Paperikoneen kuituseosten ioninvaihtomallit

Paperi- ja selluloosatehtaiden vesikiertojen sulkeminen sekä kierrätyskuitujen käyttö on johtanut ongelmiin, missä tietyt kemikaalit akkumuloituvat prosessivesiin. Erityisesti paperin ja kartongin valmistuksessa paljon täyteaineena ja päällystyspigmenttinä käytettyä kalsiumkarbonaattia kulkeutuu huomattavia määriä kierrätyspaperin ja hylyn mukana paperikoneille. Kalsiumkarbonaatti muodostaa liuetessaan kalsiumioneja, jotka aiheuttavat prosessissa monia ongelmia. Näiden kalsiumionien sekä muiden metalli-ionien jakautumista kuitususpensiossa kuitufaasin ja ulkoisen faasin välillä voidaan mallintaa Donnan-tasapainomallin avulla. Donnan-tasapainomallin kannalta tärkeässä asemassa ovat selluloosakuitujen rakenne- ja varausominaisuudet, joita on selvitetty tämän työn kirjallisuusosassa. Kirjallisuusosassa on selvitetty myös kalsiumkarbonaatin liukenemista ja siihen vaikuttavia tekijöitä sekä kalsiumkarbonaatin liukoisuusmallin yhdistämistä Donnan-tasapainomalliin. Kokeellisessa työssä tutkittiin paperinvalmistuksessa käytettävien eri kuitumateriaalien varausominaisuuksia käyttäen potentiometrista titrausta, sekä kuitujen kykyä sorpoida kalsiumioneja. Työssä tutkittiin myös kalsiumkarbonaatin saostumista kuituihin sekä kalsiumkarbonaatin liukenemisen kinetiikkaa. Tutkitut kuitumateriaalit olivat valkaistu eukalyptussulfaattimassa sekä laboratorio-olosuhteissa peroksidivalkaistu termomekaaninen kuusihierre. Kalsiumionien sorpoitumista ja kalsiumkarbonaatin saostumista kuituihin tutkittiin pH:n funktiona. pH säädettiin halutuksi (2-10) suolahapolla, rikkihapolla tai hiilidioksidilla. Vapaa kalsiumionipitoisuus määritettiin suodosvedestä atomiabsorptiospektrometrillä sekä ioniselektiivisellä elektrodilla. Tulokset mallinnettiin käyttäen Donnan-tasapainomallia sekä yhdistettyä Donnan-/liukoisuusmallia, mallintamista varten tehdyssä Excel-sovelluksessa. Vapaa kalsiumionipitoisuus ulkoisessa faasissa laski pH kahdesta seitsemään ja TMP:llä jälleen pH kahdeksasta kymmeneen systeemeissä, joissa kalsiumkarbonaatin liukoisuustuloa ei ylitetty. Eukalyptus-massan tapauksessa, systeemeissä, joissa kalsiumkarbonaatin liukoisuustulo ylitettiin, vapaa kalsiumionipitoisuus ulkoisessa faasissa alkoi uudelleen laskea pH:n 8,5 jälkeen, mikä johtui kalsiumkarbonaatin saostumisesta kuituihin. pH:n säätökemikaalilla ei havaittu näissä kokeissa olevan vaikutusta. Termomekaanisen massan tapauksessa, systeemeissä, joissa kalsiumkarbonaatin liukoisuustulo ylitettiin, yhdistetty Donnan-/liukoisuusmalli kuvasi kokeellista dataa ainoastaan välttävästi. Tähän oli syynä liian Iyhyt tasapainotusaika. Hyvin korkeissa kalsiumionipitoisuuksissa Donnan-tasapainolla ei ollut enää suurtakaan merkitystä; jos karbonaattia oli tällöin läsnä, vapaa kalsiumionipitoisuus ulkoisessa faasissa laski lähinnä kalsiumkarbonaatin saostumisen vuoksi. Donnan-mallin sovituksissa käytettiin lähtöarvoina massoille potentiometrisella titrauksella saatuja varausparametrejä: eukalyptusmassalle varaus = 67 mmol/kg, pK_(a) = 3,3 ja termomekaaniselle massalle varaus = 152/229 mmol/kg, pK_(al) = 3,6/3,8, PK_(a2) = 9,3/8,8