Removal of harmful ions from pulp bleaching effluents by membrane technology

Abstract

Pulp bleaching is a major contributor to the freshwater consumption of kraft pulp mills. The main objective of this work was to investigate, how acidic and alkaline bleaching effluents can be purified by membrane technology in order to reduce the water consumption by closing water cycles. The bleaching effluents may contain certain cations, such as calcium, barium and transition metal ions, as well as anions including carbonate, oxalate, sulphate and chloride ions, which may have harmful impacts on bleaching processes. Therefore, to recycle the effluents, the concentrations of these ions typically need to be reduced. Promising results have been obtained by ultra- and nanofiltration. However, the filtration of the acidic effluents is typically considered more challenging than that of alkaline effluents. Additionally, the aim was to assess the suitability of ion chromatography for analysing the harmful ions in bleaching effluents.

Preliminary ultrafiltration experiments of the alkaline Eop stage bleaching effluent and the acidic D0 and D1 stage effluents from a Finnish kraft pulp mill were conducted using a stirred cell set-up with a polymeric ultrafiltration membrane (cut-off 5000 Da). Nanofiltration tests were carried out in a cross-flow unit, and four polymeric membranes with cut-off values in the range of 500-1000 Da were used to filter the three effluent samples. The anions and the most abundant cations in the feed solutions and permeates could be analysed by ion chromatography. For all the samples, most promising results were obtained using a sulphonated PES membrane with a cut-off value of 600-800 Da. Promising results were obtained also for the filtration of the acidic effluents. However, monovalent ions were poorly removed in the filtration, and therefore, further treatment is probably required in order to reuse the water streams to replace fresh water. Still, nanofiltration can have a remarkable role in further decreasing the water consumption in pulp mills.

Sulfaattisellun valmistuksessa merkittävä osa vedenkulutuksesta aiheutuu valkaisusta. Tämän työn tarkoituksena oli tutkia, miten valkaisun happamia ja alkalisia jätevesiä voitaisiin puhdistaa membraanitekniikalla vedenkulutuksen vähentämiseksi vesikiertoja sulkemalla. Nämä jätevedet voivat sisältää tiettyjä kationeja kuten kalsium-, barium- ja siirtymämetalli-ioneja sekä anioneja kuten karbonaatti-, oksalaatti-, sulfaatti- ja kloridi-ioneja, joilla voi olla haitallisia vaikutuksia valkaisuprosesseihin. Jotta valkaisun jätevesiä voitaisiin kierrättää prosesseissa, näiden ionien konsentraatioita täytyy yleensä vähentää, ja lupaavia tuloksia on saavutettu membraanitekniikalla. Happamien jakeiden suodattamista pidetään kuitenkin haastavampana kuin alkalisten. Lisäksi tarkoituksena oli tutkia ionikromatografian soveltuvuutta haitallisten ionien määrittämiseen valkaisun jätevesissä.

Erään suomalaisen sellutehtaan alkalisen Eop-vaiheen valkaisusuodoksen ja happamien D0- ja D1-vaiheiden suodosten alustavat ultrasuodatuskokeet tehtiin Stirred Cell-tyyppisellä suodatuslaitteistolla käyttäen polymeerimembraania (katkaisukoko 5000 Da). Nanosuodatuskokeet tehtiin käyttäen cross-flow suodatuslaitteistoa ja neljää polymeerimembraania, joiden katkaisukoot olivat välillä 500-1000 Da, käytettiin kolmen valkaisun jätevesinäytteen suodatukseen. Anionit ja ne kationit, joita liuoksissa oli eniten, voitiin määrittää ionikromatografisesti. Kaikkien näytteiden tapauksessa lupaavimmat tulokset saavutettiin käyttäen membraania katkaisukooltaan 600-800 Da ja jonka valmistusmateriaali on sulfonoitu PES. Lupaavia tuloksia saavutettiin myös happamien näytteiden suodatuksessa. Erityisesti kloridin määrä permeaateissa oli korkea, ja siksi jatkokäsittelyä todennäköisesti tarvittaisiin, jotta permeaattia voitaisiin käyttää prosessissa korvaamaan puhdasta vettä. Nanosuodatuksen rooli vedenkulutuksen vähentämisessä voi kuitenkin olla merkittävä.