TCF-valkaisimon laatuvaihtelun pienentäminen

Tämän diplomityön tavoitteena oli pienentää TCF-valkaisimon laatuvaihtelua ja vähentää kemikaaleista aiheutuvia kustannuksia. Työn kirjallisuusosassa tarkasteltiin valkaisuun vaikuttavia tekijöitä. Valkaisukemikaaleista olivat mukana TCF-valkaisussa käytettävät otsoni ja vetyperoksidi. Lisäksi selvitettiin metallien poistoa massasta sekä vesikierron sulkemisesta aiheutuvia ongelmia. Kokeellisessa osassa etsittiin Oy Metsä-Botnia Ab Rauman tehtaan valkaisuprosessin suurimmat laatuominaisuuksien vaihteluun vaikuttavat tekijät. Tavoitteena oli pienentää vaihtelua valmiin massan laatuominaisuuksissa sekä vähentää raaka-aineista ja kemikaaleista aiheutuvia kustannuksia laatuominaisuuksien tasoa laskematta. Tutkimuksessa käytettiin hyväksi Taguchi-menetelmää sekä monimuuttuja-analyysiä. Tutkimuksessa tehtiin kaksi Taguchi-koetta, joissa tutkittiin valkaisimon ensimmäistä otsonivaihetta sekä koko valkaisimoa. Otsonivaiheen merkittävimmiksi tekijöiksi osoittautuivat otsoniannos, otsonin väkevyys sekä pH. Kaikkia valkaisimon vaiheita tutkittaessa löydettiin merkittävimmiksi tekijöiksi ensimmäisen peroksidivaiheen lämpötila, vetyperoksidin jakaminen peroksidivaiheisiin, kelatointi sekä otsonivaiheen otsoniannos ja pH. Optimiajomallin avulla saatiin valkaisimon laatuvaihtelua pienennettyä. Kemikaalikustannuksiin vaikuttavista tekijöistä merkittävimmiksi osoittautuivat kelatoinnin vaikutus, vetyperoksidin annosteleminen molempiin vaiheisiin sekä ensimmäisen peroksidivaiheen lämpötila. Optimiajomallien avulla vetyperoksidikulutusta saatiin pienennettyä noin 24 %.

Kationinvaihtohartsien hapetuskestävyys

Hyvin puhdasta vettä vaativissa sovelluksissa käytettävät kationinvaihtohartsit eivät saisi vuotaa puhdistettavaan veteen mitään vieraita aineita. Todellisuudessa hartsit kuitenkin vuotavat hyvin pieniä määriä erilaisia yhdisteitä käytön aikana. Aineet, joita kationinvaihtohartsi päästää veteen, ovat osaksi hartsin polymerointireaktion aikana sen rungon sisään jääneitä yhdisteitä. Nämä voidaan suurimmaksi osaksi poistaa pesemällä hartsia. Osittain niitä syntyy myös hartsin polystyreenidivinyylibentseenirungon (PS-DVB) hapettuessa. Hapettumisen seurauksena syntyneet yhdisteet ovat pääosin orgaanisia sulfonaatteja. Tämä työ koskee ydinvoimalaitoksissa käytettäviä pulverihartseja, joita käytetään primääripiirissä kiertävän lauhdeveden puhdistukseen ja jotka joutuvat siellä alttiiksi hapettumiselle. Yleensä hapettuminen on hidasta ja se johtuu veteen liuenneesta hapesta. Hapettuminen nopeutuu huomattavasti, jos vedessä on läsnä hapettimia tai siirtymämetalli-ioneja. Tällaisia hapettimia ovat esimerkiksi vetyperoksidi, otsoni, vapaa kloori, typpihappo ja kromi. Vetyperoksidin vaikutuksesta hartsin runkoon muodostuu hydroperoksidiryhmä, jonka hajoamisesta alkaa reaktioiden sarja, joka lopulta johtaa hartsin polymeerirungon katkeamiseen. Siirtymämetalli-ionit katalysoivat peroksidien hajoamista. Tavallisimpia hapetusta katalysoivia metalli-ioneja ovat rauta ja kupari, joiden katalyyttinen aktiivisuus on suuri. Tässä työssä pyrittiin selvittämään, onko mahdollista valmistaa hartseja, jotka kestävät hapettumista paremmin kuin nykyisin käytössä olevat hartsit. Sen tutkimiseksi tehtiin kiihdytettyjä hapetuskokeita käyttäen hapettimena vetyperoksidia ilman siirtymämetalli-ioni katalyyttejä. Hapetuskokeet tehtiin kaupallisesti saatavilla hartseilla ja uusilla työtä varten syntetisoiduilla koehartseilla. Hapetuskokeiden etenemistä seurattiin mittaamalla veteen liuenneiden orgaanisten aineiden kokonaismäärää (TOC-analyysi) ja liuoksessa esiintyvien orgaanisten sulfonaattien määrää johtokykymittauksin. Saadut tulokset antoivat viitteitä siitä, että hartsin synteesiolosuhteilla voi olla suurempi vaikutus sen hapetuskestävyyteen kuin synteesissä käytetyillä raaka-aineilla.

Otsonin käyttö paperin ja kartongin valmistuksen kiertovesien mikrobiologisen tilan hallintaan

Diplomityössä tutkittiin otsonin käytön soveltuvuutta ja etsittiin optimaalista soveltamistapaa kartonki- ja paperikoneen kiertoveden mikrobiologisen tilan hallintaan. Kirjallisuusosassa selvitettiin otsonin tuotannon nykytekniikkaa sekä otettiin selvää saatavilla olevista kapasiteetiltaan riittävistä otsonigeneraattoreista. Kirjallisuuden perusteella selvitettiin myös otsonin reaktioita paperi- ja kartonkikoneen kiertovesissä olevien orgaanisten ja epäorgaanisten aineiden kanssa. Lisäksi käsiteltiin otsonin käytön eri sovelluksia vedenpuhdistuksessa sekä perehdyttiin aikaisemmin tehtyihin tutkimuksiin otsonin käytöstä mikrobitorjuntaan paperi- ja kartonkikoneiden kiertovesistä. Kokeellisessa osassa määritettiin sopiva otsoniannos valkaisematonta sellua käyttävän koneen kiekkosuotimen kirkkaalle ja samealle suodokselle. Vesien otsonointi suoritettiin otsonipilotlaitteistolla. Työssä tutkittiin otsonoinnin vaikutusta kiertoveden mikrobiologisiin ja kemiallisiin ominaisuuksiin. Lisäksi tarkasteltiin kiertoveden otsonoinnin vaikutuksia koepaperikoneella valkaisemattomasta sel-lusta ja hylkymassasta valmistettujen lopputuotteiden laatuun. Työssä arvioitiin myös otsonin käytön mahdollisuutta osittain korvaamaan jo käytössä olevia hapettavia biosidejä. Samealle suodokselle sopivaksi otsoniannokseksi osoittautui 120 mg O3/l (0,3 mg O3/mg CODCr) ja kirkkaalle suodokselle riittävä annos olisi 60 mg O3/l (0,2 mg/mg CODCr). Näillä annoksilla kiertoveden mikrobireduktiot olivat 98–100 %. Kiertoveden hapetuskyky kasvoi 9-14 % ja pH laski yhdellä yksiköllä otsonoinnin vaikutuksesta. Kiertoveden kemiallisiin ominaisuuksiin otsonoinnilla oli edullinen vaikutus, sillä veden sameus, kiintoaine- ja CODCr-pitoisuudet laskivat. Koepaperikoneella havaittiin perälaatikon ilmapitoisuuden vähentyneen jopa 49 % käytettäessä ot-sonoitua kiertovettä. Mikrobiologiset analyysit suoritettiin koepaperikoneen massalle, viiravedelle ja lopputuotteelle. Tutkimusten perusteella mikrobientorjunnan kannalta parhaimmaksi otsonin annos-telupaikaksi osoittautui samea suodos. Massan, viiraveden ja lopputuotteen mikrobimäärät alenivat selvästi. Kemialliset analyysit osoittivat, että kirkasta suodosta käytettäessä oli koepaperikoneen vii-raveden kemiallinen tila parantunut LK-aineen muuttuessa hydrofiilisemmäksi ja sen sitoutumisky-vyn parantuessa. Samealla suodoksella ei muutosta havaittu. Valkaisemattomasta sellusta ja päällystetystä hylystä koepaperikoneella valmistettujen lopputuotteiden lujuus- ja aistinvaraisissa ominaisuuksissa ei tapahtunut merkittävää muutosta. Tulosten perusteella otsonia voisi käyttää korvaamaan hinnaltaan kalliimpia hapettavia biosidejä. Otsonin etuna on, ettei sille resistenttejä mikrobikantoja ole. Kirjallisuuden perusteella otsonin heikkoutena on sen tehon paikallisuus eli otsonin lisänä on käytettävä jotain muuta sekundääristä biosidia ylläpitämään matala mikrobitaso otsonoinnin jälkeen.

Sulfaattisellun valkaisuun käytettävien kemikaalien tuotanto ja valmistuksen energiankulutus

Eri valkaisukemikaalien valmistusmenetelmien välillä on joitakin selkeitä eroja. Erot vaikuttavat erityisesti kemikaalin hintaan ja valmistuksen sekä käytön mielekkyyteen. Kloorikemikaalit sekä otsoni ovat myrkyllisiä ja ympäristölle vaarallisia, mikä tulee ottaa huomioon valmistustapahtumassa ja aineen käytössä. Otsoni ja klooridioksidi on myös välttämätöntä valmistaa sellutehtaalla, koska tuotteet ovat pysymättömiä yhdisteitä. Ainoastaan happikaasua löytyy vapaana luonnosta. Sen valmistukseen riittää yksinkertainen tislaus- tai adsorptiolaitteisto, joilla happi saadaan erotetuksi ilmasta. Klooriyhdisteiden sekä otsonin valmistus vaatii elektrolyysin. Vetyperoksidin luokittelu sijoittuu kahden edellisen ryhmän väliin. Peroksidi voidaan myös valmistaa ilman elektrolyysiä, mutta vedyn valmistus voi tapahtua myös elektrolyyttisesti. Useimmiten vety saadaan kuitenkin maakaasusta tai öljyn reformoinnista. Kloorin valmistuksen yhteydessä syntyy myös natriumhydroksidia. Se on myös tärkeä kemikaali sellun valmistuksessa ja valkaisussa. Kun lasketaan kloorin valmistukseen kuluvaa sähkömäärää, on otettava huomion myös lipeän kaupallinen arvo. Siksi tietty osa kloorin valmistuskustannuksista ja energiasta on laskettava kuuluvaksi lipeälle. Elektrolyysikemikaalien valmistuksessa tarvittava sähköenergia on usein erittäin suuri. Varsinkin, jos tuotantomäärät ovat suuria. Hyötysuhdetta laskee korkea virrantiheys sekä ylijännite. Nämä ilmiöt kasvavat, kun tuotantomäärät ovat suuria ja elektrodimateriaalien määrä on niiden kalleuden takia rajallinen.

Kloorifenoleja sisältävien jätevesien AOP-käsittely

Kirjallisuustyössä tutkittiin tehostetun hapetuksen menetelmiä (engl. Advanced Oxidation Processes, AOPs) kloorifenolien käsittelyssä. Tutkittava aine valittiin US EPA:n (United States Environmental Protection Agency) ympäristölle haitallisten aineiden listalta. Työssä tutkitut AOP-menetelmät olivat otsonointi kasvatetussa pH:ssa, O3/H2O2-prosessi, fotolyyttinen otsonointi (O3/UV), H2O2/UV-prosessi ja Fenton-prosessi (H2O2+Fe2+). AOP-käsittelyssä OH-radikaalien oletetaan pääosin aiheuttavan epäpuhtauksien hapettumisen. Kirjallisuustyössä tutkittiin OH-radikaaleihin vaikuttavien parametrien, kuten pH:n, lämpötilan sekä hapettimien ja hapetettavan aineen konsentraatioiden vaikutusta kloorifenolien hapetusprosessissa. Työn tarkoituksena oli selvittää tehokkain AOP-käsittely kloorifenoleja sisältävien jätevesien käsittelylle. AOP-käsittelyjen tehokkuutta verrattiin hajoamisnopeusvakioiden, puoliintumisaikojen sekä hapettimen kemikaalikulutuksen ja kustannuksen perusteella. Fenton-prosessin ja otsonoinnin pH:ssa 9 todettiin olevan tehokkaimpia menetelmiä kloorifenolien hapetuksessa. Fenton-prosessin hapetusnopeus oli tehokkaampaa 4-CP:n ja 2,4-DCP:n hapetuksessa, kun taas otsonointi pH:ssa 9 hapetti nopeammin 2,3,4,6-TeCP:n ja 2,4,6-TCP:n. Kustannustehokkuuden perusteella Fenton-prosessi oli otsonointia tehokkaampi. Parhaan menetelmän valinta kloorifenoleiden poistamiseksi oli vaikeaa, sillä useissa tutkimuksissa oli tutkittu vain yhtä menetelmää. Lisäksi eri tutkimuksissa käytetyt prosessiolosuhteet olivat erilaiset, joka hankaloitti tutkimusten vertailua. Lopullinen AOP-menetelmän valinta tulisikin suorittaa vasta laboratoriotutkimusten jälkeen.

Mäskin sisältämän ligniinin modifiointi PCD-hapetuksella

Teoriaosassa tutkittiin mäskin muodostumista oluentuotantoprosessissa, ligniiniä ja sen pilkkoutumista hapetuksella, eri kehittyneitä hapetusmenetelmiä ja hapetuksella saatavia potentiaalisia pääkomponentteja. Kehittyneissä hapetusmenetelmissä keskityttiin pääasiassa pulssitettuun koronapurkaukseen perustuvaan PCD-menetelmään (Pulsed Corona Discharge). Tutkittavana pääkomponenttina toimi glyoksyylihappo. Työn kokeellisessa osassa tutkittiin mäskistä erotetun ligniinin pilkkoutumista PCD-hapetuksella. Tässä menetelmässä hapetus perustuu sähköpurkauksen aikana syntyvien hydroksyyliradikaalien ja otsonin muodostumiseen, jotka voivat toimia hapettimina. Kokeissa käytettiin oluentuotannosta saatua mäskiä, josta ligniiniä liuotettiin natriumhydroksidi-vesi-liuoksen avulla uuttamalla.. Tämän jälkeen liuosta käsiteltiin PCD laitteistossa. PCD-käsiteltyä tuotetta analysoitiin mittaamalla ligniinin ja aldehydien pitoisuudet siitä spektrofotometrin avulla. Työn tarkoituksena on tutkia PCD hapetusmenetelmän soveltuvuutta mäskin sisältämän ligniinin muokkaamiseen siten, että siitä syntyvää tuotetta voitaisiin käyttää jossakin muussa sovelluksessa, kuten esimerkiksi lääkkeiden raaka-aineena lääketeollisuudessa. PCD hapetusmenetelmä on koronasähköpurkauksiin perustuva laite, jota käytetään pääasiassa vedenpuhdistuksessa hajoittamaan haitallisia orgaanisia yhdisteitä. Tämän työn perusteella ligniiniä hajosi, aldehydejä muodostui ja hapetusnäytteiden pH laski hapetusajan kasvaessa. Tämä viittasi vahvasti glyoksyylihapon muodostumiseen PCD-laitteistossa.

Lämpötilan vaikutus oksaalihapon hapetukseen pulssitetulla koronapurkauksella

Tutkimuksen tarkoituksena oli kartoittaa lämpötilan vaikutusta veden orgaanisten haitta-aineiden hapetuksessa PCD-menetelmällä. Kokeita tehtiin näytteiden eri alkulämpötiloilla. Malliyhdisteenä kokeissa käytettiin oksaalihappoa. Teoriaosuudessa käsiteltiin pulssittaista koronapurkausta ilmiönä. Lisäksi tarkasteltiin, kuinka PCD-menetelmällä muodostuu hapettimia neste-kaasufaasissa. Syntyvistä hapettimista keskityttiin otsoniin ja hydroksyyliradikaaliin. Kokeellisessa osuudessa esiteltiin käytetty PCD-laitteisto. Esittelyn jälkeen siirryttiin hapetuskokeiden kuvaamiseen ja analyysin suorittamiseen titrauksella. Lopuksi koottiin tulokset. Tutkimuksissa prosessin hapetustehon havaittiin heikentyvän lämpötilan noustessa tutkitulla lämpötila-alueella, mikä voi selittyä kaasufaasissa muodostuvan otsonin heikentyvällä liukoisuudella. Tuloksia voidaan pitää viitteellisinä, ja selkeän mallin muodostamiseksi tarvitaan jatkotutkimuksia laajemmalla lämpötila-alueella tarkasti toistettavilla koejärjestelyillä.

Formation of nitrates in water in presence of formate and oxalate treated with pulsed corona discharge (PCD)

Tavallisten hapetusmenetelmien sijasta kehittyneitä hapetusmenetelmiä (AOP) on kehitetty yhä enemmän, jotta hapetusprosessista tulisi kannattavampi, tehokkaampi, ympäristöystävällisempi ja sitä voitaisiin hyödyntää laajalti eri paikoissa. Uusi teknologia, joka käyttää otsonia ja hydroksyyliradikaalia sähköimpulssien kanssa, on yksi mahdollinen tehokkaampi vedenkäsittelymentelmä. Kyseistä menetelmää kutsutaa pulsed corona discharge (PCD) -menetelmäksi, joka käyttää prosessissa muodostuvia otsonia ja hydroksyyliradikaalia hapettavina tekijöinä. Tässä työssä tutkittiin nitraatin muodostumista vedessä, kun vettä käsiteltiin PCD-laitteessa ja, kun oksalaatti- ja formaatti-ioneja oli sekoittuneina veteen. Nitraatteja muodostuu PCD–laitteessa veteen, kun ilman typpi reagoi hapettimina toimivien otsonin ja hydroksyyliradikaalin kanssa. Aiemmissa tutkimuksissa nitraatin muodostumisen on todistettu parantuvan, kun karboksyylihapot muurahais- ja oksaalihappo ovat sekoittuneina veteen. Tässä tutkimuksessa tarkoituksena oli tutkia, miten formaatti- ja oksalaatti-ionien, joiden pitoisuudet olivat 0 ppm, 50 ppm ja 100 ppm, läsnäolo vedessä vaikuttaa nitraatin muodostumiseen. PCD-kokeista saadut näytteet analysoitiin ionikromatografilla. Kyseisessä tutkimuksessa nitraatin muodostuminen oli samansuuruista jokaisessa kokeessa hapetusajan kasvaessa samalla, kun otettujen näytteiden pH-arvot laskivat. Tuloksena voitiin pitää sitä, ettei formaatti- tai oksalaatti-ioneilla ollut vaikutusta nitraatti-ionien muodostumiseen.