasmittakaavaisessa keskisakean massan sekoittimessa

Työn tarkoituksena oli selvittää Proto 10 kemikaalisekoittimen kyky dispergoida kaasua keskisakean valkaistun mäntysellun joukkoon. Työssä käytettiin kuvantamistekniikkaa, jonka avulla pystyttiin näkemään sekoittimen ja putkiston sisälle sekoitustapahtuman aikana. Muodostunutta dispersiota tarkasteltiin kolmesta kuvauspisteestä, joista yksi sijaitsi sekoittimen pesässä ja kaksi putkistossa sekoittimen jälkeen. Työssä verrattiin myös laboratoriosekoittimella saatuja tuloksia teollisen mittakaavan sekoittimella saatuihin tuloksiin, sekä määritettiin tarvittava pinta-aktiivisen aineen konsentraatio, jolla saavutettiin ruskeaa massaa vastaava vaahtoaminen. Työn kokeellinen osuus koostui kolmesta osasta. Ensimmäisessä vaiheessa tutkittiin ruskeasta mänty- ja koivumassasta lingotun suodoksen vaahtoamista ja verrattiin sitä vedellä ja pesuaineella saatavaan vaahtoon. Toisessa vaiheessa suoritettiin referenssiajot laboratoriosekoittimen ja teollisen mittakaavan sekoittimen vertailua varten Quantum Mark IV laboratoriosekoittimella. Kolmannessa vaiheessa tutkittiin Proto 10 sekoittimen kykyä dispergoida kaasua mäntysellun joukkoon eri pyörimisnopeuksilla ja virtaamilla. Työn tuloksien perusteella energiankäytön kannalta paras pyörimisnopeus Proto 10 sekoittimelle on 1500 min-1. Nostamalla kierrosnopeutta yli tämän ei saavutettu merkittävää parannusta dispersion laadussa varsinkaan suuremmilla virtaamilla. Virtaamalla todettiin olevan suuri merkitys sekoitustulokseen. Laboratoriosekoittimella tehtyjen kokeiden todettiin vastaavan parhaiten teollisen mittakaavan tuloksia pyörimisnopeudella 1200 min-1.

Influência dos atributos do solo sobre a qualidade da madeira de Pinus taeda para produção de celulose Kraft

Neste trabalho foram analisados os efeitos dos atributos do solo sobre a qualidade da madeira de Pinus taeda para produção de celulose Kraft, em áreas da Klabin, em Telêmaco Borba-PR. Foram estudados oito sítios com árvores de 12 anos de idade, selecionados pelo tipo de solo, textura e vegetação primária. Para caracterização dos sítios foram realizadas coletas de amostras em três horizontes, tendo sido coletadas amostras indeformadas e compostas, analisando-se as seguintes variáveis no solo: densidade global, porosidade total, macroporosidade, disponibilidade de água, fertilidade e granulometria. Selecionaram-se cinco árvores médias por sítio, nas quais foram medidos as alturas total e comercial e o DAP e retirados discos, sendo este material ensaiado quanto a densidade básica, composição química, características morfológicas dos traqueídeos e produção de celulose Kraft. Com relação às propriedades da madeira, os atributos físicos do solo demonstraram ter maior influência. De modo geral, as madeiras provenientes de sítios com texturas mais argilosas apresentaram menores valores de densidade básica; maiores teores de extrativos e lignina; menores teores de holocelulose e celulose; traqueídeos mais curtos, mais largos, com paredes mais finas e com diâmetros do lúmen maiores; e menor rendimento em celulose. A partir destes resultados, concluiu-se ser possível a previsão de propriedades da polpa através da análise das características da madeira associada às condições edáficas reinantes.

Influência da densidade básica da madeira na qualidade da polpa kraft de clones hibrídos de Eucalyptus grandis W. Hill ex Maiden X Eucalyptus urophylla S. T. Blake

Foram estudados dois clones de Eucalyptus com densidades básicas de 447 e 552 kg/m³. O processo kraft foi utilizado para a produção de celulose, tendo sido aplicadas diferentes cargas de álcali para se obterem polpas com número kappa 18 ± 0,5. As polpas foram branqueadas pela seqüência ODEopDD, a alvuras de 90 ± 1% ISO, e refinadas, sendo suas propriedades físico-mecânicas e ópticas analisadas. A madeira de baixa densidade mostrou-se mais recomendável para a produção de celulose, por ter apresentado maior rendimento depurado, viscosidade da polpa mais elevada, ter requerido menor carga de álcali no cozimento, ter proporcionado menor teor de sólidos no licor residual e menor consumo de reagentes químicos no branqueamento. As propriedades mecânicas e estruturais das polpas não foram afetadas significativamente pela densidade básica das madeiras.

Utilização de surfactantes, na polpação kraft de madeira de eucalipto, como auxiliar na remoção de extrativos lipofílicos

Problemas de deposição de "pitch" em fábricas de celulose e de papel são atribuídos aos extrativos lipofílicos existentes na madeira. Uma das maneiras mais eficientes de controlar essa deposição é através da remoção de seus precursores do sistema, logo que possível, nas etapas de cozimento, lavagem da polpa marrom e pré-deslignificação com oxigênio. O uso de surfactantes como aditivos da polpação tem sido investigado, mas há grande deficiência de informações técnicas, e a aplicação industrial é, ainda, incipiente. A proposta deste trabalho foi analisar a viabilidade de minimizar a deposição de "pitch", intensificando a remoção de suas substâncias precursoras na etapa de polpação pelo uso de tensoativos sintéticos com propriedades umectantes e solubilizantes. Foram testados 20 princípios ativos de surfactantes em cozimento kraft convencional de madeira de eucalipto. Os resultados, alguns estatisticamente significativos, apontaram redução do teor de substâncias lipofílicas na polpa marrom. Foi observado que a remoção dos extrativos lipofílicos da madeira é afetada, inversamente, pelo teor de óxido de eteno na molécula do surfactante. Outros parâmetros de cozimento, como deslignificação, rendimento, teor de rejeitos e viscosidade da polpa, foram também avaliados.

Avaliação da madeira e da polpação kraft em clones de eucaliptos

A produção de celulose de baixo custo e alta qualidade requer madeira adequada e bem selecionada. A seleção de clones superiores tem sido realizada com base em critérios como densidade básica, rendimento gravimétrico da polpação e composição química da madeira, especialmente de celulose, hemiceluloses, extrativos e ligninas. O objetivo deste trabalho foi avaliar as características da madeira de Eucalyptus, por método destrutivo, e a produção de polpa celulósica kraft em seis clones. Utilizaram-se cinco árvores de cada clone, aos 3 anos de idade, plantadas em espaçamento 3,0 m x 3,3 m, nas regiões de Cocais, Guanhães, Rio Doce e Santa Bárbara, Estado de Minas Gerais. A densidade básica foi medida em discos extraídos a 1,3 m de altura do solo (DAP) e em cavacos da árvore inteira (amostra composta). A composição química foi medida em amostras de serragem, retiradas no DAP. Os cozimentos foram efetuados a partir de cavacos da árvore inteira. Verificou-se que a densidade medida no DAP foi ligeiramente superior à medida nos cavacos da árvore toda. A composição química geral da madeira foi muito influenciada pelo tipo de clone, local de plantio e interação. Locais mais montanhosos produziram madeira com maior teor de celulose e menor de hemicelulose. A madeira do clone F da região de Santa Bárbara e Cocais apresentaram madeiras de qualidade inferior para produção de polpa celulósica. Os melhores rendimentos de polpação kraft foram alcançados com o clone B nas regiões de Guanhães e Santa Bárbara.

Análise de critérios de qualidade da madeira de eucalipto para produção de celulose kraft

Setenta e cinco amostras de madeiras de clones de Eucalyptus, obtidas de diferentes regiões geográficas do Brasil, foram utilizadas para este estudo. Análises estatísticas demonstraram que a carga de álcali ativo para polpação, o teor de lignina e o teor de extrativos apresentaram efeitos significativos no rendimento da polpação kraft. A densidade básica da madeira não afetou significativamente o rendimento da polpação, mas sim o consumo de madeira para produção de celulose (m³ madeira/t celulose). Densidade básica, teor de lignina e teor de extrativos foram recomendados como critérios de qualidade da madeira a serem determinados para seleção de clones antes da determinação das características de polpação.

Geração de finos no branqueamento de pasta kraft de eucalipto e seu efeito nas propriedades do papel

Este trabalho teve por objetivo avaliar a quantidade de finos gerada por diferentes reagentes de branqueamento e seu efeito nas propriedades físicas e mecânicas da celulose kraft de eucalipto. A polpa foi branqueada por quatro sequências diferentes. Parte das amostras foi classificada em equipamento Bauer-McNett, sendo a parte não classificada (global) refinada para 40 ºSR, em moinho laboratorial PFI. As duas maiores porções de cada amostra proveniente da classificação foram também refinadas com o mesmo número de revoluções que a sua amostra global. Realizaram-se ensaios físicos e mecânicos das amostras refinadas, e suas fibras foram analisadas em equipamento FQA (Fiber Quality Analyser), antes e depois do refino. A maior quantidade de finos foi observada nas polpas refinadas e na sequência-referência. Os resultados de tração foram mais elevados e significativos nas amostras globais; as polpas classificadas não apresentaram diferença entre si, sendo atribuída a maior resistência à tração na presença de finos. A resistência ao rasgo foi afetada pelo comprimento das fibras e não pelo teor de finos. Os maiores valores de ascensão capilar Klemm ocorreram nas amostras classificadas em razão da ausência de finos e do maior comprimento de fibras.

Energy Efficiency of Pumping Medium Consistency Pulp with Centrifugal Pump

Approximately a quarter of electrical power consumption in pulp and paper industry is used in different pumping systems. Therefore, improving pumping system efficiency is a considerable way to reduce energy consumption in different processes. Pumping of wood pulp in different consistencies is common in pulp and paper industry. Earlier, centrifugal pumps were used to pump pulp only at low consistencies, but development of MC technology has made it possible to pump medium consistency pulp. Pulp is a non-Newtonian fluid, which flow characteristics are significantly different than what of water. In this thesis is examined the energy efficiency of pumping medium consistency pulp with centrifugal pump. The factors effecting the pumping of MC pulp are presented and through case study is examined the energy efficiency of pumping in practice. With data obtained from the case study are evaluated the effects of pump rotational speed and pulp consistency on energy efficiency. Additionally, losses caused by control valve and validity of affinity laws in pulp pumping are evaluated. The results of this study can be used for demonstrating the energy consumption of MC pumping processes and finding ways to improve energy efficiency in these processes.

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.

Fotodegradação heterogênea de efluente de polpa kraft branqueada com cloro

A polpa celulósica da madeira deve ser branqueada e alvejada para atingir elevado valor comercial. O cloro é muito eficiente no branqueamento da polpa obtida por processo químico, mas também produz subprodutos altamente poluentes e tóxicos. Outros produtos químicos de branqueamento têm sido propostos para reduzir a toxicidade, mas são mais caros e menos versáteis. A fotodegradação catalítica com o uso de radiação ultravioleta (UV) foi feita para avaliar o potencial de redução do teor de poluentes encontrados em um efluente de branqueamento de celulose com o uso de cloro. A polpa celulósica de Pinus taeda foi produzida e branqueada em laboratório. Três litros de efluente receberam 3 g de dióxido de titânio (TiO2) e foram submetidos à radiação UV. Essa radiação foi produzida com o uso da ampola de lâmpada de vapor de mercúrio de alta pressão de 250 W (12.500 Lm) durante 240 min. A fotodegradação a 25 ºC por 240 min com UV reduziu em cerca de 43% a cor, 40% a DBO5, 50% a DQO, 40% de material calcinável e 45% do carbono orgânico total, além de baixar a toxicidade LC50 para o efluente tratado. O bioindicador Artemia salina apresentou o tempo de sobrevida maior do que 1.000% para o efluente tratado. A distribuição dos pontos experimentais de 0 a 240 min sugere que a fotodegradação deveria ser estendida. Assim, a redução de poluentes observada sugere que esse processo oxidativo avançado (POA), com fotocatálise com o uso de UV e TiO2, pode ser conveniente para o tratamento de efluentes clorados de branqueamento. Isso pode viabilizar o uso seguro de branqueamento com cloro.

Microencapsulation of pequi pulp by spray drying: use of modified starches as encapsulating agent

The aim of this study was to evaluate the microencapsulation of pequi pulp by spray drying. A central composite rotational design was used in order to evaluate the effect of the independent variables: inlet air temperature, surfactant concentration and modified starch concentration. The dependent variables were assumed as yield of the process and the product features microencapsulated. A selection of the best process condition was performed to obtain the best condition of a product with the highest vitamin C and carotenoids content. Powders showed moisture content below 2%. The experimental values of hygroscopicity, yield, water activity, total carotenoids and vitamin C powders ranged from 7.96 to 10.67 g of adsorbed water/100g of solids, 24.34 to 49.80%, 0.13 to 0.30, 145.78 to 292.11 mg of ascorbic acid/g of pequi solids and 15.51 to 123.42 mg of carotenoids/g of pequi solids, respectively. The inlet air temperature 140°C, the surfactant concentration of 2.5% and the modified starch concentration of 22.5% was recommended as the selected condition. By the scanning electron microscopy, it was observed that most of the particles had spherical shape and smooth surface.

Stochastic variability of output levels in a pulp mill

Quite often, in the construction of a pulp mill involves establishing the size of tanks which will accommodate the material from the various processes in which case estimating the right tank size a priori would be vital. Hence, simulation of the whole production process would be worthwhile. Therefore, there is need to develop mathematical models that would mimic the behavior of the output from the various production units of the pulp mill to work as simulators. Markov chain models, Autoregressive moving average (ARMA) model, Mean reversion models with ensemble interaction together with Markov regime switching models are proposed for that purpose.

Sorption of metal ions to wood, pulp and bark materials

Ett huvudmål med denna avhandling var att erhålla ny information om växelverkan mellan metalljoner i vattenfas och träbaserade material såsom olika pappersmassor, ved och bark. Material av gran, tall och björk har studerats. En ny känslig kolonnkromatografisk metod utvecklades för bestämning av affinitetsordningar för 17 olika metalljoner. Av dessa bands trevärt järn och de mycket toxiska tungmetallerna bly, koppar och kadmium starkast till de studerade materialen. Växelverkan i dessa tvåfas system sker som jonbyte, huvudsakligen via komplexbildning av metalljoner till funktionella grupper i den fasta fasen. Vattenfasens pH är den viktigaste parametern som bestämmer totala halten av metalljoner som binds till materialen. Resultatet i denna avhandling kan delvis betraktas som grundforskning. En ny kunskap om metalljoners förekomst och kemiska reaktioner i dessa system är även av stor ekonomisk och ekologisk, betydelse, när man strävar till allt mera slutna system i moderna massafabriker. Avhandlingen visar också att trädbark har stor potential för biosorption av tungmetaller t.ex. från avfallsvatten. Trädbark har nästan lika stor bindningskapacitet som dyra syntetiska jonbytare.