Determination of surfactants in industrial waters of paper- and board mills

Abstract

Tässä Pro gradu tutkielmassa perehdyttiin surfaktanttien määrittämiseen paperi- ja kar-tonkitehtaiden teollisuusvesistä erilaisilla määritysmenetelmillä. Työ koostuu kirjallisesta ja kokeellisesta osasta. Kirjallisuusosuudessa keskityttiin erilaisiin surfaktantteihin ja niiden määritystekniikoihin, mukaan lukien kromatografiset, spektrofotometriset sekä titrimetriset tekniikat. Päähuomio on kohdennettu surfaktanttipitoisten vesinäytteiden analysointiin nestekromatografisilla menetelmillä. Lisäksi kirjallisuusosuudessa on käsi-telty lyhyesti uusi paperinvalmistus-tekniikka, vaahtorainaus sekä kuvattu tavalliset paperi- ja kartonkitehtaiden vesikiertosysteemit. Määritysmenetelmien lisäksi kirjalli-suusosiossa on esitelty surfaktanttien eliminointimenetelmät jätevesistä sekä koottu kat-saus paperiteollisuusvesien vaahtoutuvuustaipumuksista ja vaahdon käsittelymenetel-mistä. Pro gradu tutkielman kokeellinen osuus koostuu kolmesta aihealueesta. Ensimmäinen osa käsittelee SDS:n määritystä kahdella eri analyysimenetelmällä. Menetelmät ovat nesteuutto-spektrofotometria ja korkean-erotuskyvyn käänteisfaasinestekromatografia (HPLC-RP) yhdistettynä sähkönjohtokyky detektoriin (ECD). Osiossa selvitettiin mo-lempia menetelmiä käyttäen, kuinka suolat (NaCl, CaCl2, FeSO4) ja retentioaineet (c-Pam ja mikropartikkeli) vaikuttavat kraft-viiraveden SDS pitoisuuteen ja eri menetel-millä saatuja tuloksia verrattiin keskenään. Tutkimuksessa havaittiin, että HPLC-RP menetelmällä ja nesteuutto menetelmällä saa-dut tulokset erosivat merkitsevästi toisistaan. Nesteuutto menetelmän mukaan kraft-viiraveden sisältämät hiukkaset, suolat ja retentioaineet vaikuttivat hyvin vähäisesti näytteistä mitattuihin SDS pitoisuuksiin. HPLC-RP taas osoitti, että kraft-viiravesi, CaCl2 ja FeSO4 vaikuttavat merkittävästi ko. menetelmällä määritettyyn SDS-pitoisuuteen. NaCl:lla ei ollut HPLC-RP mittausten mukaan merkittävää vaikutusta näytteiden SDS pitoisuuteen. Suolanäytteet käsiteltiin kiinteä-nesteuutolla ennen HPLC-RP analyysiä, sillä suolat häiritsivät mittausta. HPLC-UV menetelmällä onnistut-tiin määrittämään myös amfoteerisen surfaktantin (Miranol Ultra) pitoisuus kraft-viiravesinäytteistä. Kokeellisen työn toisessa osassa kehitettiin nopeutettu laboratoriomittakaavan mittaus-systeemi surfaktanttipitoisten vesinäytteiden vaahtoutuvuuden analysointiin ilmastuksen avulla. Tehtyjen mittausten mukaan alle 100 ppm SDS surfaktanttia sisältävät jätevedet eivät vaahtoa ilmastusmäärällä 0,6 L/min. Saostustestit olivat kokeellisen työn kolmas osio. Saostuskokeiden tarkoituksena oli tutkia SDS-surfaktantin saostamista puhtaista vesi- sekä viiravesi-näytteistä trivalentis-ten kationien (Al3+ and Fe3+) avulla sekä tutkia saostuskemikaalien määrän ja näytteiden pH:n vaikutusta SDS:n saostustehokkuuteen. Ionivaihdetulla vedellä tehdyt kokeet osoittivat, että molemmat saostuskemikaalit, rautasulfaatti (PIX-105) sekä polyalumii-nikloridi (PAX-14), saostavat SDS-surfaktanttia. PAX-14 oli tehokkain, saostaen noin 90 % mitatusta SDS pitoisuudesta jo 400 µl:n annoksella. PIX-105 saosti noin 60 % SDS pitoisuudesta 1000 µl:n annoksella. Saostustehokkuuden todettiin olevan pH riip-puvainen. Optimaalinen pH PIX-105 (1000 µl) saostuskemikaalille oli noin 3 ja opti-maalinen pH-alue PAX-14 (400 µl) saostuskemikaalille oli 4,4 – 5.

For this thesis, a study of determination methods of surfactants in industrial waters of paper- and board mills was performed. The thesis is divided into two parts. Firstly, the literature part considers different surfactants in general and their determination tech-niques, including chromatographic, spectrometric and titration techniques. The main focus is on the surfactant determination in environmental- and wastewater samples with liquid chromatographic methods. Also the foam forming process, a new paper making technique, and the basic water circulation systems in paper and board mills are covered briefly. This thesis provides a compact collage of the present-day situation of surfactant determination and removal methods, and foaming tendency of paper industry waters and foam managing. Secondly, the experimental part of this thesis is composed of three themed parts. The first part deals with the determination of SDS using two different determination meth-ods; solvent extraction spectrophotometry and high-performance reversed-phase liquid chromatography (HPLC-RP), combined with electrical conductivity detection (ECD). The effects of salts (NaCl, CaCl2, FeSO4) and retention aids (c-Pam and microparticle) on the SDS content of kraft white water were examined with RP-ECD and SES-method and the results were compared to see if there are any significant differences. Results from HPLC-RP analysis method and solvent extraction method differed signifi-cantly. According to SES analysis, kraft white water particles, salts or retention aids have quite a small effect on the measured SDS content of the samples. The HPLC-RP showed that for kraft white water, CaCl2 and FeSO4 affect the measured SDS content significantly, but NaCl did not have an effect on SDS concentration. Solid phase extrac-tion needed to be used as a pre-treatment method for salt samples since the salts inter-fered with the HPLC-RP method. The HPLC-UV (ultraviolet detection) tests of Miranol Ultra (an amphoteric surfactant) were also carried out, including calibration curves, and the effect of salts was successfully determined. The second part of the experimental work focused on the development of laboratory scale measurement system for the analysis of foaming tendency of SDS containing wastewaters during aeration. A quick and simple examination test of the foaming be-haviour of different water samples with different surfactants and additives was achieved. According to the results, wastewaters containing <100 ppm of SDS do not generate foam with air flow rate of 0.6 L/min. Flocculation tests were the third part of the experimental work in this study. The aim of the flocculation tests was the examination of precipitation of SDS from pure- and white water samples using trivalent cations Al3+ and Fe3+ as coagulants, and study the effects of coagulant dosage and pH on the precipitation efficiency of SDS. Experiments per-formed with deionized water showed that both coagulants, ferric sulfate (PIX-105, Kemira) and polyaluminum chloride (PAX-14, Kemira), can precipitate SDS. Polyalu-minum chloride was more effective: 400 µl dosage of PAX-14 yielded ~ 90 % removal efficiency of SDS and 1000 µl dosage of PIX-150 yielded ~ 60 % removal efficiency of SDS. Precipitation efficiency was also found to be pH dependent. The optimal pH value for 1000 µl dose of PIX-105 was about 3 and the optimal pH range for 400 µl dose of PAX-14 was from 4.4 to 5.