Erikoiskamerateknologian ja fraktioinnin yhdistäminen kuitututkimuksessa

Kuvantava mittaus yhdistettynä fraktiointiin

Putkivirtaukseen perustuva fraktiointi on tehokas menetelmä kuitunäytteiden ja monikomponenttisten kuituseosten erotteluun ja analysointiin. Tässä menetelmässä näyte johdetaan putkimaiseen virtauskanavaan, jossa eri kokoiset ja muotoiset partikkelit erottuvat toisistaan. Suuremmat ja raskaammat partikkelit pyrkivät virtauksessa siirtymään kohti virtauskanavan keskiosaa, kun taas pienemmät ja kevyemmät partikkelit liikkuvat kohti virtauskanavan reunoja. Tämä ilmiö liittyy hydrodynaamisiin voimavaikutuksiin virtauksessa, jolloin partikkelien massa ja koko vaikuttavat siihen, missä kohdassa virtauskanavaa ne liikkuvat. Kuitujen erottelu omiin jakeisiin parantaa kameran kykyä tunnistaa ja analysoida partikkeleja paremmin.

Valmet Automation Oy on kehittänyt UHD-kamerateknologiaa ja fraktiointia yhdistävän laitteen, jota kutsutaan fraktionaattoriksi. Laite jakaa näytteen viiteen erilliseen jakeeseen, jotka on mahdollista ottaa talteen jatkotutkimuksia varten, kuten kuiva-aineen määritykseen. Laite mittaa kuitujen, täyteaineiden, hienoaineksen, likapartikkeleiden jne. jaottumisen. Fraktio 1 sisältää ensimmäisenä virtauksessa ulostulevat raskaammat partikkelit ja fraktio 5 sisältää hienoimmat ja kevyemmät partikkelit. Fraktiot jakaantuvat karkeasti seuraaviin jakeisiin:

Fraktio 1=Kuituflokit ja pitkät kuidut
Fraktio 2=Pitkät kuidut
Fraktio 3=Lyhyet kuidut
Fraktio 4=Lyhyet kuidut ja hienoaines
Fraktio 5=Hienoaines ja täyteaineet

Kuvassa 1 on esitetty putkivirtaukseen perustuvan fraktioinnin kaaviokuva. Näyte pumpataan kiepille asennetun letkun läpi, kunnes letkussa oleva vesi palaa vesisäiliöön. Näytteen virtausnopeutta, painetta, lämpötilaa ja optisia ominaisuuksia mitataan jatkuvasti erottelujakson aikana. Fraktiointi alkaa, kun letkussa kulkeva näytepatsas saavuttaa optiikkayksikön. Jos mittauksessa käytetään kameraa, myös kuva-analyysi alkaa tässä vaiheessa. Näytteen virtausnopeutta, painetta, lämpötilaa ja optisia ominaisuuksia mitataan jatkuvasti koko fraktionointijakson ajan, mittaussignaaleja luetaan tiheästi ja tulokset tallennetaan. (Valmet s.a.) Kuvantaviin kuitukameran tuloksiin tallentuvat kuitujen dimensiot, kuten pituus ja leveys, fraktioiden osuudet, hienoaineksen määrä, kuitujen kiharuus ja fibrillaatio. Likakameraa voidaan käyttää esimerkiksi musteen ja tahmojen kuvaamiseen eri fraktioissa.

Kemikaalien optimointi erikoiskamerateknologian avulla

Xamk Kuitulaboratoriossa on hyödynnetty UHD-kamerateknologiaa ja fraktiointimenetelmiä paperi- ja retentiokemian tutkimuksessa. UHD-kameran avulla voidaan tarkastella, miten erilaiset kemikaalit ja lisäaineet vaikuttavat kuituihin ja niiden hienoainekseen. Kuvassa 2 esitetään yksinkertainen koe, jossa sellumassaan on lisätty kationista polymeeria aina 1000 g/t (grammaa tonnia kohden) asti. Kuvasarjasta käy ilmi, että kuitujen leveys paksuuntuu polymeeriannoksen kasvaessa, kun polymeeri kiinnittyy kuitujen pintaan ja sitoo hienoainesta kuituun kiinni. Paksuuntuminen saavuttaa kuitenkin tässä kokeessa maksimiarvonsa 800 g/t polymeeriannoksella, minkä jälkeen lisäannosten vaikutus ei enää lisää kuitujen paksuutta.

UHD-kamerateknologiaa voidaan hyödyntää muun muassa lisäaineiden optimoinnissa (kuten kemian, annosmäärien ja annostelunopeuksien osalta) sekä märkäpään kemian tutkimisessa. Vastaavanlaisia kokeita voidaan suorittaa minkä tahansa paperi- tai kartonkikoneen massoilla, tehdasvesillä ja kemikaaleilla.

Selluloosan jauhamisprosessin seuraaminen erikoiskamerateknologialla

UHD-kamerateknologia pystyy erottamaan partikkeleita mikrometrin tarkkuudella, ja Xamk Kuitulaboratoriossa tätä teknologiaa on hyödynnetty sellukuidun jauhamisen seuraamisessa mikrofibrilloiduksi selluloosaksi (MFC). Kuvassa 3 on esitetty UHD-kuvia kuitufraktioista Masuko-jauhimella tuotetusta näytteestä eri vaiheissa jauhamisprosessia. Sellua jauhettiin kahdeksan kierrosta Masuko-jauhimen läpi. Fraktiokuvista nähdään, että kuidun pituus lyhenee sellun jauhatuksen edetessä, ja toisaalta lyhyiden kuitujen ja hienoaineksen määrä kuitufraktioissa kasvaa.

Kaakkois-Suomen ammattikorkeakoulun CEBIPRO-hankkeessa on tutkittu Valmetin erikoiskamerateknologialla varustetun fraktiointilaitteen mahdollisuuksia uusien sellulaatujen karakterisoinnissa. Monissa kuvantavissa mittausmenetelmissä resoluutiokyvyn rajoitukset voivat estää erityisesti nanomittakaavan kokoisten partikkelien analysoinnin. Hankkeessa on selvitetty optisen mittauksen ja fraktioinnin yhdistämisen potentiaalia nanoselluloosan analysoimiseksi jo olemassa olevan kuva-analyysin rinnalle. Menetelmää voisi hyödyntää prosessinohjauksessa, kuten kuidun jauhatuksen seuraamisessa. Tutkimus jatkuu edelleen.

Lähteet

Laitinen, O., Kemppainen, K., Stoor, T., and Niinimäki, J. (2011). ”Fractionation of pulp and paper particles selectively by size,” BioRes. 6(1), 672-685.

Valmet s.a. Valmet Fractionator, Asennus, operointi ja ylläpito. PDF-dokumentti.