Filtration of Microcrystalline Cellulose: Electro-assisted filtration and the influence of surface properties

Doctoral thesis, 2017

Dagens samhälle är beroende av tillgång till stora mängder av både energi och material. Ett av de grundläggande kraven för att dessa behov ska kunna fyllas på ett hållbart sätt är att produktionen sker från förnyelsebara råvaror. För energibehovet finns det gott om alternativ: sol-, vind- och vattenkraft är bara några av de mest välkända exemplen. För materialbehovet är biomassa från skogsindustin eller från jordbruk de huvudsakliga förnyelsebara källorna. För att kunna uppnå ett hållbart användande av jordens resurser krävs därför ett skifte mot ett ökat användande av biomassa för att producera de material som det moderna samhället efterfrågar.

En ökad efterfrågan på förnyelsebara material ger den svenska skogsindustrin en spännande möjlighet att använda skogsråvaran till produkter med ett högre värde än den traditionella användningen i pappersprodukter. Material som mikrofibrillär cellulosa och nanokristallin cellulosa är exempel som har fått mycket uppmärksamhet för en lång rad av användningsområden. Dessa material kan kombinera goda mekaniska egenskaper med en låg vikt samtidigt som att de är biologiskt nedbrytbara. Storskalig produktion har dock begränsats av ett högt energibehov i tillverkningsprocessen. Framställning av dessa material sker normalt i utspädda vattenlösningar, sådana processer skulle därför behöva följas av en energi-effektiv avvattning.

I industriella processer sker ofta en mekansik avvattning genom filtrering innan materialet torkas. Detta för att minska energibehovet under torkningen. För material som nanokristallin cellulosa kan dock filtrering vara praktiskt taget ogenomförbart på grund av ett mycket högt filtreringsmotsånd: filtreringsutrustningens storlek och/eller tiden som behövs för avvattning skulle helt enkelt vara oöverstiglig. Av detta skäl behöver nya tekniker utvecklas för att underlätta den mekaniska avvattningen och därmed minska energibehovet jämfört med torkning. En möjlig lösning skulle kunna vara att använda elektriska fält som ett verktyg för assisterad filtrering.

I denna avhandling studeras hur filtering av cellulosa-material påverkas av partiklarnas ytor. Ytornas laddning och mekaniska struktur varieras och effekten på filtreringsbeteendet beskrivs med en modell. Hur ett elektriskt fält kan användas till att påverka filtreringsbeteendet undersöks också. Kopplingen mellan materialets egenskaper, suspensionens tillstånd och det elektriska fältets verkan undersöks för att därmed kunna dra slutsatser om möjligheterna att använda elektro-assisterad filtrering vid produktion av material från skogsbaserade råvaror.