Filtration of Microcrystalline Cellulose: Electro-assisted filtration and the influence of surface properties
Doktorsavhandling, 2017

One of the main requirements for the sustainable usage of materials is the use of renewable resources. This presents the Swedish forestry industry with the promising opportunity of using wood to produce not only traditional paper products but also a range of new materials of high value. The production of new types of materials introduces new challenges: a main one that faces large-scale production processes based on bio-based resources is solid-liquid separation. Thermal drying is often preceded by a mechanical dewatering technique, such as filtration, in order to achieve an energy-efficient solid-liquid separation. However, conventional pressure filtration operations can be impaired when employed for materials with high specific surface areas due to the operation time and/or equipment size required. This is especially so for materials that form compressible filter cakes. The use of assisted filtration techniques to increase the dewatering rate could therefore play an important role for these types of materials. The application of an electric field during pressure filtration, electro-assisted filtration, is one option to improve the filtration behaviour of materials with charged surfaces. In this thesis, the filtration behaviour of cellulosic materials with high specific surface areas was studied, and the use of electro-assisted filtration as a method for mechanical dewatering was investigated. The ways in which the surface properties, structure and charge of the solid material affected the filtration behaviour were studied using experimental measurements of the local filtration properties. The local filtration properties were also used to model the pressure filtration operation. Electro-assisted filtration was shown to increase the filtration rate of the cellulosic material when compared to pressure filtration. The contributions made by electroosmosis and electrophoresis on the filtration operation were described by an electrofiltration model. The specific surface area of the cellulosic material had a large influence on the specific filtration resistance, but was not found to have a major influence on the rate of electroosmotic dewatering. The improvement obtained by electro-assisted filtration thus increased with increasing specific surface area of the solid material.

filtration

modelling

compressible filter cakes

electroosmotic dewatering

electrofiltration

local filtration properties

electro-assisted filtration

solid-liquid separation

dead-end filtration

KB-salen, Kemigården 4
Opponent: Prof. Richard Wakeman, United Kingdom

Författare

Jonas Wetterling

Chalmers, Kemi och kemiteknik, Kemiteknik, Skogsindustriell kemiteknik

Effects of surface structure on the filtration properties of microcrystalline cellulose

Separation and Purification Technology,; Vol. 136(2014)p. 1-9

Artikel i vetenskaplig tidskrift

The influence of ionic strength on the local filtration properties of titanium dioxide

Filtration,; Vol. 15(2015)p. 48-57

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Modelling filtration processes from local filtration properties: The effect of surface properties on microcrystalline cellulose

Chemical Engineering Sciences,; Vol. 165(2017)p. 14-24

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Wetterling, J., Mattsson, T., Theliander, H. Local filtration properties of microcrystalline cellulose: influence of an electric field

Wetterling, J., Mattsson, T., Theliander, H. The influence of ionic strength on the electro-assisted filtration of microcrystalline cellulose

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.

Drivkrafter

Hållbar utveckling

Styrkeområden

Energi

Ämneskategorier

Kemiteknik

ISBN

978-91-7597-578-8

Doktorsavhandlingar vid Chalmers tekniska högskola. Ny serie: 4259

Utgivare

Chalmers tekniska högskola

KB-salen, Kemigården 4

Opponent: Prof. Richard Wakeman, United Kingdom

Mer information

Skapat

2017-05-02