Karakterisering och filtrering av bakvatten från PM6 vid Gruvöns bruk
Effekter på process och papperskvalitet
Characterization and filtration of white water from PM6 at Gruvön’s mill Effects on process and paper quality
Frida Eriksson
Fakulteten för Hälsa, natur- och teknikvetenskap
Högskoleingenjörsprogramet inom Energi- och Miljöteknik 22,5 HP
Handledare: Maria Sandberg Examinator: Lena Brunzell Datum: 2019
Sammanfattning
Det här examensarbete har gjorts på uppdrag av BillerudKornäs i Grums. På pappersmaskin 6 (PM6) tillverkas flutingpapper. Bakvattnet i processen är smutsigt och skapar problem genom igensättningar och sämre körbarhet på pappersmaskinen. Bakvattnet har en hög anjonisk laddning och förhindrar att någon processkemikalie kan användas.
Arbetet började med att bakvatten från PM6 renades genom en enkel filtrering med en filterpåse. Fyra olika metoder användes för att undersöka reningsgraden för filterpåsen och för att karakterisera bakvattnet i processen. Metoderna var filtrering, TOC test, FTIR och Glödning. För att bestämma filterpåsens reningsgrad utfördes metoderna på renat och orenat bakvatten. För att karakterisera bakvattnet utfördes metoderna på orenat bakvatten som sedan filtrerade genom filter med olika maskvidd på 20, 4 och 1,6 mikrometer. Med filtrering bestämdes mängden suspenderande ämnen som filterpåsen renade bort och även mängden av suspenderande ämnen i olika storleksintervall för bakvattnet. Filterpåsen renade bort 18%
av den totala mängden SÄ. 41% av partiklarna i bakvattnet var större än 20 mikrometer. Av allt TOC i bakvattnet var 53% av det löst i bakvattnet. Genom glödning bestämdes andelen organiskt material i bakvattnet till 87%. Med FTIR kan sammansättningen av olika ämnen som finns i bakvattnet bestämmas. Ingen ändring av ämnen i bakvattnet kan ses efter rening.
Fortsättningsvis undersöktes det om renare bakvatten påverkade pappersprocessen.
Konduktiviteten och avvattningsförmågan testades för bakvatten som renades genom filterpåsen och för kranvatten. Orenat bakvatten blandades med renat eller kranvatten till fem olika bakvattenblandningar, där andelen orenat bakvatten var 100, 75, 50, 25 och 0%.
Konduktiviteten minskade linjärt när andelen kranvatten ökade för bakvattenblandningarna.
Det blev ingen skillnad i konduktivitet för bakvatten som renades genom filterpåsen.
Pappersmassans avvattningsförmåga ökande med ca 80% när enbart kranvatten testades och ca 30% när enbart bakvatten som hade renats genom filterpåsen testades. Våtstyrkan och torrhalten på pappersbanan utvärderades men ingen skillnad mellan orenat och renat bakvatten kunde ses. För att se om renare bakvatten påverkade färdig produkt, flutingpapper, tillverkades ark på de olika bakvattenblandningarna. Fyra standardiserade metoder utfördes för att testa styrkan på arken. Metoderna var SCT, CMT, CCT och dragprov. Ingen skillnad på papprets styrka kunde ses när ark tillverkades med renare bakvatten. En effekt av att rena bakvatten är att fibrer som annars skulle ha använts till fluting går förlorad under reningsprocessen. Om hela flödet som undersöks ska renas måste 2,4% mer pappersmassa produceras per år.
Abstract
This thesis project has been commissioned by BillerudKorsnäs in Grums. On paper machine 6 (PM6), fluting paper is manufactured. The white water in the process is dirty and creates problems through clogging and poorer drivability on the paper machine. The white water has a high anionic strength and prevents any process chemical from being used.
The work started with the white water from PM6 being purified by a simple filtration with a filter bag. Four different methods were used to examine the degree of purification of the filter bag and to characterize the white water in the process. The methods were filtering, TOC test, FTIR and annealing. To determine the degree of purification of the filter bag, the methods were carried out on unpurified white water and purified white water through the filter bag. To characterize the white water, the methods were carried out on unpurified backwater which was then filtered through filters with different mesh sizes of 20, 4 and 1.6 micrometer. With filtration, the amount of suspended substances determined by the filter bag was determined and also the amount of suspended substances in different size ranges for the white water. The filter bag removed 18% of the total amount of suspended substances. 41% of the particles in the white water were larger than 20 micrometers. Of all TOC in the white water, 53% of it was dissolved in the white water. By annealing, the proportion of organic matter in the white water was determined to be 87%. With FTIR, substances contained in the white water can be determined. No change of substances in the white water can be seen after purification.
Further, it was investigated whether cleaner backwater influenced the paper machine.
Conductivity and dewatering capability were tested for white water which was purified through the filter bag and for tap water. Unpurified white water was mixed with purified or tap water to five different backwater mixtures, where the proportion of unpurified white water was 100, 75, 50, 25 and 0%. Conductivity decreased linearly when the proportion of tap water increased for the backwater mixtures. There was no difference in conductivity for white water which was purified through the filter bag. The dewatering capability of the pulp increased by about 80% when only tap water was tested and about 30% when only white water which has been purified by the filter bag was tested. The wet strength and dry content of the paper web were evaluated, but no difference between unpurified and purified white water could be seen. To see if purifier white water affected finished product, fluting paper, sheets were made on the various white water mixtures. Four standardized methods were performed to test the strength of the sheets. The methods were SCT, CMT, CCT and tensile tests. No difference in paper strength could be seen when sheets were made with purifier white water. One effect of purify white water is that fibers that would otherwise have been used for fluting are lost during the purification process. If the entire flow is to be purified, 2.4% more pulp must be produced per year.
Förord
Detta examensarbete har redovisats muntligt för en i ämnet insatt publik. Arbetet har därefter diskuterats vid ett särskilt seminarium. Författaren av detta arbete har vid seminariet deltagit aktivt som opponent till ett annat examensarbete. Kursen motsvarar 22,5 högskolepoäng och är den avslutande delen i högskoleingenjörsutbildningen inom energi- och miljöteknik vid Karlstad universitet. Arbetet har genomförts under vårterminen 2019.
Jag vill tacka Erika Toresson Nygårds som varit min kontaktperson på BillerudKorsnäs, för att ha bidragit med information och gjort detta arbete möjligt. Jag vill även tacka personal på flutingbruket och labbet på BillerudKorsnäs som har hjälpt mig att ta ut bakvatten och pappersmassa, och visat mig hur utrustningen fungerar.
Jag vill även tacka Maria Sandberg som varit min handledare på Karlstads universitet, för att alltid hjälpt till och kommit med idéer under hela arbetet.
Karlstad, 2019
Frida Eriksson
Innehållsförteckning
1 Introduktion ... 1
1.1 Syfte ... 2
1.2 Mål ... 2
2 Bakgrund ... 3
2.1 BillerudKorsnäs ... 3
2.2 NSSC-process ... 3
2.2.1 Impregnering ... 4
2.2.2 Kokning ... 4
2.2.3 Primärraffinering/defibrering ... 4
2.2.4 Tvättning av massa ... 5
2.2.5 Sekundärraffinering/malning ... 5
2.2.6 Pappersmaskin ... 5
2.3 Vattencirkulation ... 6
2.3.1 Korta cirkulationen ... 7
2.3.2 Långa cirkulationen ... 7
2.4 Partiklar i bakvatten ... 7
2.4.1 Partiklar och föreningar från träd ... 7
2.4.2 Tillsatser från processen ... 8
2.5 Reningsmetoder ... 8
3 Metod ... 9
3.1 Sammanfattning metod ... 9
3.2 Rening och karakterisering av bakvatten ... 10
3.2.1 Filtrering och TOC ... 10
3.2.2 FTIR ... 11
3.2.3 Glödning ... 12
3.3 Effekt på PM6 ... 12
3.3.1 Våtstyrka ... 13
3.3.2 Konduktivitet ... 14
3.3.3 Avvattningsförmåga ... 14
3.4 Påverkan på färdig produkt ... 14
3.5 Förlust av fibrer ... 17
4 Resultat ... 18
4.1 Filtrering och TOC ... 18
4.2 FTIR ... 20
4.3 Glödning ... 21
4.4 Våtstyrka ... 22
4.5 Konduktivitet ... 22
4.6 Avvattningsförmåga ... 23
4.7 Pappersstyrka ... 24
4.8 Ökning av massa ... 28
5 Diskussion ... 29
5.1 Reningsgrad ... 29
5.2 Karakterisering ... 29
5.3 Avvattningsförmåga/våtstyrka ... 30
5.4 Pappersstyrka ... 30
5.5 Felkällor ... 31
6 Slutsatser och vidare studier ... 32
Referenser ... 33
1
1 Introduktion
På pappersmaskin 6 (PM6) på Gruvöns bruk tillverkas idag ca 300 000 ton fluting per år.
Fluting korrugeras och används till den vågiga delen i wellpapp. Wellpapp används såväl till ömtåliga och tunga industriprodukter som för livsmedel. Det är viktigt att flutingen har rätt egenskaper. Motståndskraften mot sammantryckning av wellpappen och tvärstyrkan som utsätts vid stapling av lådor är två viktiga egenskaper för fluting. Skulle flutingskiktet kollapsa förlorar wellpappen och därmed också lådan nästan all sin styvhet, och innehållet i lådan kan skadas. (Dahlgren m.fl. 1980). För att tillverka fluting använder Gruvön neutralsulfitmassa som framställs i NSSC-processen (Neutral Sulfite Semi-Chemical). Det är en halvkemisk process som innehåller både ett kemisk och ett mekaniskt steg. NSSC-processen har en speciell kokprocess där koket bryts vid ett utbyte kring 82–85%, detta medför att finmaterial, kolloidalt material, lignin m.m. följer med i massan till pappersmaskinen (Dahlgren m.fl.
1980). För att minska färskvattenförbrukning återcirkuleras vattnet i pappersprocessen, detta kallas bakvatten. Det material som inte stannar kvar på pappersbanan ackumuleras i bakvattnet. Det kan påverka papprets kvalité negativt och det kan försämra körbarheten på pappersmaskinen. De små partiklarna i bakvattnet leder till igensättningar i maskinen.
Igensättningar i viran leder till sämre avvattningsförmåga som i sin tur påverkar papprets torrhalt och våtstyrka. Om torrhalten och våtsyrkan är för låg kan det uppstå banbrott som innebär att pappret på pappersbanan går av (Nuortila-Jokinen & Nyström 1996). Banbrott är generellt ett stort problem på pappersmaskiner. Det tar långtid att starta igång maskinen igen efter banbrott vilket medför stora kostnader.
I bakvattnet ackumuleras anjoniska organiska föreningar som har en negativ inverkan på retentionssystemet. Ett retentionssystem innebär att i pappersprocessen tillförs kemikalier för att fånga upp partiklar och bibehålla dem på pappersbanan (Axelsson 2003). För att bli av med dessa problem kan bakvattnet behöva renas. Enligt 1Johan Kullander har de tidigare undersökt att rena bakvattnet med kemikalier, men utan framgång. På Gruvöns andra pappersmaskiner används katjoniska retentionskemikalier och stärkelse för att fånga upp små partiklar men på PM6 har bakvattnet en så hög anjonisk laddning att retentionskemikalier inte biter. 1Johan Kullander berättar även att de har undersök möjligheten att rena bakvattnet med membranfiltrering. Det visades sig att det skulle bli alldeles för dyrt och att det skulle ta upp mycket plats, för att behandla de stora flödena på PM6. Därför kommer en enklare och billigare metod av filtrering att utvärderas för att se om processkörbarheten kan förbättras på pappersmaskinen.
För att få en bättre kunskapsgrund karakteriseras bakvattnet med avseende på partikelstorlek.
Karakteriseringen kan leda till mer kunskap över bakvattnets påverkan i processen och även vilken reningsgrad som krävs. För att karakterisera bakvattnet finns det flera metoder att använda. För att undersöka mängden suspenderande ämnen (SÄ) i bakvatten kan filtrering användas. Filtreras bakvattnet genom filter med olika maskvidd kan även mängden SÄ i olika storleksintervall bestämmas. Andelen organiskt material i bakvattnet kan bestämmas genom glödning. Provet ställs in i en ugn med hög temperatur och det flyktiga i provet förångas.
Det som sedan finns kvar av provet innehåller i huvudsak oorganiska ämnen (Carlsson 2017).
Om det visar sig att rening av bakvattnet leder till bättre körbarhet i pappersmaskinen och mindre igensättningar i systemet, kommer förlusten av inkomst som beror av driftstopp att
1 Johan Kullander processingenjör på PM6, kontakt via mail, 2018 december – 2019 juni.
2
minskas. Det är viktigt att resultatet av färdig produkt inte försämras genom ändringar i processen.
1.1 Syfte
Syftet med arbetet är att undersöka hur renare bakvatten på PM6 påverkar körbarheten på pappersmaskinen. Det görs för att minska inkomstförluster som uppkommer vid banbrott och rengöring av igensättningar som har uppkommit av det smutsiga bakvattnet.
1.2 Mål
Målet med studien är att rena bakvattnet från PM6 genom filtrering och undersöka vilka effekter det får på massans avvattningsförmåga, torrhalten på pappersbanan och papprets våtstyrka. Målet är även att undersöka om filtreringen påverkar papprets styrka för färdig produkt. Målet med karakteriseringen av bakvattnet är att få mer förståelse för bakvattnets innehåll.
3
2 Bakgrund
2.1 BillerudKorsnäs
Gruvöns bruk i Grums, är en av BillerudKorsnäs åtta produktionsanläggningar. Utöver sex anläggningar i Sverige har BillerudKorsnäs även produktionsanläggningar i Finland och England. BillerudKorsnäs mission är att ”utmana konventionella förpackningar för en hållbar framtid.” På Gruvön produceras cup stock, fluting, formbart papper, kraftpapper, liners, säckpapper och vätskekartong. Där finns även ett utvecklingscenter med expertkunskap inom förpackningsoptimering. År 2017 producerade Gruvön sammanlagt 710 000 ton produkt. Det var år 1890 som ett sågverk etableras på Gruvön och år 1919 köpte gamla Billerud AB sågverket och expanderade. Mellan 1929 och 1965 har fem pappersmaskiner PM 1–5 och bestrykningsmaskin BM8 startats upp, även stora satsningar inom vätskekartong tillsammans med Tetra Pak och datastyrning tillsammans med IBM har gjorts. Mellan åren 1965–71 expanderade Gruvöns kapacitet med det femdubbla när PM6 uppstartades. Fram till 2012 då Billerud och Korsnäs slog sig samma till BillerudKorsnäs har Top Liner och syrgasblekning introduceras, Gruvön blev det första pappersbruk i värden att bli ISO-certifierad och Fibre Form har lanserats. År 2017 togs det första spadtaget för bygganden av en ny kartongmaskin, KM7. Den kommer att bli världens modernaste kartongmaskin. Byggnaden kommer bli 400 meter lång för att den 350 meter långa och 8,6 meter breda maskinen ska få plats. KM7 kommer ha en kapacitet på 550 000 ton/år (= 100 miljoner en-liters mjölkförpackningar/dygn).
2.2 NSSC-process
NSSC står för Neutral Sulfite Semi-Chemical och är en halvkemisk metod för att framställa pappersmassa som används för att producera fluting, mellanskiktet i wellpapp. Wellpapp består vanligen av linerskikt och flutingsikt. Linerskiktet är vanligtvis av sulfatkokad barrmassa som bidrar med styrka. Flutingskiktet har som uppgift att separera linerskikten och bidrar med böjstyvhet. Hur wellpappen utformas beror helt på användningsområde och finns oändligt många kombinationer, beroende på hur många lager av liner och fluting eller också om linersiktet är tillverkad med blekt eller oblektmassa (Paulapuro 2000). Metoden för NSSC-processen är en kombination mellan kemisk- och mekanisk framställning av massa.
Mekanisk framställning av massa görs genom slipning eller malning som frigör fibrerna från varandra. Den mekaniska metoden har ett högt vedutbyte där endas få procent går till spillo under processen men papprets hållfasthet och hållbarhets egenskaper är relativt låga.
Kemiska massor framställs genom att koka flis i reaktorlösning med sulfat eller sulfid, då försvagas bindningarna i veden av kemikalierna. Jämfört med mekanisk framställning, har den kemiska framställningen ett lägre vedutbyte. Cirka hälften av vedens substans förloras i koket men papprets egenskaper blir mycket starkare vid kemisk framställning än vid mekanisk tillverkning (Dahlgren m.fl. 1980). Figur 1 Beskriver ett blockschema över NCCS- processens olika delar, som följs av en generell beskrivning av NSSC-processen.
4
Figur 1. Blockschema över NSSC-process
2.2.1 Impregnering
För de allra flesta massaprocesser behövs det mindre bitar av trä. Trästockarna som kommer till papper- och massabruket mals ner till flis innan massaprocessen. Det kemiska steget börjar med att flisen impregneras. Det innebär är kokkemikalier tränger in i flisens hålrum, det är viktigt att kokkemikalien fördelas så jämt som möjligt. Ojämn impregnering kan orsaka att flisen inte kokar ordentligt och det kan leda till att defibreringsenergin ökar som i sin tur ökar spethalten som sedan kan leda till sämre körbarhet i pappersmaskinen (Dahlgren m.fl.
1980).
2.2.2 Kokning
Vid kokning av NSSC-massor är avsikten att försvaga bindningarna mellan fibrerna i flisen.
Att koka flisen har två fördelar. Den ena är att defibreringsenergin blir måttlig och fibrerna inte skadas allt för mycket i det mekaniska steget och det andra är att fibrerna får de rätta egenskaperna för massans användning. Det som huvudsakligen eftersträvas vid kokning är att mittlamellen som till största del är uppbyggd av lignin ska lösas ut. En förutsättning för att det ska ske är att kokvätskan har träng in i flisen under impregnering och kommit i kontakt med ligninet under koket. För framställning av halvkemiska massor behöver ligninet endas lösas ut delvis. För neutralsulfitkokning ligger vedutbytet mellan 75–85%. För ett sånt kok löser sig ligninet ut till cirka hälften av vad som finns i veden, cellulosa utlöser sig inte alls och för hemicellulosa bryts cirka en tredjedel ner. Det har visat sig att lövved är bättre för NSSC-massa än vad barrved är. Barrved kräver mer kemikalier och utlösningen av ligninet i mittlamellen är långsammare, barrved kräver även mer energi vid defibreringen. Att hemicellulosan bryts ner till en tredjedel i neutralsulfitkokning är en mindre del än vid andra kokmetoder. Lägre nedbrytning av hemicellulosa är en av fördelarna för neutralsulfidkokningen. En kombination av hög hemicellulosahalt och lövvedens korta styva fibrer ger flutingen den höga styvhet som är viktig för wellpappens funktion. Den låga nedbrytningen av hemicellulosa beror på att neutralsulfitkokningen sker vid nära neutral miljö. Sulfitmetoder brukas delas in i tre och bestäms efter kokvätskans surhetsgrad (pH) (Dahlgren m.fl. 1980).
2.2.3 Primärraffinering/defibrering
Här börjar det mekaniska steget som har till uppgift att separera fibrerna från varandra via defibrering. Defibreringen sker främst i vedens mittlamell och primärvägg, via det kemiska steget har bindningarna mellan fibrerna försvagats så att fibrerna under
5
defibreringsprocessen kan förbli oskadda och hela. Det finns olika deffibreringsmetoder men alla har samma syfte att separera fibrerna. Som nämnts tidigare är det viktigt med ett jämt kok, detta för att minska mängden spett i massan. En ojämnkokning kan även leda till ojämnt defibreringsresultat, som kan leda till att fibrerna trasas sönder och bryts ner till små fragment som kallas ”fines”, det i sin tur kan leda till att avvattnings svårigheter på pappersmassamaskinen. Dålig avvattning på pappersmaskinen har negativa effekter på papprets mekaniska egenskaper (Dahlgren m.fl. 1980).
2.2.4 Tvättning av massa
Efter kokning finns oorganiska och organiska komponenter kvar i kokvätskan. Massan separeras från kokvätskan genom att tvättas på lämpligt sätt. Om tvättningen av massan blir ofullständig kan det medföra att det färdiga pappret får fläckar som orsakas av hartsämnen som finns i kvarvarande lut. Tvättning av massa görs även för att minska miljöpåverkan.
Syftet med tvättning är att rena massan från kokvätskan, återvinna kokvätskans kemikalier, ta tillvara på utlösta vedsubstanser som kan användas som bränsle eller återinföras i processen och för att minska halten av föroreningar i avloppsvattnet som påverkar miljön (Dahlgren m.fl. 1980).
2.2.5 Sekundärraffinering/malning
Malning är den process som ger fibrerna i massan de egenskaper som behövs för pappersbildning. Den viktigaste egenskapen hos halvkemisk massa för att tillverka flutingpapper är dess styvhet. Genom malning kommer det yttre höljet på fibrerna att brytas upp och göra att fibrerna blir flexibla, därför måste malning övervägas noga. Flutingen ska vara styv men inte spröd, den ska uppvisa god körbarhet vid wellpapptillverkning och ha god våtstyrka (Dahlgren m.fl. 1980). Vid det är steget i NSSC-processen på Gruvön blandas det in massor från andra processer.
2.2.6 Pappersmaskin
Pappersbildningen sker genom att inloppslådan fördelar en lågkoncentrerad massablandning jämt över viran. Massablandningens koncentration ligger mellan 0,8–1,2% torrsubstans.
Viran är vävd så att vattnet kan dräneras och fibrerna stannar kvar. Vattnet dräneras via gravitation och vakuum med lågt tryck genom suglådor som placerats under viran (Axelsson 2003). Därefter rör sig viran med fibrerna vidare till en pressektion så att mer vatten kan pressas ut (Brännvall 2007), där ökar torrhalten från 20% till 40–50%. Hög torrsubstans efter pressektionen är önskvärt då det krävs mindre energi för att pressa ut vattnet än att förånga det (Norman 2007). Efter pressektionen rör sig viran till torkpartiet och som är sista steget för att avlägsna vattnet och torrsubstansen ökas till 88–95% (Stenström 2007). Våtstyrkan är en viktig egenskap som är kopplad till torrhalten på pappret i pappersmaskinen. Är våtstyrkan för låg på pappersmaskinen kan det skapa problem genom banbrott.
6
Figur 2. Förenklat flödesschema över NSSC-processen och PM6
2.3 Vattencirkulation
Stora mängder av vatten används vid massa- och pappersbruk. Vatten används till många ändamål i pappersprocessen, som att späda ut pappersmassan innan den går ut på viran, tvättning av maskinbeklädnad och för att tvätta massan är några exempel. Ökade miljökrav har gjort att utvecklingen av nya processer och tekniska förbättringar har minskat färskvattenförbrukningen. Detta genom att ”stänga” vattencirkulationen, det betyder att vattnet i systemet återanvänds och cirkulerar i systemet (Axelsson 2003). Innan stängda system infördes samlades alla flöden i systemet till ett enda stort flöde innan de renades och släpptes ut. Ett första steg att stänga systemet var att samla upp vattnet från viran i en tillräckligt stor tank så att flödeshastigheten i tanken var så låg att viss sedimentering av material var möjlig (Norman 2007).
Större delen av bakvattnet återanvänds i processen, dock måste en viss mängd färskvatten tillföras för att inte salter med mera ska anrikas i bakvattnet och påverka papprets kvalité. I ett modernt bruk ligger färskvattenförbrukningen mellan 10–50 kubikmeter per ton papper (SkogsSverige 2017). Vatten som lämnar systemet måste först renas via ett skivfilter och det material som blir kvar återförs till processen (Norman 2007).
Det finns både för och nackdelar med stängda system. Fördelar är att färskvattenförbrukningen minimeras, genom att bakvattnet renas med lämpliga reningsmetoder och recirkuleras. Förluster av fibrer, fines och fyllmedel kommer att minskas då de återinförs i processen med det recirkulerade vattnet. Kostnaden för uppvärmning kommer att minska eftersom recirkulationen av bakvatten ökar temperaturen. Nackdelen med den ökade temperaturen är mikrobiologisk tillväxt och korrosion i systemet. En ökning av suspenderande ämnen i bakvattensystemet kan också orsaka problem (Mänttäri m.fl.
Mekaniskt
steg Maskinsilar
Spädning och konc. reglering
Blandnigskar Kemiskt
steg
Skivfilter
PM6 Virvelrenare
Maskinkar Utjämningskar
Rent bakvattenkar Avlopp
Rejektkar
Fluting
Orenat bakvattenbuffert Orenat bakvattenkar
Bakvattensilo Utskottscictern
Utskotturvattnare Utskottskar
Spädning och konc. reglering Extern rejektmassa
Bakvattenkar
1
5.
Varierande flöde 4. Varierande flöde
3 2
7. 50-200m3/h 0,2%
1. 700-1000m3/h 4–5%
2 och 3. 2800-5000m3/h 0,8–1,2%
2100–6.
4000 m3/h 0,2%
7
1997). Utformningen av bakvattensystem skiljer sig från bruk till bruk, men det finns vissa likheter. För varje pappersbruk finns det två flöden en lång- och en kortcirkulation (Axelsson 2003).
2.3.1 Korta cirkulationen
Den korta cirkulationen går från pappersmaskinen och sen går det till inloppslådan för att späda ut pappersmassan till rätt koncentration innan den åker ut på viran (Axelsson 2003).
Vattnet som dräneras från viran och de fibrer som finns i vattnet samlas upp i ett stort kar, som kallas viragropen. Den korta cirkulationens krets går från viragropen där vattnet har samlats upp och tillbaka till inloppslådan (SkogsSverige 2017). Vid inloppslådan används bakvattnet för att späda ut den tjocka pappersmassan till en koncentration ofta under en procent för att sedan skicka ut det på viran och tillverka papper (Norman 2007). Figur 2 visar ett förenklat flödesschema över PM6. Flödenas storlek och viktandelen av suspenderande ämnen i procent är beskrivet i figuren. Vid punkt sex, där bakvattnet går från bakvattensilo (viragropen) till maskinsilar för att späda ut pappersmassan innan PM6, är det största flödet i processen. Flödet är en del av den korta cirkulationen, och är det flödet som troligtvis kommer att påverka processen mest om det renas.
2.3.2 Långa cirkulationen
Den största delen av bakvattnet används i den korta cirkulationen, men överskottet från den korta cirkulationen pumpas till den långa cirkulationen och kan användas i systemet för olika ändamål. Det kan vara för spädning i mälderiet och massaupplösningen och om bakvattnet renas genom tillexempel ett skivfilter kan det användas i duschar för att rengöra viran (SkogsSverige 2017).
2.4 Partiklar i bakvatten
Under senare år har papper- och massaindustrin studerat olika tekniker för att minska försvattenförbrukningen vid processerna (Nuortila-Jokinen & Nyström 1996). Att återcirkulera bakvatten kan skapa många problem, det orsakas direkt eller indirekt av de olika föroreningar som kommer att ackumuleras i bakvattnet (Axelsson 2003). Några problem som kan uppkomma med stängda system är tillväxt av mikroorganismer som leder till luktproblem, körbarhets problem i processerna och att kvalitén på pappret ändras (Nuortila- Jokinen & Nyström 1996). Om det hade varit ett öppet system hade föroreningarna avlägsnats via avloppsvattnet (Axelsson 2003).
Vattnets sammansättning beror på flera saker så som råmaterial, den producerade produkten, typ av pappersmaskin och olika tillsatser som tillsätts i processerna. Det är omöjligt att exakt karakterisera bakvattnets innehåll, men det går att nämna vissa föroreningar som troligtvis finnas i bakvattnet. Oavsett typ och ursprung förekommer de antingen i partiklar, kolloidal form eller så är det löst i bakvattnet. Kolloidal form innebär små partiklar som inte kan sedimentera och inte heller lösa sig vätskan. Det kan finnas både organiska och oorganiska föroreningar i bakvattnet (Axelsson 2003).
2.4.1 Partiklar och föreningar från träd
Bakvattnets innehåll består till stor del av föroreningar av träd i form av fibrer eller som lösta föreningar i bakvattnet. Fibrer tillkommer till bakvattnet via pappersbanan då de inte har kunnat stanna kvar på viran. Som nämnts tidigare mals trästockarna ner till flis för att genom
8
gå massaprocessen. Men vid framställning av flis kan det leda till att flisbitarna blir för korta, även under massaprocessen kan fibrerna brytas ner till små fragment, fines. Med fines i bakvatten kan det leda till igensättningar i den korta cirkulationen (Brännvall 2007) (Axelsson 2003). Lösta föreningar i bakvattnet kan vara cellulosa, hemicellulosa, lignin, hartsämnen, vaxer och fettsyror. Trädets kemiska sammansättning beror på typ av träd, vart de växer och miljöförhållanden (Axelsson 2003).
Cellulosa och hemicellulosa är olika typer av kolhydrater som finns i trädet. Cellulosa är uppbyggd av ringformade glukosmolekyler, och hemicellulosa är oregelbundet uppbyggt och består huvudsakligen av fem sockerarter som finns i träd. Båda är komponenter i vedens cellvägg (Lennholm & Henriksson 2006). För både lövved och barrved består till 40% av cellulosa och 30–35% av hemicellulosa (Axelsson 2003).
Lignin är en mycket grenad polymer som har fyra huvuduppgifter, den bidrar till den fast strukturen, binder samman cellerna i trädet till cellvävnad, gör cellväggen hydrofob och fungerar som skydd mot mikroorganismer (Henriksson 2006). Barrved och lövved består av 27% respektive 21% av lignin (Axelsson 2003).
2.4.2 Tillsatser från processen
Andra föreningar som kan hittas i bakvatten är tillsatser som tillsätts i processen för att förbättra egenskaperna på pappret och körbarheten. För att minska kostnaden och även producera produkter med förbättrad pappersdensitet och tryckbarhet tillsätts fyllmedel i processen. Vanligtvis är fyllmedel gjort av lera, talk och kalksten. Fyllmedlet kan påverka pH och koncentrationen av oorganiska joner. För att minska andelen fines i bakvattnet tillsätts katjoniska polymerer för att de ska binda till fibrerna och stanna på pappersbanan. I bakvatten finns också en ackumulering av anjoniska organiska föreningar (Axelsson 2003).
2.5 Reningsmetoder
För att undvika problem med att föroreningar ackumuleras i bakvattnet renas bakvattnet genom lämplig reningsmetod. De vanligaste reningsteknikerna för papper och massabruk är filtrering, flotation och avdunstning. Filtrering är den enda tekniken som kan skräddarsys för att uppnå erforderliga reningsgrad. Detta göra genom att välja hur stor maskvidd filtret som vattnet passerar har. Filtrering delas upp i olika kategorier beroende på storlek på masvidden mikro-, ultra-, nanofiltrering eller omvänd osmos. Filtrering är ett bra alternativ för att det kräves måttligt med energi, det kräver inte så stor plats och kan enkelt skalas upp och anpassas till olika platser i systemet (Nuortila-Jokinen & Nyström 1996).
Flotation är en metod för att separera fasta ämnen från en vätska. Genom att tillföra mikrobubblor från botten stiger bubblorna och partiklarna som finns i vattnet fäster på bubblan och förs med upp till ytan och bildar ett skum som sedan tas bort. Flotation används när partiklarna i vätskan har ungefär samma densitet som vätskan som kan varken sjunka eller flyta upp till ytan. Passar till kolloidala substanser (Axelsson 2003).
Rening av bakvatten innebär att fibrer som annars skulle ha använts till papperstillverkningen går förlorad. Det resulterar i att mer pappersmassa måste produceras för att täcka upp förlusten.
9
3 Metod
3.1 Sammanfattning metod
I denna studie undersöktes möjligheten att rena bakvatten från PM6 vid Gruvöns bruk med filtrering. Bakvatten från PM6, vid punkt 6 i figur 2 renades genom en filterpåse. Med filtrering, TOC test, Glödning och FTIR bestämdes reningsgraden för rening av bakvatten genom filterpåsen. samma metoder användes för att karakterisera bakvattnet.
För att uppskatta om det renade bakvattnet kunde påverka styrkan på det våta pappret i pappersmaskinen och därmed minska antalet banbrott, tillverkades ark och dragprov utfördes när arken var våta. För att undersöka hur reningen med filterpåsen påverkade bakvattnets sammansättning och uppskatta avvattningsbarheten på viran, testades konduktiviteten och massans avvattningsförmåga för de olika bakvattenblandningarna, med en konduktivitetsmätare och en malgradsmätare.
För att se hur reningen genom filterpåsen påverkade slutprodukten, flutingpappret, tillverkades ark med renat bakvatten eller kranvatten som blandades med orenat bakvatten i fem olika bakvattenblandningar. Figur 3 visar orenat bakvatten som dräneras från pappersbanan, som sedan kan filtreras eller blandas med kranvatten. Procenttecknen i figuren beskriver andelen orenat bakvatten som blandas med renat bakvatten eller kranvatten. SÄ beskriver förlusten av fibrer som tillkommer när bakvattnet filtreras. Styrkan på arken testades genom olika standardiserade metoder, SCT, CMT, CCT och dragprov.
Figur 3. Orenat bakvatten dräneras från pappersbanan och kan sedan filtreras eller blandas med kranvatten i olika delar.
10
3.2 Rening och karakterisering av bakvatten
Bakvatten renades genom filtrering med en filterpåse och med membranfiltrering som hade en maskvidd på 100 kDa (Dalton). Det membranfiltrerade bakvattnet användes till att jämföra reningsgraden för filterpåsen. Karakteriseringen utfördes på orenat bakvatten.
3.2.1 Filtrering och TOC
Filtrering är en metod som används för att separera fasta partiklar från vätska. Filtret kan vara gjort av olika material, exempelvis papper, nylon eller glas. Oftast används ett vakuum under filtret för att hjälpa vätskan igenom. Den vätska som passerar i filtret kallas filtrat.
Filtrering användes för att bestämma reningsgraden i form av SÄ som renades bort ur bakvattnet. För att karakterisera bakvattnet bestämdes mängden SÄ för olika storlekintervall,
>20 mikrometer, mellan 20–4 mikrometer och mellan 4–1,6 mikrometer.
För att bestämma reningsgraden av SÄ för rening av bakvatten genom filterpåsen, filtrerades både orenat och renat bakvatten genom två olika filter med maskvidd 20 och 1,6 mikrometer.
Två tester per filter utfördes för orenat och renat bakvatten, där volymen var 20 ml och 15 ml. Mängden SÄ i mg/l bestämdes genom att ta skillnaden i vikt för filtret innan och efter filtrering dividerat med volymen bakvatten. Ett medelvärde beräknades för orenat och renat bakvatten för de två filtren. Reningsgraden bestämdes genom skillnaden mellan renat och orenat bakvatten.
För att karakterisera bakvattnet filtrerades orenat bakvatten genom tre olika filter med maskvidd på 20, 4 och 1,6 mikrometer. Två filtreringar utfördes för varje filter med en mängd av 20 ml och 15 ml bakvatten. Ett medelvärde beräknades för varje filter. Mängden SÄ i mg/l för varje storleksintervall beräknades genom skillnaden mellan medelvärdena. Tabell 1 beskriver alla filtreringar. Orenat betyder att bakvattnet är obehandlat och renat betyder att bakvattnet har renats genom filterpåsen. Storlek på filtret, volymen av bakvatten och om filtreringen användes för att utvärdera reningsgraden för filterpåsen eller för att karakterisera bakvattnet.
TOC är summan av allt organiskt bundet kol som finns i vattnet. Det kan finns som löst eller som fast partiklar. TOC mäts genom Hach Lange LCK 387 test med mätområde 300- 3000mg/l.
Reningsgraden bestämdes genom att utföra TOC-tester på orenat och renat bakvatten enligt anvisningen. Bakvattnet innehöll mycket TOC och testerna fick spädas fyra gånger med avjonat vatten för att TOC testerna skulle fungera. Skillnaden av mängden TOC i det orenade och renade bakvattnet beskriver reningsgraden. Ett TOC test utfördes även på det membranfiltrerade bakvattnet.
För att karakterisera bakvattnet gjordes TOC tester på filtratet från filtren med 20, 4 och 1,6 mikrometers maskvidd.
11
Tabell 1. Beskrivning över alla filtreringar för att undersöka reningsgraden för filterpåsen och karakterisering av bakvatten.
3.2.2 FTIR
FTIR står för Fourier Transform Infrared Spectroscopy och är en analytisk teknik som används för att identifiera innehåll av olika föreningar i ett prov. Provet som undersöks strålas med infraröd strålning av olika våglängder. Ett spektrum skapas genom att mäta andelen av infraröd strålning som absorberades av provet.
Olika typer av bindningar i provet absorberar olika våglängder. Spektrumet visar vilka typer av bindningar molekylerna i provet har och ger även en uppfattning hur många av den typen bindningar som finns i provet. Informationen gällande bindningar kan leda till identifiering av olika molekyler i ett komplext sammansatt prov. FTIR kan analysera gas, vätska eller fast material. Det prov som ska analyseras placeras i FTIR anordningen, vid den röda pilen i figur 3. Topparna i diagrammet motsvarar olika typer av bindningar som molekylerna i provet har. För att identifiera materialet som analyseras jämförs de okända IR- absorbationsspektrumet med standardspektrum i databaser eller med ett spektrum från ett känt material (mee u.å.).
Filtrering Bakvatten Filter
(µm) Mängd
(ml) Reningsgrad Karakterisering
1 Orenat 20 20 X X
2 Orenat 20 15 X X
3 Orenat 4 20 X
4 Orenat 4 15 X
5 Orenat 1,6 20 X X
6 Orenat 1,6 15 X X
7 Renat 20 20 X
8 Renat 20 15 X
9 Renat 1,6 20 X
10 Renat 1,6 15 X
Figur 4. FTIR anordning. Pilen visar vart provet placeras.
12
För att undersöka reningsgraden för bakvattnet som renades genom filterpåsen utfördes två tester på bakvattnet både innan och efter reningen. Det första testet gjordes i vätskeform, där en droppe av det orenade och det renade bakvattnet testades för att se skillnaden. Det andra testet utfördes på fast material, där orenat och renat bakvatten ställdes in i en ugn för att vattnet skulle avdunsta. Därefter gjordes FTIR test på det fasta materialet som fanns kvar.
Ett FTIR test utfördes också på det membranfiltrerade bakvatten i vätskeform.
För att karakterisera bakvattnet och undersöka ifall den molekylära sammansättningen ändrades för renare bakvatten, gjordes FTIR test på filtraten från filtreringen. Maskvidden på filtren var 20, 4 och 1,6 mikrometer. Tester gjordes i vätskeform men även ett test på fastmaterial gjorde på det bakvatten som hade filtrerats genom filtret med 20 mikrometers maskvidd.
Intensiteten för FTIR testen varierar det kan bland annat bero på mätutrustningen. Därför har alla resultat normaliserats för att enklare kunna utvärdera skillnaderna mellan proverna.
För att normalisera resultaten valdes en våglängd för samtliga test, som användes för att beräkna en faktor. Våglängden som valdes var 3400cm-1. Faktorn beräknades genom att dividera 0,1 med värdet för den valda våglängden. Sedan normaliserades resultatet för varje test genom att multiplicera faktorn med de rastrerande våglängdernas värde.
3.2.3 Glödning
Genom glödning bestäms hur stor andel av ett prov som är flyktigt, d.v.s. förångas vid 550°C.
Den andelen av provet är organiskt. Resterande del av provet som blir kvar, askhalten, innehåller huvudsak oorganiska ämnen. För att mäta reningsgraden användes metoden till att mäta skillnaden före och efter reningen med filterpåsen. För att karakterisera bakvattnet utfördes ett test på filtratet som var från filtreringen genom filtret på 20 mikrometer. En viss mängd vatten hälls i en aluminiumform, i detta fall användes 50 ml. Aluminiumformarna ställdes in i en ugn på 140°C för att vattnet i provet skulle avdunsta och endast partiklarna skulle finns kvar. Aluminiumformarna ställdes sedan in i en muffelugn med en temperatur på 550°C och behövde stå i muffelugnen i minst en timme. Aluminiumformarna vägdes både innan och efter de ställdes in i muffelugnen. Vid temperaturen 550°C kommer kolet i provet att förbrännas och övergå till koldioxid och vatten, temperaturen är även vald för att undvika att oorganiska karbonater ska börja sönderdelas. Hur stor andel som är organiskt i bakvattnet beräknades genom att dividera vikten på aluminiumformen efter muffelugnen med vikten innan. Reningsgraden bestämdes genom skillnaden mellan det orenade och det renade provet (Naturvårdsverket 2003).
3.3 Effekt på PM6
Innehållet i bakvattnet påverkar pappersprocessen på olika sätt. Olika tester gjordes för att undersöka om renare bakvatten kunde påverka pappersprocessen. Som ett till alternativ gjordes även en del av testerna på kranvatten. Resultaten för kranvatten användes även för att jämföra med de renade bakvattnet, som renats genom filterpåsen. Kranvatten användes eftersom det inte går att tillsätta något som är renare till processen. Testerna utfördes på orenat bakvatten som blandades med renat bakvatten eller kranvatten i olika bakvattenblandningar, där andelen orenat bakvatten var 100, 75, 50, 25 och 0%.
13 3.3.1 Våtstyrka
Våtstyrkan är en viktig egenskap för att producera papper. Om våtstyrkan inte är tillräcklig på pappersmaskinen kan det leda till banbrott så produktionen behöver stoppas. Våtstyrkan är kopplad till torrhalen på pappret, en högre torrhalt ger högre styrka. Våtstyrkan testades för pappersark gjorda med orenat bakvatten samt för renat bakvatten som renades genom filterpåsen. Tio ark för orenat bakvatten, samt tio ark för renat bakvatten tillverkades. Arken tillverkades på Gruvöns laboratorium. Arkformaren har en area på 0,024m2. Pappersmassablandning och bakvattnet togs ut vid PM6 och pappersmassablandningen hade en koncentration på 5,5%. Målet var att tillverka ark med en ytvikt på 150g/m2. Via ekvation (1) bestämdes hur mycket torr pappersmassa som behövdes för varje ark, och via ekvation (2) bestämdes mängden pappersmassablandning. Pappersmassablandningen innehöll mycket vatten och gjorde det svårt att tillverka ark med en ytvikt på exakt 150 g/m2. Därför beräknades ytvikten (g/m2) för varje ark som sedan användes för att indexera respektive värde.
𝑀ä𝑛𝑔𝑑 𝑡𝑜𝑟𝑟𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 (𝑔 𝑎𝑟𝑘⁄ ) = 𝑎𝑟𝑘 (𝑔 𝑚⁄ 2) ∗ 𝑎𝑟𝑒𝑎 𝑎𝑟𝑘𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎𝑟𝑒 (𝑚2) (1)
𝑀ä𝑛𝑔𝑑 𝑝𝑎𝑝𝑝𝑒𝑟𝑠𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎𝑏𝑙𝑎𝑛𝑑𝑛𝑖𝑛𝑔 (𝑔) = :;<<=>??>(@ ><A⁄ )
A;BCDB:<>:E;B (%) (2)
För varje ark användes 1000g bakvattenblandning. Innan massa- och bakvattenblandningen hälldes ner i arkformaren var det viktigt att röra om ordentligt så pappersmassan blandades i vattnet, för att arket skulle bli så jämt som möjligt. Arket togs upp genom att pressa ett så kallat läskpapper över arket så det fastnade.
Därefter lades arket och läskpappret på en metalbricka och pressades i två minuter med ett tryck på 2,5 bar. Efter pressen lades arket och läskpappret in i en plastficka för att arket inte skulle torka. Läskpappret sparades för att arket inte skulle gå sönder när provremsorna skulle skäras ut. Fem provremsor per ark med en bredd på 12 mm skars ut. Provremsorna lades tillbaka i plastfickan så fort de hade skurits ut för att de inte skulle torka. För att mäta våtstyrkan användes en Zwick, som visas i figur 4. Provremsan fästes i lodrät riktning vid den röda pilen i figuren.
Klämmorna rörde sig ifrån varandra tills provremsan gick av och kraften registrerades.
Våtstyrkan testades på våta porvremsor som
hade fått torka olika länge 5, 10, 15, 20 och 30 minuter för att få olika torrhalter. När provremsan hade torkat klart placerades den i klämmorna som hade ett avstånd på 100 mm.
Figur 5. Zwick-anordning för test av våtstyrka.
Pilen visar vart provreman fästs.
14
Ett medelvärde för varje ark beräknades och därefter beräknades ett våtstyrke-index genom ekvation (3). Torrhalten för varje ark bestämdes genom att väga en våt provremsa och därefter torka och väga den igen, Sen dividera den torra provremsans vikt med den våta provremsans vikt.
𝑉å𝑡𝑠𝑡𝑦𝑟𝑘𝑒 𝑖𝑛𝑑𝑒𝑥 (𝑁𝑚 𝑔) = 1000 Nå:?:O<A> (P) O:NEA: (@ =⁄ Q)∗R<DSS (==)
T (3)
3.3.2 Konduktivitet
Konduktivitet beskriver mängden joner som finns i en vätska. Bakvattnet är mycket anjoniskt och det förhindrar att någon kemikalier som tillsätts i processen kommer att fungera. För att undersöka om konduktiviteten ändrades genom renare bakvatten gjordes tester på alla olika bakvattenblandningar och även på det membranfiltrerade bakvattnet. konduktiviteten mättes med konduktivitetsmätare som placerades i vätskan.
3.3.3 Avvattningsförmåga
De vanligaste mätenheterna för att mäta avvattningsförmåga är Canadian standard freeness (CSF) och Schopper-riegler (°SR) båda är ett relativt mått på massans avvattningsförmåga.
Resultaten påverkas mycket av hur mycket innehåll av fines och kompressabiliteten hos massan, även vattenkvalitén påverkar resultatet där pH och hårdhet påverkar fines och fibrer till att svälla. Metoden används till stor del för att uppskatta utveckling eller förändring av massansegenskaper. För att bestämma avvattningsförmågan på en pappersmaskin kan resultaten från denna metod vara osäker.
I utförandet av att testa massans avvattningsförmåga användes en malgradsmätare med mätenhet °SR. Avvattningsförmågan testades för att undersöka hur snabbt bakvattnet kan dräneras från pappersmaskinen. En bättre avvattning på pappersbanan kan innebära att mindre energi behövs för att torka pappret. Det kan också ge en indikation på att pappret når en viss torrhalt snabbare. Eftersom vått papper är svagt kan ett torrare och starkare papper ge färre banbrott. Avvattningsförmågan testades på de olika bakvattenblandningarna som beskrivits i del 3.3 effekt på PM6. Två gram torr pappersmassa räknades om och vägdes upp på samma sätt som är beskrivet i del 3.3.1 våtstyrka. Pappersmassablandningen blandades med en liter av bakvattenblandningen. Massa- och bakvattenblandningen hälldes ner i malgradsmätaren och botten öppnades, vattnet har då två vägar att ta. Den första går till ett mätglas där °SR mäts och den andra till ett avlopp. Beroende på om avvattningen är bra åker mer vatten till mätglaset och vise versa. För varje bakvattenblandning utfördes minst tre test där resultaten var någorlunda lika, om ett test skiljde sig för mycket gjordes testet om (Hiltunen 1999).
3.4 Påverkan på färdig produkt
Bakvatten som renades genom filterpåsen samt kranvatten användes för att undersöka om papprets kvalité ändrades för renare bakvattnet. Ark tillverkades på de olika bakvattenblandningarna som beskrivits i del 3.3 effekt på PM6. Sju ark per bakvattenblandning tillverkades på samma sätt som beskrivits i del 3.3.1 våtstyrka. Efter att arket hade pressats i
15
två minuter vid 2,5 bar torkades arken i en ugn i minst tio minuter. För att kunna utföra testerna på arken behövde arken ligga i ett klimatrum i minst tolv timmar.
För att försäkra sig om att flutingpappret har rätt egenskaper finns det olika tester för att mäta papprets kvalité. De tester som utfördes på arken heter Short Compression test (SCT), Concora medium Test (CMT), Corrugated Crush test (CCT) och dragprov.
SCT mäter kompressionsstyrkan som påverkar bland annat wellpapplådors staplingsbarhet. Testet utfördes enligt standard ISO 9895. För varje ark skars två provremsor ut med en bredd på 12mm. Provremsan fästes i klämmorna som har ett avstånd på 0,7mm. Genom det korta avståndet och att provremsan sitter fast i klämmorna under testet och
inte kan böja eller vecka sig, gör att SCT testet ger mer korrekta värden på papprets kompressionsstyrka. Klämmorna rörde sig emot varandra tills ett brott uppstod och den maximala kraften registrerades. SCT värdet är den maximala kompressionskraften genom bredden på provremsan uttryckt i kN/m (Levin & Söderhjelm 1999). För varje provremsa beräknades ett SCT-index genom ekvation (4) och där efter beräknades ett medelvärde för varje bakvattenblandning.
𝑆𝐶𝑇 𝑖𝑛𝑑𝑒𝑥 (𝑁𝑚 𝑔) = 1000 ∗ (XYZ[Nä<SD: ( AP =)⁄ O:NEA:DB (@ =⁄ Q)
T ) (4)
CMT mäter den maximala kraft som appliceras vinkelrätt mot en korrugerad provremsa tills topparna knäcks. Testet utfördes enligt standard ISO 7263. För varje ark stansades 1–2 provremsor ut i standardformat med bredden 12,7mm och längden 157,4mm. Provremsan korrugerades under värme för att simulera det verkliga konverteringssteget. Provremsan placerades i en hållare. Med hjälp av en stålkam hölls provremsan fast för att kunna fästa en tejp över provremsan för att efterlikna ett ensidigt wellpappark. Sen konditionerades provremsan i 15 minuter innan testet kördes. CMT värdet är den maximala kraften i Newton som uppehålls
av en provremsa som har tio toppar (Levin & Söderhjelm 1999). För varje provremsa beräknades ett CMT-index genom ekvation (5) och där efter beräknades ett medelvärde för varje bakvattenbladning.
𝐶𝑀𝑇 𝑖𝑛𝑑𝑒𝑥 (𝑁𝑚2⁄𝑔)= Y\Z[Nä<SD: ( P)
]:NEA:DB (@/=Q) (5)
Figur 6. Kraftens riktning för SCT. (Larsson &
Kullander)
Figur 7. Kraftens riktning för CMT (Larsson och Kullander)
16 CCT mäter den kraft per längdenhet som krävs för att krossa en korrugerad pappersremsa när den är ställd på kant. Testet utfördes enligt standard SCAN-P 42:81. För varje ark stansades en provremsa ut och korrugerades på samma sätt som för CMT. Provremsan konditionerades i 15 minuter för att sedan placeras i en hållare med samma wellprofil som korrugatorvalsarna och därefter placera hållaren i krosstrycksprovaren.
CCT värdet är den maximala kraften dividerat med längden för provremsan i kN/m (Levin &
Söderhjelm 1999). För varje provremsa beräknas ett CCT-index ut genom ekvation (6) och där efter beräknades ett medelvärde för varje bakvattenblandning.
𝐶𝐶𝑇 𝑖𝑛𝑑𝑒𝑥 (𝑁𝑚 𝑔) = 1000 YYZ[Nä<SD: (AP =)⁄ O:NEA: (@ =⁄ Q)
T (6)
Dragprov registrerar både dragkraft och förlängning. Från registrerade data beräknas dragstyrka som är den maximala dragkraften per breddenhet i kN/m, brottöjning som är förhållandet mellan längdökningen och startlängden, brottarbete som är det totala arbetet per ytenhet hos en provremsa när den töjs till den maximala dragkraften i J/m2 och dragstyvhet som är den maximala lutningen hos den kurva som erhålls när dragkraften per breddenhet plottas mot töjning i kN/m. Testet utfördes enligt standard ISO 1924–3. För varje ark skars två provremsor ut med bredden 12mm. Provremsan fästes i provanordningen och klämmorna rörde sig ifrån varandra tills provremsan gick av (Levin & Söderhjelm 1999).
För varje provremsa beräknades ett dragindex, brottarbetsindex och dragstyvhetsindex med ekvationerna (7–9), därefter beräknades ett medelvärde för varje bakvattenblandning.
𝐷𝑟𝑎𝑔 𝑖𝑛𝑑𝑒𝑥 (𝑁𝑚 𝑔)⁄ = 1000S<>@?O<A> (AP =)⁄ O:NEA: (@ =⁄ Q) (7)
𝐵𝑟𝑜𝑡𝑡𝑎𝑟𝑏𝑒𝑡𝑒 𝑖𝑛𝑑𝑒𝑥 (𝐽 𝑔)⁄ =R<;::><RD:D (b =⁄ Q)
O:NEA: (@ =⁄ Q) (8)
𝐷𝑟𝑎𝑔𝑠𝑡𝑦𝑣ℎ𝑒𝑡 𝑖𝑛𝑑𝑒𝑥 (𝑘𝑁𝑚 𝑔)⁄ = S<>@?:ONeD: (AP =)⁄
O:NEA: (@ =⁄ Q) (9)
För varje test och bakvattenblandning gjordes Grubbs-test för att undersöka om något utav värdena var en ”outlier”, det innebär att värdet avviker för mycket och ska plockas bort från resultatet. Grubbs-test utfördes genom att värdena för varje test och bakvattenblandning sorterades i storleksordning, och ett medelvärde och standardavvikelse beräknades. Genom ekvation (10) beräknas Grubbs-test, där Xi är det värdet som undersöktes och 𝑋g är medelvärdet och S är standardavvikelsen. Tabell 1 användes för att bestämma om värdet var en outlier eller inte. Standardavvikelse är ett statistiskt mått på hur mycket de olika värdena för varje bakvattenblandning avviker från medelvärdet. Om värden ligger nära medelvärdet
Figur 8 Kraftens riktning för CCT (Larsson och Kullander).
17
blir standardavvikelsen låg, och om värdena ligger spridda långt över och under medelvärdet blir standardavvikelsen hög.
𝐺𝑟𝑢𝑏𝑏𝑠 𝑡𝑒𝑠𝑡 = jk[jg
X (10)
Tabell 2. Kritiska värden för Grubbs-test, signifikansnivå = 0,05.
3.5 Förlust av fibrer
En nackdel med rening av bakvatten är att fibrer som annars skulle ha används till fluting går förlorad. Detta innebär att mer pappersmassa behöver produceras. Figur 2 beskriver flödena vid PM6, en massbalans gjordes över maskinsilar där pappersmassan späds ut med bakvatten från punkt 6, från 4–5% till 0,8–1,2%. Ett medelvärde för flödena och procenten för SÄ beräknades. Mängden massa för varje punkt beräknades genom ekvation (11).
Densitet för vatten och antogs till 1000 kg/m3.
𝑀𝑎𝑠𝑠𝑎 (𝑘𝑔 ℎ⁄ ) = 𝑓𝑙ödet (𝑚p⁄ℎ)∗ 𝐴𝑛𝑑𝑒𝑙 𝑆Ä ∗ 𝐷𝑒𝑛𝑠𝑖𝑡𝑒𝑡 (𝑘𝑔 𝑚⁄ p) (11)
Pappersmassan för flödena ett och sex adderades för att bestämma vikten av massa som åker ut på papperasbanan i timmen, sedan multiplicerades vikten av massan med antal timmar över ett år. Förlusten av fibrer i bakvattnet vid punkt sex beräknades genom att multiplicera vikten av fibrerna i bakvattnet med reningsgraden för rening med filterpåsen och sedan multipliceras det med årets alla timmar. Lika stor vikt som går förlorad vid rening av bakvatten genom filterpåsen blir den extra pappersmassa som behöver produceras per år.
Antal observationer Kritiskt värde
3 1,15
4 1,48
5 1,71
6 1,89
7 2,02
8 2,13
9 2,21
10 2,29
11 2,34
12 2,41
18
4 Resultat
4.1 Filtrering och TOC
Reningsgraden bestämdes genom att jämföra skillnaden i SÄ för orenat och renat bakvatten, som renats genom filterpåsen. I figur 8 beskrivs den totala mängd SÄ som renades bort när partiklarna var större än 1,6 mikrometer, partiklar som var större än 20 mikrometer samt partiklar som var mindre än 20 men större än 1,6 mikrometer. Totalt sett har 18% av SÄ renats bort. Av det totala som renats bort var 57% av partiklarna större än 20 mikrometer och 43% av partiklarna ligger mellan 20 och 1,6 mikrometer. Reningsgraden för TOC när bakvattnet hade renats genom filterpåsen blev 5%.
Figur 9. Reningsgrad för bakvatten som renats genom filterpåse. Total mängd SÄ som renats bort, SÄ med storlek större än 20 mikrometer och SÄ med storlek som är mindre än 20 men större än 1,6 mikrometer.
Figur 9 redovisar resultaten för TOC-testerna för bakvattnet som är orenat, renat genom filterpåsen, filtrerat genom filter med maskvidd på 20, 4 och 1,6 mikrometer och membranfiltrerat. Från orenat bakvatten till membranfiltrerat bakvatten har 43% av TOC reducerats, det innebär att den största delen av allt organiskt material är löst i bakvattnet.
Figur 10 visar skillnaden på orenat och membranfiltrerat bakvatten. En stor skillnad på färgen kan ses. Det membranfiltrerade bakvattnet har en klar men brunaktig färg.
19
Figur 10. TOC för bakvatten som är orenat, renat genom filterpåsen, filtrerats genom olika filter och membranfiltrerat.
Figur 11. Från vänster, orenat bakvatten och membranfiltrerat bakvatten
Figur 11 beskriver hur mängden partiklar var fördelat i bakvattnet beroende på dess storlek.
Staplarna till vänster beskriver den totala mängd SÄ i mg/l som fastnat i respektive filter.
Staplarna till höger beskriver mängden SÄ i mg/l inom varje partikelstorleksintervall, 1,6–4, 4–20 och partiklar större än 20 mikrometer. 41% av alla partiklar är större än 20 mikrometer,
20
25% av partiklarna ligger i storleksintervallet 4–20 mikrometer och 34% av partiklarna ligger i storleksintervallet 1,6–4 mikrometer.
Figur 12. Mängd partiklar i bakvattnet och storleksfördelning.
4.2 FTIR
I figur 12 visas spektrumet för FTIR analysen som har utförts i pulverform. Resultaten är för orenat bakvatten, renat bakvatten och för bakvatten som filtrerats genom ett filter med 20 mikrometers maskvidd. Spektrumen som visas i figuren är för de normaliserade värdena.
Ingen av topparna har försvunnit för de olika testen vilket innebär att ingen förening har försvunnit för renare bakvatten.
Figur 13. FTIR spektrum för orenat bakvatten, renat bakvatten genom filterpåsen och filtrerat bakvatten genom 20 mikrometers maskvidd i pulverform.
21
Figur 13 beskriver alla FTIR som gjordes i vätskeform. Spektrumen som visas i figuren är för de normaliserade värdena. Det är endast en liten skillnad för det membranfiltrerade bakvattnet som kan urskiljas från figuren.
Figur 14. FTIR spektrum för orenat bakvatten, renat bakvatten genom filterpåsen, filtrerat bakvatten genom 20, 4 och 1,6 mikrometers maskvidd och membranfiltrerat bakvatten i vätskeform.
4.3 Glödning
Tabell 3 beskriver förhållandet av organiskt och oorganiskt material i bakvattnet för orenat bakvatten, renat bakvatten genom filterpåsen och filtrerat bakvatten genom ett filter på 20 mikrometers maskvidd. Resultatet visar att det oorganiska materialet minskade i bakvattnet när det hade filtrerats genom ett filter på 20 mikrometers maskvidd.
Tabell 3 Andel av organiskt och oorganiskt i orenat, renat genom filterpåsen och filtrerat bakvatten genom filter med 20 mikrometers maskvidd
Andel Organiskt Oorganiskt
Orenat 87% 13%
Renat 87% 13%
Filtrerat (20µm) 89% 11%
22 4.4 Våtstyrka
Våtstyrkan för orent och renat bakvatten genom filterpåsen presenteras i figur 14. Det går inte att urskilja om våtstyrkan ändras genom renare bakvatten. Genom trendlinjerna kan en liten indikering ses på våtstyrkan, som blir starkare med högre torrhalt. Dock är resultaten för det här testet osäkert i och med en stor spridning i värdena från Zwicken och mätningar av torrhalten för arken. Det går därför inte att dra någon slutsats om att renare bakvatten inte påverkar våtstyrkan på arket.
Figur 15. Våtstyrkan för ark tillverkade med renat och orenat bakvatten och trendlinje
4.5 Konduktivitet
Figur 15 beskriver hur konduktiviteten ändras genom renare bakvatten. I figuren presenteras ändringen i konduktivitet för de olika bakvattenblandningarna för renat bakvatten och för kranvatten. I figuren visas även hur konduktiviteten ändrades för membranfiltrerat bakvatten genom punkten vid 100%. Konduktiviteten för bakvattnet som blandas med kranvatten sjunker linjärt medans renat bakvatten via filterpåsen inte påverkas. En liten skillnad i konduktiviteten från 4,09 mS/cm för helt orenat bakvatten till 3,94 mS/cm för membranfiltrerat bakvatten kan ses. Detta innebär att den anjoniska laddningen i bakvattnet inte är kopplad till några partiklar utan är löst i bakvattnet. För att ändra konduktiviteten i bakvattnet krävs det att kranvatten tillsätts i processen.
23
Figur 16. Ändring av konduktivitet för bakvattenblandningarna och membranfiltrering.
4.6 Avvattningsförmåga
Avvattningsförmågan presenteras i två figurer. Figur 16 beskriver hur massans avvattningsförmåga ändras för renat och kranvatten för de olika bakvattenblandningarna i
°SR mått. För att enklare förstår hur avvattningsförmågan ändras beskriver figur 17 hur renare bakvatten ändrar avvattningsförmågan i procent. Avvattningsförmågan för renat bakvatten ökar med 34% och 76% för kranvatten.
Figur 17. Avvattningsförmågan för bakvattenblandningarna
24
Figur 18. Avvattningsförmågan i procent för bakvattenblandningar.
4.7 Pappersstyrka
Resultatet från undersökningen gällande hur renare bakvatten påverkar papprets styrka visas i figur 18–24. Där staplarna till vänster representerar resultatet för renat bakvatten och staplarna till höger representerar resultatet för kranvatten, för de olika bakvattenblandningarna. För de flesta fall är standardavvikelsen något högre för det renade bakvattnet jämfört med kranvatten. Alla resultat för pappersstyrkan och standardavvikelsen är presenterade efter att Grubbs-test har gjorts. Resultatet utifrån figurerna 18–24 visar att det inte blir någon större skillnad på papprets styrka för renare bakvatten. I figurerna 23 och 24 som beskriver resultatet för CMT och CCT kan dock en liten minskning ses för renare bakvatten. Det kan bero på att finmaterial som annars lägger sig och binder ihop pappret har minskat.
25
Figur 19. Indexerade värden för dragstyrka och standardavvikelse för varje bakvattenblandning.
Figur 20. Indexerade värden för brottarbete och standardavvikelse för varje bakvattenblandning.
26
Figur 21. Indexerade värden för dragstyvhet och standardavvikelse för varje bakvattenblandning.
Figur 22. Den maximala töjningen i procent och standardavvikelse för varje bakvattenblandning.
27
Figur 23. Indexerade värden för SCT och standardavvikelse för varje bakvattenblandning.
Figur 24. Indexerade värden för CMT och standardavvikelse för varje bakvattenblandning.
28
Figur 25. Indexerade värden för CCT och standardavvikelse för varje bakvattenblandning.
4.8 Ökning av massa
Fibrer som går förlorad vid rening av bakvatten genom filterpåsen är ca 9500 ton/år. Det innebär att 2,4% mer pappersmassa behövs produceras per år.
