University of Oulu

Studies on wheat straw pulp fractionation : fractionation tendency of cells in pressure screening, hydrocyclone fractionation and flotation

Saved in:
Author: Karjalainen, Mikko
Organizations: University of Oulu Graduate School
University of Oulu, Faculty of Technology, Process Engineering
Format: eBook
Online Access: PDF Full Text (PDF, 2.1 MB)
Persistent link: http://urn.fi/urn:isbn:9789526210063
Language: English
Published: Oulu : University of Oulu, 2015
Publish Date: 2015-11-24
Thesis type: Doctoral Dissertation
Defence Note: Academic dissertation to be presented, with the assent of the Doctoral Training Committee of Technology and Natural Sciences of the University of Oulu, for public defence in the Wetteri auditorium (IT115), Linnanmaa, on 4 December 2015, at 12 noon
Tutor: Professor Jouko Niinimäki
Docent Ari Ämmälä
Reviewer: Professor James Olson
Professor Jukka Valkama
Opponent: Professor Leena Paavilainen
Description:

Abstract

Plant fibres are an important part of modern daily life. The most obvious consumer products manufactured from them are paper, cardboard and the fibreboards used in the construction and furniture industries. Plants producing a woody stem are the most widely used raw materials for these fibre products but fibres originating from other plants, i.e. non-wood fibres, are used too. One of the most promising potential non-wood fibre resource categories is that of grasses, of which the cereals are the most important plants grown worldwide. A huge amount of straw is generated as an agricultural by-product annually, but the amount used as an industrial raw material is low because it contains components that are detrimental either to processability or to product quality.

The purpose of pulp fractionation is to divide pulp into fractions with distinct properties. Industrially feasible fractionation methods are pressure screening, hydrocyclone fractionation and flotation. In pressure screening, separation is based on a mechanical barrier and particles are fractionated according to their dimensions, while a hydrocyclone fractionates particles according to their density and specific surface area and flotation fractionates particles according to their surface chemistry. These methods are traditionally used for removing impurities from pulp but numerous reports on pulp fractionation can also be found. Previous fractionation experiments were performed using wood-based pulps, whereas no previous studies are available concerning the fractionation of pulps manufactured using grasses.

The aim of the present work was to determine whether it is possible to fractionate wheat straw pulp by methods that are feasible on an industrial scale. The experimental part was concerned with wheat straw pulp fractionation by pressure screening, hydrocyclone fractionation and flotation.

The results show that all these fractionation methods were able to divide the wheat straw pulp into fractions with different cell properties and cell types, e.g. distinct cell lengths, cell wall thicknesses or surface chemistries. Likewise, fractionation can be used to remove detrimental components or to optimize pulp properties according to their end use or to optimize pulp processing sequences. Due to the uniform structure of grasses, it is likely that the results can be generalized to other grasses than that employed here.


Tiivistelmä

Kasvisoluja sisältävät tuotteet ovat laajalti mukana ihmisten jokapäiväisessä elämässä. Kaikista näkyvimpiä tuotteita ovat paperi- ja kartonkituotteet sekä rakennus- ja huonekaluteollisuuden käyttämät kuitulevyt. Perinteisesti kasvikuidut näihin tuotteisiin on saatu puuvartisista kasveista, mutta raaka-aineena käytetään muitakin kasveja, niin kutsuttuja non-wood kasveja. Yksi potentiaalinen kasviryhmä teollisuuden raaka-aineeksi ovat heinäkasvit. Muun muassa tärkeimmät viljakasvit ovat heinäkasveja, ja maatalouden sivutuotteina syntyy korsimateriaalia maailmanlaajuisesti huomattava määrä. Heinäkasvien teollinen hyödyntäminen on kuitenkin vähäistä sillä ne sisältävät komponentteja, jotka haittaavat materiaalin prosessointia tai ovat lopputuotteen ominaisuuksia heikentäviä.

Kuitususpension fraktioinnin tarkoituksena on jakaa suspensio kahteen tai useampaan jakeeseen, joiden kuituominaisuudet tai solukoostumus ovat erilaiset. Teollisesti käytettävissä olevia fraktiointilaitteita ovat painelajitin, hydrosykloni ja flotaatio: painelajittimessa erottuminen perustuu mekaaniseen esteeseen ja partikkelit erottuvat pääasiassa partikkelin dimensioiden perusteella, hydrosyklonissa erottuminen tapahtuu partikkelien tiheyden ja ominaispinta-alan mukaan kun taas flotaatiolla voidaan erottaa pintakemialtaan erilaisia partikkeleita. Näitä laitteita on perinteisesti käytetty epäpuhtauksien poistamiseen kuitususpensiosta, mutta laitteiden käyttöä puusta valmistettujen massojen fraktiointiin on tutkittu laajasti. Heinäkasveista valmistettujen massojen fraktiointiin näitä menetelmiä ei ole sovellettu.

Tämän tutkimuksen tarkoituksena oli selvittää vehnämassan sisältämien solujen fraktiointia teollisuuden käyttöön soveltuvilla menetelmillä. Työn kokeellisessa osassa fraktiointiin vehnäsellua painelajittimella, hydrosyklonilla ja flotaatiolla.

Työn tulokset osoittavat, että kaikki tutkitut fraktiointimenetelmät pystyvät jakamaan vehnämassan jakeisiin, joilla on erilaiset solujen ominaisuudet sekä solukoostumukset. Fraktioinnin avulla on mahdollista tuottaa jakeita, joiden kuitupituudet, seinämäpaksuudet sekä pintakemia eroavat. Näin ollen massasta voidaan poistaa jokin haitallinen solujae, tai vaihtoehtoisesti fraktiointia voidaan käyttää optimoitaessa massan ominaisuuksia lopputuotteen ominaisuuksien parantamiseksi, tai optimoitaessa massan prosessointia. Koska heinäkasvit ovat rakenteeltaan samanlaisia, ovat tulokset hyvin todennäköisesti yleistettävissä muidenkin heinäkasvien fraktiointiin.


Series: Acta Universitatis Ouluensis. C, Technica
ISSN: 0355-3213
ISSN-E: 1796-2226
ISSN-L: 0355-3213
ISBN: 978-952-62-1006-3
ISBN Print: 978-952-62-1005-6
Issue: 552
Subjects:
Copyright information: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited.