Foam as a carrier phase – a multipurpose technology for industrial applications

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Chemical Technology | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2017-05-12
Date
2017
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
131 + app. 75
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 78/2017, VTT Science, 151
Abstract
The applicability of foam in paper/board manufacturing processes was studied. The pulp and paper production in Finland has been forecast to decrease by up to a third from 2007 to 2020. The declining trend is mainly due to the weakening of main export markets. (Hetemäki et al., 2009). For the renewal of paper industry new solutions for savings in energy and raw materials are needed. Newly developed materials like nano materials may also challenge the conventional pro-cesses. New technologies are needed and the interest towards foam technology is growing. The main focus in this thesis was on foam forming and coating and on nano/microfibrils. The suitability of foam in biosludge treatment was also studied. The work showed that the strength loss due to the bulky structure of the foam formed paper, can be regained by using cellulose microfibrils (CMF) as strength additives, instead of wet pressing or beating. The strength enhancement was received with a lower bulk lost. The studied CMF grades had different responses to the strength properties of the pulps used; bleached soft wood pulp and chemi-thermo mechanical spruce pulp. This indicates that CMF used has to be chosen depending of paper properties needed. Dewatering was more effective due to the porous structure of the foam formed sheets and the formation of the papers better than in water forming, even with 12 mm synthetic fibers. Foam coating applications were done both to dry and wet fiber webs. Two different coating methods were used in the dry web ap-plications. The work showed that using foam it is possible to create thin functional surfaces on paper/board. Titanium dioxide and zinc oxide functionalized cellulose nanofibrils (CNF) created antimicrobial and photocatalytic properties on the paper and grease and water vapour barriers were achieved with polyvinyl or ethylene vinyl alcohol foam. In wet web application done at the former section polymers known to enhance the strength properties of paper were used. Due to foam destruction using vacuums, the whole web structure was treated with the chemical. The enhance-ment both on wet and dry web strength properties was detected with an increase in the dry matter content of the paper and without bulk lost. In addition to 'a carrier phase' function, the ability of foam to displace liquid water from a porous medium, was investigated. The foam enhanced dewa-tering in foam forming as well as in foam coating of the wet web. Based on these observations the foam assisted dewatering was studied on biosludge treatment. According to the results, the filtration time was shortened, the filtrate was cleaner and the sludge cake 10% drier. The change in dry solids content was quite small due to the insufficient vacuum level in filtration, 2 kPa. However, the result indicates that with a more efficient filtration vacuum it is possible to use foam to assist filtration. This thesis shows that foam technology offers several benefits for the paper/board industry, and combining it with nanomaterials enables the development of novel paper products.

Työssä tutkittiin vaahtoteknologian soveltuvuutta paperi- ja kartonkiteollisuuden eri prosessivaiheisiin. Suomen sellun ja paperin tuotannon ennustetaan vähenevän kolmanneksen vuodesta 2007 vuoteen 2020. Laskeva trendi aiheutuu pääsiassa päävientituotteiden heikentyneistä markkinoista (Hetemäki et al., 2009). Paperiteollisuuden rakennemuutoksessa etsitään uusia ratkaisuja tuotantokustannusten vähentämiseksi ja se on osaltaan kasvattanut kiinnostusta vaahtoteknologiaa kohtaan. Markkinoille on tullut myös uusia materiaaleja kuten nanomateriaalit, jotka haastavat nykyisiä tuotantoteknologioita. Työn pääpaino oli vaahtorainauksessa ja -päällystyksessä ja nano/mikroselluloosan yhdistämistä vaahtoteknologiaan. Työssä tutkittiin myös vaahdon soveltuvuutta biolietteen käsittelyyn. Tutkimuksen mukaan vaahtorainatun paperin huokoisesta rakenteesta aiheutuva lujuuden heikkeneminen voidaan kompensoida käyttämällä mikroselluloosaa (CMF) märkäpuristuksen tai jauhatuksen sijasta. Tällöin lujuus saadaan pienemmällä bulkkimenetyksellä. Työssä käytetyillä CMF-laaduilla oli erilainen vaste käytettyjen massojen, valkaistun havusellun ja kemi-mekaanisen kuusimassan lujuusominaisuuksiin. Tämä indikoi sitä, että CMF-laadun valinnalla voidaan vaikuttaa lopputuotteen ominaisuuksiin. Vaahtorainauksessa vedenpoisto oli tehokkaampaa rainan huokoisesta rakenteesta johtuen ja pohjapaperin formaatio parempi kuin vesirainauksessa, myös käytettäessä 12 mm synteettistä kuitua. Vaahtopäällystyksessä päällystettiin kuivaa ja märkää kuiturainaa. Kuivan kuiturainan päällystyksessä käytettiin kahta eri vaahtopäällystysmenetelmää. Työssä osoitettiin, että vaahtopäällystämällä saadaan ohut, toiminnallinen pinta paperille ja kartongille: titaanidioksidilla ja sinkkioksidilla funktionalisoidulla nanoselluloosalla mikrobiologisia ja fotokatalyyttisiä ominaisuuksia ja rasva- ja vesihöyryestokerros polyvinyyli- ja etyleenivinyylialkoholivaahdolla. Formeriosalla tapahtuvassa märän rainan vaahtopäällystyksessä vaahto poistetaan imun avulla, jolloin vaahdotettu kemikaali saadaan koko rakenteeseen. Työssä osoitettiin, että kemikaalit, jotka tunnetusti kasvattivat märkä- ja kuivalujuutta, toimivat myös vaahtopäällystyksessä. Samalla havaittiin myös rainan kuiva-aineen nousu ilman bulkin menetystä. Kantajaväliaineominaisuuden lisäksi työssä tutkittiin vaahdon kykyä syrjäyttää nestettä huokoi-sesta materiaalista. Vedenpoiston tehostuminen havaittiin niin vaahtorainauksessa kuin märän rainan vaahtopäällystyksessä. Näiden havaintojen perusteella vaahtoavusteista vedenpoistoa tutkittiin biolietteen käsittelyssä. Tulosten mukaan biolietteen suotautuminen nopeutui, suodos oli kirkkaampi ja lietekakku 10 % kuivempi. Kuiva-aineen muutos oli pieni, sillä käytetty alipaine oli vain 2 kPa. Tehokkaampi alipaine todennäköisesti tehostaisi suodatusta. Tutkimus osoitti, että vaahtoteknologia tarjoaa useita etuja paperi/kartonkiteollisuudelle, ja teknologia yhdessä nanoma-teriaalien kanssa tarjoaa mahdollisuuden kehittää uusia paperi- ja kartonkituotteita.
Description
Supervising professor
Paltakari, Jouni, Prof., Aalto University, Department of Bioproducts and Biosystems, Finland
Thesis advisor
Hjelt, Tuomo, Dr., VTT Technical Research Centre of Finland, Finland
Keywords
foam technology, foam forming, foam coating, foam assisted, aqueous foam, wet strength, dry strength, formation, dewatering, dryness, thin layers, nanoparticle, cellulose nano fibrils, cellulose micro fibrils, surface properties, biosludge
Other note
Parts
  • [Publication 1]: Kinnunen-Raudaskoski, Karita; Hjelt, Tuomo; Kenttä, Eija; Forström, Ulla. (2014) Thin coatings for paper by foam coating, TAPPI Journal Vol. 13 No. 7 July 2014, pp. 9-19.
  • [Publication 2]: Kinnunen-Raudaskoski, Karita; Hjelt, Tuomo; Sadocco, Patrizia; Forström, Ulla; Paltakari, Jouni. (2007) Novel thin functional coatings for paper by foam coating. Tappi Journal Vol. 16 No. 4 April 2017, pp. 179-186.
  • [Publication 3]: Kinnunen-Raudaskoski, Karita; Salminen, Kristian; Lehmonen, Jani; Hjelt, Tuomo. (2016) Increasing dryness after pressing and wet web strength by utilizing foam application technology. TAPPI Journal Vol. 15 No. 11 November 2016, pp. 731-738.
  • [Publication 4]: Kinnunen, Karita; Lehmonen, Jani; Beletski, Nikolai; Jetsu, Petri; Hjelt, Tuomo. (2013) Benefits of foam forming technology and its applicability in high NFC addition structures, 15th Fundamental Research Symposium, Oxford, UK. Proceedings of the 15th Pulp and Paper Fundamental Research Symposium, Cambridge, Sept 8-13.
  • [Publication 5]: Lehmonen, Jani; Jetsu, Petri; Kinnunen, Karita; Hjelt, Tuomo (2013). Potential of foam-laid forming technology for paper applications. Nord. Pulp Pap. Res. J. 28:3, 392-398.
    DOI: 10.3183/NPPRJ-2013-28-03-p392-398 View at publisher
  • [Publication 6]: Kinnunen-Raudaskoski, Karita; Pirkonen, Pentti; Lehmonen, Jani; Hjelt, Tuomo. (2014) Foam-aided sludge treatment, Filtration Journal, vol. 14, number 3 August, pp 174-180.
Citation