Abstract Flotation is a well-known and widely used technique for the separation of particles smaller than 250 µm, but efficient performance requires the use of various synthetic chemicals which can potentially damage the health of humans and animals and pollute the environment. Consequently, their replacement through a more environment-friendly and sustainable alternative has been demanded. One promising candidate is cellulose, which is an abundant natural polymer that is environment-friendly and can be treated chemically and physically to yield tailored properties and thus a potential for use in processes such as flotation. This work focuses on the use of cellulose-based reagents in flotation processes to replace the often harmful conventional reagents derived from mineral oil, plant oils or animal fats. The physico-chemical properties of cellulose differ from those of conventional reagents, leading to differences in performance during flotation. In particular, the chemical and morphological heterogeneity of cellulose affects its properties and thus its interaction with minerals and water. Consequently, its use requires the study of the fundamentals of flotation and their application including the physico-chemical heterogeneity of cellulose to determine the optimum conditions and enable efficient performance. This work focuses on the determination of the thermodynamic surface energetics of solid particles and changes in this after reagent adsorption, using the inverse gas chromatography technique in a dry atmosphere. Furthermore, interactions between cellulose and minerals immersed in water are investigated using the DLVO theory, the interaction forces between cellulose and the minerals being derived and correlated with flotability. The importance of free surface charges is then considered by investigating the electric surface potential of cellulose-coated minerals in connection with particle-bubble attachment efficiency. At the same time, conventional amphiphilic reagents are used and its performances are related to cellulose-based reagents. / Tiivistelmä Vaahdotus on kaivannaisteollisuudessa laajasti käytössä oleva prosessi, jonka avulla saadaan erotettua tehokkaasti pieniä, alle 250 µm kokoisia partikkeleita. Vaahdotuksen apuaineena käytetään erilaisia synteettisiä kemikaaleja, jotka voivat aiheuttaa harmia ympäristölle. Siksi niiden korvaaminen ympäristöystävällisemmillä vaihtoehdoilla on tärkeää. Yksi lupaava vaihtoehto korvaavaksi materiaaliksi on selluloosa. Selluloosa on uusiutuva ja ympäristöystävällinen luonnonpolymeeri, josta voidaan valmistaa kemiallisesti ja fysikaalisesti käsittelemällä erilaisia biokemikaaleja. Näitä voidaan soveltaa erilaisissa prosesseissa, myös vaahdotuksessa. Tässä työssä keskitytään selluloosapohjaisten kemikaalien käyttöön vaahdotuksessa tavanomaisten, usein haitallisten synteettisten kemikaalien korvaamiseksi. Selluloosan fysikaaliskemialliset ominaisuudet eroavat synteettisten vaahdotuskemikaalien ominaisuuksista, mikä vaikuttaa niiden vuorovaikutukseen mineraalien ja veden kanssa. Erityisesti selluloosan kemiallinen ja morfologinen heterogeenisuus on keskeinen tekijä. Selluloosan hyödyntäminen tulevaisuuden vaahdotuskemikaalina edellyttää selluloosan ja mineraalien vuorovaikutuksen syvällistä ymmärtämistä. Tässä työssä tutkitaan selluloosan ja mineraalien vuorovaikutusta sekä IGC-menetelmän avulla, että DLVO-teorian että pintavarausmittausten avulla. Lisäksi tutkitaan selluloosan ja mineraalien vuorovaikutusvoimien yhteyttä vaahdotusprosessin onnistumiseen ja saavutettuja tuloksia verrataan kaupallisten reagenssien toimintaan.

Abstract Plant fibres are an important part of modern daily life. The most obvious consumer products manufactured from them are paper, cardboard and the fibreboards used in the construction and furniture industries. Plants producing a woody stem are the most widely used raw materials for these fibre products but fibres originating from other plants, i.e. non-wood fibres, are used too. One of the most promising potential non-wood fibre resource categories is that of grasses, of which the cereals are the most important plants grown worldwide. A huge amount of straw is generated as an agricultural by-product annually, but the amount used as an industrial raw material is low because it contains components that are detrimental either to processability or to product quality. The purpose of pulp fractionation is to divide pulp into fractions with distinct properties. Industrially feasible fractionation methods are pressure screening, hydrocyclone fractionation and flotation. In pressure screening, separation is based on a mechanical barrier and particles are fractionated according to their dimensions, while a hydrocyclone fractionates particles according to their density and specific surface area and flotation fractionates particles according to their surface chemistry. These methods are traditionally used for removing impurities from pulp but numerous reports on pulp fractionation can also be found. Previous fractionation experiments were performed using wood-based pulps, whereas no previous studies are available concerning the fractionation of pulps manufactured using grasses. The aim of the present work was to determine whether it is possible to fractionate wheat straw pulp by methods that are feasible on an industrial scale. The experimental part was concerned with wheat straw pulp fractionation by pressure screening, hydrocyclone fractionation and flotation. The results show that all these fractionation methods were able to divide the wheat straw pulp into fractions with different cell properties and cell types, e.g. distinct cell lengths, cell wall thicknesses or surface chemistries. Likewise, fractionation can be used to remove detrimental components or to optimize pulp properties according to their end use or to optimize pulp processing sequences. Due to the uniform structure of grasses, it is likely that the results can be generalized to other grasses than that employed here. / Tiivistelmä Kasvisoluja sisältävät tuotteet ovat laajalti mukana ihmisten jokapäiväisessä elämässä. Kaikista näkyvimpiä tuotteita ovat paperi- ja kartonkituotteet sekä rakennus- ja huonekaluteollisuuden käyttämät kuitulevyt. Perinteisesti kasvikuidut näihin tuotteisiin on saatu puuvartisista kasveista, mutta raaka-aineena käytetään muitakin kasveja, niin kutsuttuja non-wood kasveja. Yksi potentiaalinen kasviryhmä teollisuuden raaka-aineeksi ovat heinäkasvit. Muun muassa tärkeimmät viljakasvit ovat heinäkasveja, ja maatalouden sivutuotteina syntyy korsimateriaalia maailmanlaajuisesti huomattava määrä. Heinäkasvien teollinen hyödyntäminen on kuitenkin vähäistä sillä ne sisältävät komponentteja, jotka haittaavat materiaalin prosessointia tai ovat lopputuotteen ominaisuuksia heikentäviä. Kuitususpension fraktioinnin tarkoituksena on jakaa suspensio kahteen tai useampaan jakeeseen, joiden kuituominaisuudet tai solukoostumus ovat erilaiset. Teollisesti käytettävissä olevia fraktiointilaitteita ovat painelajitin, hydrosykloni ja flotaatio: painelajittimessa erottuminen perustuu mekaaniseen esteeseen ja partikkelit erottuvat pääasiassa partikkelin dimensioiden perusteella, hydrosyklonissa erottuminen tapahtuu partikkelien tiheyden ja ominaispinta-alan mukaan kun taas flotaatiolla voidaan erottaa pintakemialtaan erilaisia partikkeleita. Näitä laitteita on perinteisesti käytetty epäpuhtauksien poistamiseen kuitususpensiosta, mutta laitteiden käyttöä puusta valmistettujen massojen fraktiointiin on tutkittu laajasti. Heinäkasveista valmistettujen massojen fraktiointiin näitä menetelmiä ei ole sovellettu. Tämän tutkimuksen tarkoituksena oli selvittää vehnämassan sisältämien solujen fraktiointia teollisuuden käyttöön soveltuvilla menetelmillä. Työn kokeellisessa osassa fraktiointiin vehnäsellua painelajittimella, hydrosyklonilla ja flotaatiolla. Työn tulokset osoittavat, että kaikki tutkitut fraktiointimenetelmät pystyvät jakamaan vehnämassan jakeisiin, joilla on erilaiset solujen ominaisuudet sekä solukoostumukset. Fraktioinnin avulla on mahdollista tuottaa jakeita, joiden kuitupituudet, seinämäpaksuudet sekä pintakemia eroavat. Näin ollen massasta voidaan poistaa jokin haitallinen solujae, tai vaihtoehtoisesti fraktiointia voidaan käyttää optimoitaessa massan ominaisuuksia lopputuotteen ominaisuuksien parantamiseksi, tai optimoitaessa massan prosessointia. Koska heinäkasvit ovat rakenteeltaan samanlaisia, ovat tulokset hyvin todennäköisesti yleistettävissä muidenkin heinäkasvien fraktiointiin.