Separation mechanisms in nanofiltration and retention changes of organic compounds

Orgaanisten yhdisteiden negatiivinen retentio nanosuodatuksessa on ilmiö, jota eiole kovin paljon tutkittu. Negatiivisen retentioon vaikuttavat syyt tai tekijäteivät ole kovin hyvin tiedossa. Erotusmenetelmänä negatiivinen retentio voi olla käyttökelpoinen tietyissä sovelluksissa. Työn kirjallisuusosa käsittelee nanosuodatuksen erotusmekanismeja ja retentioon vaikuttavia tekijöitä. Myös joitakin malleja on esitetty. Nanosuodatus on monimutkainen prosessi, josta ei voida löytää vain yhtä erotusmekanismia tai retentioon vaikuttavaa tekijää. Prosessit ovat kokonaisuuksia, joissa erottumiseen vaikuttavat syöttöliuoksen, erotettavan komponentin ja kalvon ominaisuudet, ja niiden väliset vuorovaikutukset. Työn kokeellisessa osassa koottiin mahdollisimman paljon esimerkkejä, joissa monosakkaridien negatiivinen retentio ilmenee. Muita orgaanisia ja epäorgaanisia yhdisteitä käytettiin 'häiriöyhdisteinä' syöttöliuoksessa monosakkaridien kanssa. Kokeet suoritettiin kahdella laboratoriomittakaavan suodatuslaitteella käyttäen kahta kaupallista nanosuodatuskalvoa. Negatiivinen retentio ilmeni useissa tapauksissa. Permeaattivuon ja 'häiriöyhdisteiden' pitoisuuksien havaittiin vaikuttavan voimakkaasti negatiivisen retention ilmenemiseen.

Pulp Fractionation in a Pilot Paper Machine

Tämän diplomityön tarkoituksena on tutkia paperimassan jakautumiseen vaikuttavia tekijöitä paperinvalmistusprosessissa. Työn empiirisen osan tavoitteena on analysoida perälaatikon hienoainepitoisuuden ja paperimassan virtausnopeuden vaikutusta paperimassan jakautumiseen pilottipaperikoneessa, sekä selvittää voidaanko näitä prosessiparametreja optimoimalla saavuttaa merkittävää retention, vedenpoiston ja kaksipuolisuuden parantumista. Työn teoreettinen osa sisältää kirjallisuuskatsauksen märänpään kemiasta ja yhteenvedon aikaisemmasta tutkimuksesta koskien paperimassan jakautumista paperinvalmistusprosessissa. Työn empiirisessä osassa on tutkittu perälaatikon hienoainepitoisuuden ja paperimassan virtausnopeuden vaikutusta retentioon, vedenpoistoon ja paperimassan jakautumiseen Papricanin pilottipaperikoneessa. Analyysissä on käytetty yhteensovitettua dataa, joka on saatu kattavien pilottipaperikonekokeiden ja taulukkolaskentaohjelmalla toteutettujen staattisten simulointimallien avulla. Simulointimalleissa perälaatikon hienoainepitoisuus on 30-55%, sekä paperimassan virtausnopeudet ovat 2470 L/min, 3870 L/min ja 5230 L/min. Muut prosessiparametrit on vakioitu, eikä retentioainetta käytetty. Retentio pilottipaperikoneessa oli 55-82% riippuen perälaatikon hienoainepitoisuudesta ja paperimassan virtausnopeudesta. Perälaatikon hienoainepitoisuuden ja retention välillä oli voimakas negatiivinen korrelaatio. Myös paperimassan virtausnopeuden ja retention välillä oli negatiivinen korrelaatio. Mitä alhaisempi retentio, sitä enemmän hienoainesta kerääntyi systeemiin. Hienoaineen huuhtoutuminen paperirainasta korreloi vedenpoistoon: pienemmällä paperimassan virtausnopeudella enemmän sekä vettä että hienoainetta poistui viirapuolelta, ja suuremmalla paperimassan virtausnopeudella saman verran sekä vettä että hienoainetta poistui rainan molemmilta puolilta. Paras paperirainan kaksipuolisuus saavutettiin korkeilla perälaatikon hienoainepitoisuuksilla (50% ja 55%) suurilla paperimassan virtausnopeuksilla (3870 L/min ja 5230 L/min).

Retentiopolymeerin optimointi täyteaineiden yhtäaikaisannostelussa

Kirjallisuusosassa perehdyttiin retentioaineisiin ja täyteaineisiin sekä retentioaineiden ja rainanmuodostusolosuhteiden vaikutukseen retentioon, vedenpoistoon ja paperin ominaisuuksiin. Tarkemmin kirjallisuusosassa keskityttiin täyteaineiden esiflokkaukseen, retentiopolymeerin adsorptioon sekä retentiopolymeerien ja täyteaineiden annostelutapoihin. Kokeellisessa osassa tutkittiin sarjaa retentiopolymeerejä, joiden varaustiheys ja moolimassa muuttuivat. Yksi polymeereistä oli kahdesta polymeeristävalmistettu suoladispersio ja yksi modifioitu kationinen PAM. Näillä polymeereillä käytiin läpi koesarjoja, joissa muutettiin täyteaineen annosteluaikaa retentiopolymeerin annosteluajan pysyessä vakiona. Lähinnä vertailtiin keskenään perinteistä annostelua, jossa täyteaine annosteltiin paljon ennen retentiopolymeeriä,ja yhtäaikaista annostelua, jossa molemmat annosteltiin yhtä aikaa lähellä perälaatikkoa. Kokeet tehtiin MBF-laitteella, jolla pystytään paperikonetta vastaaviin pulsaatiotaajuuksiin ja sillä voidaan valmistaa tasoviirakoneella valmistetunpaperin kaltaisia laboratorioarkkeja. Valmistetuista arkeista tutkittiin retentioita ja paperiteknisiä ominaisuuksia. Laboratoriokokeiden perusteella yhtäaikainen annostelu antoi paremmat täyteaineretentiot verrattaessa perinteiseen annosteluun lähes kaikissa koesarjoissa. Varsinkin lyhytketjuiset polymeerit näyttivättoimivan hyvin yhtäaikaisannostelulla, mikä saattaisi johtua siitä, että lyhyt reagointiaika sulpun kanssa on lyhytketjuisille polymeereille edullinen, sillä silloin polymeeriketjun konformaatio ei ehdi asettua liian alhaiseksi ja ketjun toimintakyky säilyy parempana. Polymeerin varaustiheyden kasvaessa riittävästi laski täyteaineretentio seuraavissa tapauksissa: SC-massa + kaoliini ja SC-massa +GCC kummallakin annostelulla sekä SC-massa + PCC A perinteisellä annostelulla. Hienopaperimassalla samaa trendiä noudatti täyteaine GCC kummallakin annostelulla, kun taas PCC H:ta käytettäessä paranivat täyteaineretentiot molemmilla annosteluilla. Retentiopolymeerin moolimassan kasvaessa riittävästi kääntyi täyteaineretentio laskuun täyteaineilla GCC ja kaoliini, kun käytettiin SC-massaa. Hienopaperimassalla GCC noudatti tätä samaa taipumusta. Sen sijaan SC-massalla PCC A:takäytettäessä täyteaineretentio puolestaan nousi hieman moolimassan kasvaessa. Näin kävi myös hienopaperimassalla, kun täyteaineena käytettiin PCC H:ta. Käytettäessä SC-massaa, perinteisellä annostelulla saatiin parempi tai yhtä hyvä valonsironta kuin yhtäaikaisella annostelulla kaikilla täyteaineilla. Tämä saattaisi johtua siitä, että yhtäaikaisannostelulla on muodostunut suurempia täyteaineflokkeja, mikä on alentanut valoa sirottavia pintoja. Täyteaineista korkeimmat valonsirontakertoimet antoi PCC A ja alhaisimmat kaoliini. PCC A:lla oli kapein partikkelikokojakauma, mikä korottaa paperin valonsirontaa. Hienopaperimassalla valonsirontakerroin ja opasiteetti suurenivat GCC-pitoisuuden kasvaessa kummallakin annostelulla, mikä voisi johtua täyteainepartikkelien antamasta paremmasta sironnasta. Yhtäaikaisella annostelulla saavutettiin huomattavasti paremmat valonsironnan arvot perinteiseen annosteluun verrattuna. PCC H-pitoisuuden kasvaessa suurenivat myös valonsirontakerroin ja opasiteetti kummallakin annostelulla. PCC H antoi korkeammat valonsirontakertoimet kuin GCC. PCC omaa suuremman valonheijastusluvun kuin GCC, minkä vuoksi se antaa paremmat valonsirontakertoimen arvot. PCC H:n partikkelikokojakauma oli myös kapeampi kuin GCC:n, mikä mahdollisti paremman valonsironnan ja opasiteetin saavuttamisen.

Stability Evaluation of a Paper Machine Wet End

Työssä analysoidaanprosessin vaikutusta paperikoneen stabiiliuteen. Kaksi modernia sanomalehtipaperikonetta analysoitiin ja sen perusteella molemmista prosesseista rakennettiin fysiikan lakeihin perustuvat simulointimallit APROS Paper simulointiohjelmistolla. Työn tavoitteena on selvittää, miten kyseisten koneiden prosessit eroavat toisistaan ja arvioida, miten havaitut erot vaikuttavat prosessien stabiiliuteen. Työssä tarkastellaan periodisten häiriöiden vaimenemista prosessissa. Simuloinnissa herätteenä käytettiin puhdasta valkoista kohinaa, jonka avulla eri taajuistenperiodisten häiriöiden vaimenemista analysoitiin. Prosessien häiriövasteet esitetään taajuuskoordinaatistossa. Suurimmat erot prosessien välillä löytyivät viirakaivosta ja sen sekoitusdynamiikasta. Perinteisen viirakaivon todettiin muistuttavan käyttäytymiseltään sarjaan kytkettyjä ideaalisekoittimia, kun taas pienempitilavuuksisen fluumin todettiin käyttäytyvän lähes kuin putkiviive. Vaikka erotprosessitilavuudessa sekä viirakaivon sekoitusdynamiikassa olivat hyvin selkeät, havaittiin vain marginaalinen ero prosessin välillä periodisten häiriöiden vaimenemisessa, koska erot viiraretentiotasoissa vaikuttivat eniten simulointituloksia. Matalammalla viiraretentiolla operoivan paperikoneen todettiin vaimentavan tehokkaammin prosessihäiriöitä. Samalla retentiotasolla pienempitilavuuksisen prosessin todettiin vaimentavan hitaita prosessihäiriöitä marginaalisesti paremmin. Tutkituista paperikoneista toisella simuloitiin viiraosan vedenpoistomuutoksenvaikutusta viiraretentioon ja paperin koostumukseen. Lisäksi arvioitiin viiraretention säädön toimivuutta. Viiraosan listakengän vedenpoiston todettiin aiheuttavan merkittäviä sakeus- ja retentiohäiriöitä, mikäli sen avulla poistettavan kiintoaineen virtaus tuplaantuisi. Viiraretention säädön todettiin estävän häiriöiden kierron prosessissa, mutta siirtävän ne suoraan rainaan. Retention säädön eikuitenkaan todettu olevan suoranainen häiriön lähde.

Retentiojärjestelmän optimointi kartonkikoneella

Diplomityössä tutkittiin kartonkikoneen retentiojärjestelmää ja eri mahdollisuuksia retention ja vedenpoiston tehostamiseen. Tavoitteena oli parantaa etenkin runkokerroksen retentiota ja vedenpoistoa. Työssä testattiin kilpailevan kemikaalitoimittajan mikropartikkelia kartonkikoneella. Lisäksi runkokerroksessa testattiin retentiotärkkelyksen vaikutus kartongin palstaumislujuuteen, suoritettiin käytössä olevan mikropartikkelin annostuksen optimointi sekä testattiin alunan käyttöä retentioainesysteemin tehoaineena. Kirjallisuusosassa tarkasteltiin pinta- ja kolloidikemian perusteita, retentioainejärjestelmiä ja niissä käytettäviä kemikaaleja sekä retentioaineilla tehtävään flokkaukseen vaikuttavia tekijöitä. Laboratoriokokeilla tutkittiin kokeellisessa osassa eri mikropartikkelijärjestelmien toimivuutta kartonkikoneen eri kerroksien massoilla. Toimivimmaksi osoittautuneella mikropartikkelilla suoritettiin pilot-koeajo runkokerroksen massalla. Lisäksi suoritettiin toinen pilot-koeajo, jossa tutkittiin mikropartikkelin vaikutuksia saostuman aiheuttajana. Pilot-koeajoissa saavutettiin samat retentiotasot kuin referenssisysteemillä lähes puolet pienemmällä kemikaalin kulutuksella. Kartongin laatuominaisuuksista huokoisuus, formaatio ja AKD-liiman retentio muuttuivat viiraretention mukaan. Saostumakoeajossa ei todettu retentioaineen vaikuttavan saostumien syntyyn. Täyden mittakaavan koeajossa tarkoituksena oli testata kilpailevan mikropartikkelin toimivuus kartonkikoneella. Koeajossa etsittiin optimaalinen mikropartikkelin annostus eri kerroksiin. Pintakerroksen tuhkaretentio nousi hiukan ja vedenpoisto parani. Runko- ja taustakerroksessa saavutettiin samat retentiotasot sekä vedenpoistot. Samat retentiotasot saavutettiin n. 25 % pienemmällä mikropartikkelin kulutuksella. Kartongin laatuominaisuuksista seurattiin palstautumislujuutta, formaatiota ja AKD-liiman retentoitumista. Kartongin palstautumislujuus heikkeni. Vastaavasti runko- ja taustakerroksen AKD-liiman retentio oli hiukan korkeampi koeajetulla mikropartikkelilla. Formaatiossa ei tapahtunut merkittäviä muutoksia. Jatkokokeet tehtiin kartonkikoneen runkokerroksessa. Kokeissa todettiin retentiotärkkelyksen vaikuttavan kartongin palstautumislujuuteen. Käytössä olevan mikropartikkelin annostelun optimointikokeissa ei saavutettu parannusta retentioon eikä vedenpoistoon. Mikropartikkelilla saavutetaan tietty retentiotaso, jonka jälkeen sillä ei ole enää vaikutusta retentiotasoon. Alunan annostelukokeissa ei alle yksi kg/t annosmäärällä ole vaikutusta retentioon ja vedenpoistoon.

Kalvon modifioinnin vaikutus pienten molekyylien nanosuodatukseen

Tässä työssä tutkittiin pienten molekyylien nanosuodatusta kolmella kalvolla. Lappeenrannan teknillisen korkeakoulun laboratoriomittakaavan nanosuodatuslaitteistolla suodatettiin glukoosin, maitohapon ja oktaanihapon vesiliuoksia 0,45 m/s virtausnopeudella. Lisäksi NF 45, NF 270 ja NTR 7450 –kalvoja modifioitiin UV-säteilytyksellä modifiointiaineen kanssa tai ilman. Modifiointiaineina olivat maito- ja oktaanihappo. Kalvon modifioinnilla pyrittiin parantamaan permeabiliteettia ilman retentiohäviöitä. Kirjallisuusosassa käsiteltiin nanosuodatuksen erottumisperiaatteita ja konsentraatiopolarisaation merkitystä liuenneiden aineiden erottumisessa. Lisäksi käsiteltiin kalvon modifioinnin merkitystä suodatuksen parantamiseen ja pienten orgaanisten molekyylien nanosuodatusta. Aluksi suodatettiin glukoosi- ja oktaanihappoliuoksia NF 270 –kalvolla. Glukoosin retentio oli 80% pitoisuudesta riippumatta, mutta oktaanihapon retentio, 70-100%, riippui pitoisuudesta. 100 ppm oktaanihapon pitoisuudessa retentio oli 100% ja suuremmilla pitoisuuksilla alhaisempi. Kun oktaanihappoa suodatettiin modifioimattomilla kalvoilla pH:n funktiona, niin retentiot olivat pH-riippuvaisia. Alhaisilla pH-arvoilla oktaanihapon retentiot olivat lähes nolla ja nousivat jyrkästi pH:ssa 6 siten, että korkeilla pH-arvoilla retentiot olivat yli 80%. Glukoosin suodatuksissa NF 270 –kalvolla modifiointi aina hieman paransi vuota, mutta retentiot huononivat. Oktaanihapon suodatuksissa vuo parani hieman, kun kalvoja (NF 270 ja NTR 7450) oli modifioitu 20 minuuttia UV-säteilytyksellä 100 ppm maitohappoliuoksessa. NTR 7450 –kalvon vuo moninkertaistui modifioimattoman kalvon vuohon verrattuna, kun kalvoa oli UV-säteilytetty 20 minuuttia 2000 ppm maitohappoliuoksessa. Oktaanihapposuodatuksissa retentiot modifioiduilla kalvoilla olivat suurimmat pH-alueella 7-10. Modifioitujen kalvojen permeabiliteetit nousivat jyrkästi pH:ssa 12 kaikilla malliaineilla, mikä viittaa siihen, että modifiointiaine irtosi pH:ssa 12. Toisaalta korkeilla pH-arvoilla kalvo muuttuu avoimemmaksi, joten modifiointiaineen irtoamista ei voitu näiden mittausten perusteella varmentaa. Kalvon modifiointi oli onnistunut, sillä malliainesuodatuksissa havaittiin vuo- ja retentiomuutoksia.

Konsentroitujen liuosten nanosuodatus

The aim of this thesis was to study the retentions of an organic acid and neutral components separately and in mixed solutions. The literature part of this study deals with factors affecting retention in nanofiltration. Nanofiltration is a complex process where many factors are affecting retention depending on the solution, molecule and membrane properties and their interactions. Concentrated model solutions were filtered with Desal-5 DL, NTR 7470 and NF 270 nanofiltration membranes in the experimental part of this work. The effects of pH, pressure and flux on retention were studied. Citric acid was used as the organic acid and the neutral components were inositol, betaine and xylitol. All components were filtered separately. The neutral compounds were also filtered together with citric acid. The filtrations were performed at Lappeenranta University of Technology using laboratory scale nanofiltration equipment. The retentions of neutral components were constant when filtered separately at different pH values. Citric acid had a significant influence on the retention of the neutral compounds. The retentions of neutral compounds decreased significantly when pH increased. The neutral compounds did not have any affect on the retention of citric acid. The retentions of model compounds increased when the flux increased.

Polymeerien erotus ultrasuodatuksella

Työssä selvitettiin suodatusolosuhteiden vaikutusta neutraalien polymeerien pidättymiseen niiden vesiliuoksia suodatettaessa. Suodatuksissa käytettiin kahta regeneroidusta selluloosasta valmistettua ultrasuodatuskalvoa (Microdyn-Nadir UC 030T ja JSC STC Vladipor C 30V). Malliaineina käytettiin polyetyleeniglykolia ja dekstraania. Kirjallisuusosassa esiteltiin aluksi lyhyesti ultrasuodatus erotusmenetelmänä. Lisäksi käsiteltiin ultrasuodatuskalvojen huokoskoon karakterisointimenetelmiä ja selvitettiin polymeerien erottumiseen ultrasuodatuksen aikana vaikuttavia tekijöitä. Työn kokeellisessa osassa tutkittiin paineen ja virtausnopeuden vaikutusta malliaineiden pidättymiseen ultrasuodatuskalvoilla. Lisäksi pyrittiin löytämään suodatusolosuhteet, joissa toinen aineista läpäisisi suodatuskalvon lähes täydellisesti toisen konsentroituessa syöttöliuokseen. Työssä myös määritettiin tutkimuksissa käytetyille kalvoille katkaisukoko, joka kuvaa kalvon kykyä pidättää moolimassaltaan erikokoisia molekyylejä. Lisäksi kokeellisessa osassa selvitettiin työssä käytettyjen kalvojen tasalaatuisuutta vertailemalla keskenään samanlaisissa suodatusolosuhteissa eri kalvopaloilla tehtyjen suodatusten tuloksia. Työssä saatiin erotettua kaksi lähes samankokoista malliaineeksi valittua neutraalia polymeeriä toisistaan siten, että toinen aine pidättyi kalvolla huomattavasti toista ainetta paremmin. Parhaimpaan erotustulokseen päästiin, kun permeaattivuo kalvon läpi oli noin 400 l/(m2 h). Tällöin suodatuspaine oli noin 2 bar ja virtausnopeus alle 2 m/s. Työn aikana määritettyjen katkaisukokojen havaittiin poikkeavan huomattavasti kalvojen valmistajien ilmoittamista arvoista, mutta olevan kuitenkin samaa suuruusluokkaa kuin muiden tutkimusryhmien vastaaville ultrasuodatuskalvoille esittämät arvot. Työn tulosten perusteella C 30V olisi hieman tasalaatuisempi kalvo kuin UC 030T.

Stabilization of the ionic form of weak acid cation exchange resins

Weak acid cation exchange (WAC) resins are used in the chromatographic separation of betaine from vinasse, a by-product of sugar industry. The ionic form of the resin determines the elution time of betaine. When a WAC-resin is in hydrogen form, the retention time of betaine is the longest and betaine elutes as the last component of vi-nasse from the chromatographic column. If the feed solution contains salts and its pH is not acidic enough to keep the resin undissociated, the ionic form of the hydrogen form resin starts to alter. Vinasse contains salts and its pH is around 5, it also contains weak acids. To keep the metal ion content (Na/H ratio) of the resin low enough to ensure successful separation of betaine, acid has to be added to either eluent (water) or vinasse. The aim of the present work was to examine by laboratory experiments which option requires less acid. Also the retention mechanism of betaine was investigated by measuring retention volumes of acetic acid and choline in different Na/H ratios of the resin. It was found that the resulting ionic form of the resin is the same regardless of whether the regeneration acid is added to the eluent or the feed solution (vinasse). Be-sides the salt concentration and the pH of vinasse, also the concentration of weak acids in the feed affects the resulting ionic form of the resin. The more buffering capacity vinasse has, the more acid is required to keep the ionic form of the resin desired. Vinasse was found to be quite strong buffer solution, which means relatively high amounts of acid are required to prevent the Na/H ratio from increasing too much. It is known that the retention volume of betaine decreases significantly, when the Na/H ratio increases. This is assumed to occur, because the amount of hydrogen bonds between the carboxylic groups of betaine and the resin decreases. Same behavior was not found with acetic acid. Choline has the same molecular structure as betaine, but instead of carboxylic group it has hydroxide group. The retention volume of choline increased as the Na/H ratio of the resin increased, because of the ion exchange reaction between choline cation and dissociated carboxylic group of the resin. Since the retention behavior of choline on the resin is opposite to the behavior of be-taine, the strong affinity of betaine towards hydrogen form WAC-resin has to be based on its carboxylic group. It is probable that the quaternary ammonium groups also affect the behavior of the carboxylic groups of betaine, causing them to form hydrogen bonds with the carboxylic groups of the resin.

Nanosuodatuskalvojen alkalikestävyys

Tässä diplomityössä tutkittiin nanosuodatuskalvojen puhdistusta ja kestävyyttä alkalipesuissa. Työn kirjallisuusosassa käsitellään kalvojen likaantumista ja eri puhdistusmenetelmiä, sekä vertaillaan kolmen nanosuodatuskalvon erotusominaisuuksia. Kokeellisessa osassa tutkittiin emäksisten pesukemikaalien vaikutusta kirjallisuusosassa esitettyihin kalvoihin. Käytetyt suodatuskalvot olivat Dow FilmTecTM NF-270, GE Osmonics Desal-5 DL ja Trisep XN45. Kalvojen puhdistukseen käytettiin Ecolabin P3-ultasil 110 ja 112 alkalipesukemikaaleja. Suodatuskokeet tehtiin laboratoriomittakaavan tasokalvojen suodatinlaitteistolla. Alkalikäsittelyitä tehtiin sekä liottamalla kalvoja säilytysastiassa että altistamalla näitä virtauksen ja paineen alaisuudessa. Vaihdettuja muuttujia oliat: pesuainekonsentraatio, lämpötila ja vaikutusaika. Kalvoissa tapahtuneita muutoksia arvioitiin mittaamalla permeabiliteettia sekä magnesiumsulfaatti- ja glukoosiretentioita. Suodatuslämpötilan nostaminen kasvatti lineaarisesti permeabiliteettia ja vastaavasti laski lineaarisesti retentiota. Kalvojen välillä ei ollut eroja permeabiliteettien lämpötilariippuvuuksissa. DL:n retentio laski vähiten lämpötilaa nostettaessa. Liotuskokeiden perusteella kestävät DL- ja NF-270-kalvot noin 1 % P3-ultrasil 110 liuoksia, sekä XN-kalvo 1,2–1,5 %:sia liuoksia, kun lämpötilana on 44 ºC ja vaikutusaikana 50 vrk. Käytettyjen pesukemikaalien välillä ei havaittu eroja. Pienen paineen ja virtauksen alla suoritetuissa käsittelyissä havaittiin alkalihajoamisen noudattavan likimain ensimmäisen kertaluvun reaktiokinetiikkaa ja käyttäytyvän likimain Arrheniuksen yhtälön ennustamalla tavalla. Myös näissä kokeissa XN45 osoittautui kestävimmäksi. Retentioiden heikkenemistä ei pystytty luotettavasti ennustamaan permeabiliteetin perusteella. Työssä osoitettiin että kalvojen muutoksia alkalipesuissa ajan funktiona voidaan ennustaa ja näin teollisuudessa voidaan ennakoida kalvojen vaihtotarvetta.

Magnesiumhydroksidialkalin käytön vaikutukset päällystämättömän aikakauslehtipaperin valmistukseen

Magnesiumhydroksidin on havaittu soveltuvan natriumhydroksidin korvaajaksi mekaanisen massan peroksidivalkaisun alkalina. Työssä selvitettiin, miten magnesiumhydroksidi vaikuttaa paperin valmistukseen ja valmiin paperin ominaisuuksiin. Laboratoriokokeet osoittivat magnesiumhydroksidin soveltuvan mekaanisen massan peroksidivalkaisun alkaliksi, sillä vaaleustavoite saavutettiin sen avulla. Valkaistun massan varaustila, johtokyky sekä ζ -potentiaali laskivat magnesiumhydroksidin vaikutuksesta. Nämä johtivat huomattavasti korkeampaan paperin täyteaineretentioon. Massan vedenpidätyskyky kasvoi korvattaessa natriumhydroksidi magnesiumhydroksidilla. Arkkien ominaisuuksista vetoindeksi, valonsirontakerroin ja taivutusjäykkyys kasvoivat. Kaikki edellä mainitut ominaisuudet viittaavat siihen, että magnesiumhydroksidin käyttö parantaa hienoaineen sitoutumista paperiin.

Liqum-järjestelmän optimointi eräällä paperikoneella

Tämän työn tarkoituksena oli jalkauttaa Liqum Oy:n kehittämä Chemistry Navi-gator (Chena) kunnossapidon ja tuotannon päivittäiseksi työkaluksi prosessin märän pään kemian seurantaan. Chena – analysaattorin mittausteknologia perustuu hapetus – pelkistysreaktioiden mittaamiseen. Analysaattori mittaa paperimassassa olevien ionien ja ionikombinaatioiden konsentraatioita ja aktiivisuuksia kuudella anturilla, joiden toiminta perustuu sähkökemiallisiin muutoksiin mitattavassa näytteessä. Diplomityön tarkoituksena oli erityisesti Chena – järjestelmän toimintakuntoon saattaminen sekä tutkia minkälaisia muutoksia märkäosan kemian tilassa analysaattorilla voidaan havaita. Työn kirjallisuusosassa esitellään yleisesti paperikoneen märkäosan kemiallisia ilmiöitä ja kemian tilan muuttujia. Lisäksi esitellään yleisimpiä prosessiin annosteltavia paperin laatuun sekä prosessin toimivuuteen vaikuttavia kemikaaleja. Kokeellisessa osassa optimoitiin järjestelmässä olevien ajoparametrien raja-arvoja vastaamaan nykypäivän ajo-olosuhteita sekä tutkittiin miten Chenan signaalit reagoivat eri massasuhteilla ja kemikaaliannoksilla. Kokeellisen osassa suoritettujen askelvastekokeiden tulosten perusteella havait-tiin, että peroksidi ja ditioniitti antoivat voimakkaimmat vasteet Chenan signaaleihin varsinkin suuremmilla pitoisuuksilla. Myös retentio- ja vaahdonestoaineen osalta oli havaittavissa selviä vasteita Chenan signaaleissa. Massasuhteiden osalta merkittävimmät vasteet Chenan signaaleihin PK4:n puolella aiheuttivat täysin hylytön massaseos sekä puolet kokonaistilavuudesta päällystämätöntä hylkyä sisältänyt massaseos. PK7:n puolella voimakkaimmat vasteet aiheutuivat alhaisen hylkypitoisuuden massoista. Chena avulla saadaan uutta

Täyteaineen dispergoinnin vaikutus paperin ominaisuuksiin

Kuljetettaessa täyteainetta pidempiä matkoja voidaan aikaan saada säästöjä, mikäli täyteaineliete valmistetaan korkeaan kuiva-ainepitoisuuteen. Dispergointiaineen avulla täyteainelietteen kuiva-ainepitoisuutta voidaan nostaa ilman, että menetetään täyteainelietteen virtausominaisuuksia. Dispergointiaineen tehtävänä on stabiloida täyteaineliete niin, että täyteainepartikkelit pysyvät lietteessä erillään, jolloin lietteen kuiva-ainepitoisuuden kasvattaminen on mahdollista. Täyteainepartikkelien agglomeroituminen estyy, kun dispergointiaine kiinnittyy täyteainepartikkelin pinnalle lisäten partikkelin sähkövarausta ja vahvistaen näin partikkeleiden välisiä repulsiovoimia. Dispergointi on mahdollista tehdä myös steerisellä stabiloinnilla. Yleisimmät käytössä olevat dispergointiaineet ovat polyakryylaatteja. Työssä tutkittiin MBF- laitteella valmistettujen arkkien avulla dispergoinnin vaikutusta täyteaineiden käyttäytymiseen ja paperin ominaisuuksiin. Dispergointiaineen todettiin heikentävän täyteaineen retentiota paperiin, sillä dispergointiaineen aiheuttama täyteaineen anionisuuden kasvu lisää kuidun ja täyteaineen välistä repulsiota. Dispergoitujen täyteaineiden käyttö vaatii retentioaineannoksen kasvattamista, mikä voi johtaa puolestaan formaation heikkenemiseen. Dispergointiaineen todettiin alentavan hienopaperin bulkkia, sillä paksuutta lisääviä agglomeraatteja esiintyi todennäköisesti vähemmän. Lisäksi dispergointiaineen havaittiin heikentävän hienopaperin ja TMP:stä valmistetun paperin optisia ominaisuuksia. Hienopaperilla dispergointiaineen käyttö puolestaan paransi paperin lujuusominaisuuksia. TMP- arkeilla bulkki ja lujuusominaisuudet muuttuivat dispergointiaineannostuksen myötä. 5 ‰:n dispergointiaineannostuksella päästiin samaan bulkkiin sekä lujuusominaisuuksiin kuin ei-dispergoidulla täyteaineella.

Ultrasuodatuskalvon modifiointi paineen, lämpötilan ja emäksen avulla

Työssä tutkittiin polymeerisen ultrasuodatuskalvon modifiointimahdollisuuksia prosessiolosuhteita muuttamalla. Kalvon modifioimisella pyritään sen suodatusominaisuuksien muuttumiseen, joka voi lisätä kalvon käyttökohteita ja parantaa kalvon soveltuvuutta tiettyjen yhdisteiden suodatukseen. Hydrofiilisiä, tiukkoja polymeerisiä ultrasuodatuskalvoja on kaupallisesti saatavilla vähän, joten työssä tutkittiin niiden valmistusta modifioimalla markkinoilla olevaa, löysempää, hydrofiilistä, polymeeristä ultrasuodatuskalvoa. Ultrasuodatuskalvo modifioitiin paineen, lämpötilan ja emäksen avulla. Modifioinnin aiheuttamat muutokset voidaan jakaa pysyviin, osittain palautuviin tai palautuviin muutoksiin. Kalvon rakenteen muuttuessa pysyvästi voidaan kalvo modifioida ennen suodatuksen aloittamista. Tällöin modifioinnissa käytetyt olosuhteet eivät vaikuta suodatukseen kuten muissa tapauksissa. Modifioinnin vaikutusta kalvoon voidaan analysoida eri menetelmillä. Näitä ovat esimerkiksi elektronimikroskopia ja kalvon vuon tai retention analysointi. Mikroskooppikuvia ei voida ottaa suodatuksen aikana, vaan kalvosta saada tietoa ainoastaan alku- ja lopputilanteissa suodatusolosuhteista poistettuna. Vuon ja retention avulla saadaan reaaliaikaista tietoa modifioidun kalvon suodatuskapasiteetin ja erotuskyvyn muutoksista. Työssä modifioinnin vaikutusta seurattiin vuo- ja retentiomittausten avulla ja kalvon rakenteessa tapahtuvia muutoksia tutkittiin pyyhkäisyelektronimikroskooppikuvien ja mikrometrimittausten avulla. Korkeampaa painetta tai lämpötilaa käytettäessä havaittiin vuon alenevan modifioitaessa enemmän kuin matalammissa paineissa tai lämpötiloissa. Korkeampi puristuslämpötila kasvatti myös retentiota. Modifiointiolosuhteiden ollessa emäksisiä aleni permeabiliteetti neutraaleissa olosuhteissa tehtyä puristusta enemmän. Myös retentio aleni emäksen avulla tehdyssä modifioinnissa. Kalvon rakenteessa tapahtuneiden muutosten palautuminen riippui modifiointilämpötilasta, korkeassa lämpötilassa modifioidussa kalvossa palautumista ei tapahtunut. Modifioinnin aiheuttamat kalvojen paksuuden muutokset tukivat retentio- ja vuomittauksia. Pyyhkäisyelektronimikroskooppikuvista voitiin havaita kalvon huokosrakenteen puristuneen modifioinnin aikana.