Abstract The old corrugated container (OCC) recycling process produces pulp suspension from recovered packaging material with sufficient strength and cleanliness to meet regulatory requirements for produced packaging material. Pulping is the first unit operation in the OCC recycling process and the most energy-intensive unit operation, accounting for 20–30% of the total energy used in the process, if dispersion is not used. From the viewpoint of improving the energy efficiency of the OCC recycling process, the pulping stage is an important research target. The approach of this thesis work was to experimentally study practical possibilities to decrease the energy requirements of the OCC pulping process by understanding disintegration mechanisms and pulping fundamentals. The pulping process was conceptually divided into three separate phases: wetting, bulk disintegration, and residual disintegration. The aim was to elucidate the effect of each phase on disintegration kinetics and specific energy consumption of pulping, and to discuss how those phases could be intensified to minimize energy consumption. The results suggest that forced wetting of OCC material by mechanical pressing increases the disintegration rate owing to thorough impregnation of water into the OCC material, which efficiently reduces the material’s wet strength by cutting hydrogen bonds. The method can potentially reduce the energy requirement of the pulping process by about 30%. Bulk disintegration by falling the material in high-consistency drum pulping was emulated in a specially designed device. The results reveal that the energy needed for material disintegration depends significantly on the material’s wet strength. Pulping energy consumption can be lowered in the residual disintegration phase by separating the easily disintegrated weaker materials in an early stage from the drum and continuing pulping of the remaining non-disintegrated material (Fractional pulping). This setup led to estimated energy savings of around 20%. During the thesis work, the authors developed an analysis device that photographs flakes separated from the pulp and determines flake size distribution by image analysis. The device revealed the difference between the low- and medium-consistency OCC pulping mechanisms. / Tiivistelmä Pahvin kierrätysprosessissa kerätyistä pakkausmateriaaleista valmistetaan uusiomassaa, joka käytetään uuden pahvin valmistukseen. Kierrätysprosessin ensimmäinen yksikköoperaatio on pulpperointi eli pahviraaka-aineen kuiduttaminen sulpuksi. Pulpperointi on usein koko kierrätysprosessin energiankulutukseltaan suurin yksikköprosessi, joka voi viedä jopa 20 – 30 % koko prosessin energiankulutuksesta. Tämän vuoksi pulpperoinnin energiankulutuksen pienentämiseen tähtäävä tutkimus on erittäin tärkeää. Työn tarkoituksena oli tutkia kokeellisin menetelmin mahdollisuuksia vähentää pulpperoinnin energiankulutusta. Tavoitteena oli saada ymmärrystä pulpperoinnin hajotusmekanismeista ja pulpperointiin vaikuttavista tekijöistä. Tässä työssä pulpperointi jaettiin kolmeen vaiheeseen: pahvin vettymiseen, varsinaiseen bulkkihajotukseen ja jälkihajotukseen. Tarkoituksena oli havainnollistaa jokaisen vaiheen vaikutusta materiaalin hajotuskinetiikkaan ja pulpperoinnin energiankulutukseen. Lisäksi tavoitteena oli pohtia mahdollisia tapoja tehostaa jokaista vaihetta ja näin minimoida energiankulutusta. Tulosten perusteella pahvin pakotettu kostuttaminen mekaanisella puristuksella kasvattaa hajotusnopeutta johtuen vedestä, joka kastelee materiaalin läpikotaisin. Tämä pienentää materiaalin märkälujuutta katkomalla kuitujen välisiä vetysidoksia. Menetelmän avulla pulpperoinnin energiankulutusta pystytään vähentämään jopa 30 %. Rumpupulpperin bulkkihajotusta jäljiteltiin tarkoitukseen suunnitellulla pudotuslaitteella. Tulokset paljastivat, että energiatarve materiaalin hajottamiseen on verrannollinen materiaalin märkälujuuteen. Pulpperoinnin energiankulutusta jälkihajotuksessa voidaan pienentää ns. fraktioivalla pulpperoinnilla, jossa pulpperin kuormaa kevennetään poistamalla nopeasti hajoava heikkolujuuksinen materiaali mahdollisimman aikaisin, jonka jälkeen pulpperointia jatketaan hajoamattomalla materiaalilla. Tällaisella menetelmällä voidaan parhaimmillaan säästää 20 % rumpupulpperoinnin energiankulutuksesta. Työn aikana kehiteltiin myös kuvantamiseen perustuva analyysimenetelmä, jolla voidaan analysoida hajoamattoman materiaalin kokojakaumaa. Analyysimenetelmä paljasti hajotusmekanismieron matala- ja keskisakeuspulpperoinnin välillä.

Abstract Paper recycling is an ecological strategy for disposing of waste paper, but more importantly, recovered paper is an important source of raw material in the paper and board industry. Deinked pulp production from recovered paper has proved economically viable by comparison with virgin fibre pulp manufacturing, but this viability is now threatened by increasing waste disposal costs, as up to 25% of the raw material available for deinked pulp production can end up in the reject streams, which then have to be disposed of. The most common practice at present is incineration and disposal of the resulting ash in landfills, but tightening legislation has meant that landfills have become very expensive and are likely to be completely banned in the near future. Thus new ways have to be sought for managing the waste problem in deinked pulp production in order to ensure that the recycled paper production remain both economically and environmentally feasible. The aim of this thesis was to study means of improving the material efficiency of a deinked pulp mill without excessively detracting from end product quality or the performance of the combined sludge dewatering stage. First, an analytical procedure was developed for determining the utilisation potential of reject streams, and a considerable potential for material recovery from these streams was identified. The results presented here show that 80% of the most valuable long fibres from the fine-screening rejects and 15% of the fine material from the flotation froth reject can be recovered. Altogether, with the simultaneous recovery of both categories of reject, it would be possible to improve the material efficiency at the deinked pulp mill by a total of about 5 percentage units, which can be considered significant for process efficiency. Moreover, this would enable the fibre content of the combined sludge to be kept above a certain limit, so that the combined sludge dewatering properties would not be affected. Consequently, the results presented in this thesis provide several widely applicable means for improving the resource efficiency of a deinked pulp mill. / Tiivistelmä Paperin kierrätys uusiksi paperituotteiksi on ympäristöystävällinen tapa jätepaperin käsittelemiseksi. Uusiomassan valmistus on myös taloudellisesti kannattavaa verrattuna paperimassan valmistukseen neitseellisistä raaka-aineista. Taloudellinen kannattavuus on kuitenkin vaarassa jätemaksujen alati kasvaessa, sillä siistausmassan valmistuksessa jopa 25 % kierrätyspaperiraaka-aineesta päätyy jätejakeisiin, jotka hävitetään yleisesti polttamalla ja läjittämällä syntynyt tuhka kaatopaikalle. Lainsäädäntö on rajoittanut kaatopaikkasijoittamista ja se on nykyään hyvin kallista. Tulevaisuudessa jätteiden kaatopaikkasijoittaminen voi olla jopa täysin kiellettyä. Jäteongelman ratkaisemiseen tarvitaan siis uusia menetelmiä, jotta kierrätyspaperin valmistus säilyisi sekä taloudellisista että ympäristöllisistä näkökulmista kannattavana toimintana. Tämän väitöskirjatyön tavoitteena oli etsiä keinoja parantaa siistausmassan valmistuksen resurssitehokkuutta palauttamalla käyttökelpoisia materiaaleja jätevirroista takaisin prosessiin siten, ettei heikennetä lopputuotteen laatua eikä lietteidenkäsittelyprosessin toimintaa. Väitöstyön alussa kehitettiin analyysiproseduuri rejektivirtojen hyötykäyttöpotentiaalin arvioimiseksi ja siistamon rejektijakeissa havaittiin merkittävästi hyödynnettävää materiaalia. Tulokset osoittavat, että 80 % hienolajittelun rejekteissä poistuneista arvokkaista pitkistä kuiduista voidaan palauttaa takaisin prosessiin. Lisäksi flotaation vaahtorejektistä voidaan palauttaa 15 % hienoainetta. Palauttamalla yhtäaikaisesti sekä kuituja hienolajittelun rejekteistä että hienoainetta flotaation vaahtorejektistä, voidaan siistausmassan valmistuksen materiaalitehokkuutta parantaa yhteensä noin 5 prosenttiyksikköä, mikä on merkittävä parannus prosessitehokkuuteen. Kuitujen ja hienoaineen samanaikainen palauttaminen pitää lisäksi lietteiden käsittelyssä seoslietteen kuitupitoisuuden tarpeeksi korkeana, jotta sen vedenerotusominaisuudet säilyvät hyvinä. Tämän tutkimuksen tuloksena löydettiin siis useita laajalti sovellettavissa olevia keinoja siistausmassan valmistuksen resurssitehokkuuden parantamiseksi.

Abstract The amount of printing ink in a pulp suspension produced from recovered paper and its impact on overall brightness is commonly estimated from the reflectance-based ink content measured at a wavelength of 700 nm or 950 nm. The method uses a light scattering coefficient that can be measured from a slightly translucent test medium, i.e. of an opacity less than 97%. This is the case with machine-made papers in most instances. Alternatively, suitable opacity can be achieved by preparing a standard low-grammage sheet on a wire screen, but this results in poor retention of fibre fines, mineral fillers and printing inks, which is especially detrimental to ink measurement when the pulp suspension contains substantial amounts of printing inks. Hence opaque pads are often prepared on filter paper to achieve high retention. Unfortunately their high opacity prevents measurement of the light scattering coefficient, and thus a constant coefficient must be used for the determination of ink content. The aim of this thesis was to clarify the effects of retention and fine material changes on the light scattering coefficient in ink content measurement. The results showed that the light scattering properties of pulp in the wavelength region used for ink content analysis do not remain constant when the fine material content varies. The grade of the recovered paper, hyperwashing and flotation alter the fine material content and thus affect the light scattering. Printing ink also affects light scattering, but its practical impact is smaller than that of fibre fines and mineral fillers. The light scattering coefficient used for each ink content measurement needs to be representative, otherwise a systematic bias in ink content measurements may result from changes in the nature of the fine material and in its content. It is recommended that the light scattering coefficient should be measured in order to avoid this. The measurement should preferably be performed from a low-grammage sheet prepared on filter paper, as this ensures high retention and a measured value that represents better the initial state of the pulp suspension. / Tiivistelmä Mustepitoisuusmittaus perustuu hajaheijastukseen joko 700 nm tai 950 nm aallonpituudella ja sitä käytetään usein arvioitaessa keräyspaperista valmistetun massasuspension soveltuvuutta painopaperien valmistukseen ja painomusteen vaikutusta massan vaaleuteen. Mustepitoisuuden mittauksessa käytetään valonsirontakerrointa, joka voidaan mitata hieman läpikuultavasta näytteestä eli näytteen opasiteetin on oltava pienempi kuin 97 %. Tämä opasiteettiraja toteutuu useimmiten paperikoneella tehdyille painotuotteille. Riittävän alhainen opasiteetti saavutetaan myös valmistamalla standardin mukainen matalaneliömassainen arkki viiralle, mutta tämä johtaa kuitumaisten hienoaineiden, mineraalisten täyteaineiden ja painomusteiden alhaiseen retentioon. Matala retentio on erityisen haitallinen piirre mustemittauksen kannalta massoilla, jotka sisältävät huomattavia määriä painomusteita. Siten usein valmistetaan läpikuultamattomia arkkeja suodatinpaperin päälle, joiden retentio on korkea. Korkeasta opasiteetista johtuen näistä arkeista ei voida määrittää valonsirontakerrointa, jolloin mustepitoisuuden määritys perustuu vakiokertoimeen. Tämän väitöskirjan tavoitteena oli selvittää retention ja hienoaineiden muutoksien vaikutuksia valonsirontakertoimeen ja mustemittaustulokseen. Tutkimuksen tulokset osoittivat että valonsirontakerroin, joka mitataan mustepitoisuuden yhteydessä, ei pysy vakiona hienoainepitoisuuden muuttuessa. Hienoainepitoisuuteen ja siten valonsirontakertoimeen vaikuttavat keräyspaperin laji, hyperpesu ja vaahdotus. Myös painomuste vaikuttaa valonsirontakertoimeen, mutta käytännössä vaikutuksen suurusluokka on pienempi kuin hieno- ja täyteaineilla. Mustepitoisuuden määrityksessä käytetyn valonsirontakertoimen on oltava edustava, muutoin arvot voivat olla systemaattisesti virheellisiä hienoainemäärän tai laadun muuttuessa. Virheen välttämiseksi olisi suositeltavaa määrittää valonsirontakerroin mustepitoisuusanalyysin yhteydessä. Tämä olisi mahdollista tehdä suodatinpaperin päälle valmistetusta matalaneliömassaisesta arkista, jolloin saavutetaan korkea retentio ja näin mitattu arvo edustaa paremmin massasuspension alkuperäistä tilaa.

Abstract The aim of the deinking process is to produce deinked pulp from recovered papers (RCPs) with sufficient brightness and cleanliness to fulfil the quality requirements set by the paper grade to be produced. Due to the excessive production costs and material losses of modern deinking processes, there is a need to simplify deinking lines. A prerequisite for this action is that ink content bound to fibres, dirt content and ink fragmentation are minimised in the pulping stage. Thus, it is important to recognise the factors affecting ink behaviour in pulping, to search for new ways to improve ink detachment from RCPs in pulping and to search pulping methods that could efficiently process RCPs printed with various inks. The aim of this thesis was to obtain new information on how the environmental conditions that prevail during the storage and transportation of RCPs affect ink behaviour in subsequent pulping and to find out whether there is further potential to decrease ink content bound to fibres, not only by treating recovered papers chemically before the actual pulping process, but also by removing the detached ink particles during the pulping process. The results show that if some RCPs are very moist and exposed to high temperatures for a reasonable time before the pulping process, the problems in releasing ink from the fibres in pulping become more pronounced and the pulp is dirtier compared to pulp from RCPs that are thermally aged but dry. Properly wetting some RCPs with conventional alkaline deinking chemicals in suitable conditions ahead of the pulping process reduces the ink content that remains bound to the fibres after the pulping process. The efficiency of the pre-wetting treatment in aiding ink detachment from fibres in subsequent pulping is highly dependent on the alkalinity, temperature and duration of the treatment. Semi-continuous ink removal during the pulping process offers the possibility to continue defibering, ink detachment from fibres and dirt fragmentation in pulping without fear of ink redeposition into or onto the fibres, thus resulting in fully disintegrated pulp with lower ink content bound to fibres than in conventional pulping. This enables efficiently simultaneous processing of, for example, papers printed with water-based inks and toners. / Tiivistelmä Siistausprosessin tavoitteena on tuottaa keräyspapereista valmistettua vaaleaa ja puhdasta massaa, jota voidaan käyttää uusien paperituotteiden valmistamiseen. Siistausprosesseja pyritään yksinkertaistamaan nykyisten monimutkaisten prosessien korkeiden tuotantokustannusten ja materiaalitappioiden vuoksi. Eräs edellytys siistausprosessien yksinkertaistamiselle on, että kuiduissa kiinni olevan musteen pitoisuus, massan likapitoisuus ja musteen liiallinen pilkkoutuminen minimoidaan siistausprosessin ensimmäisessä vaiheessa, pulpperoinnissa. Täten on tärkeää tunnistaa musteen käyttäytymiseen pulpperoinnissa vaikuttavat tekijät, etsiä uusia mahdollisuuksia parantaa musteen irrotusta keräyspapereista sekä kehittää pulpperointimenetelmiä, joilla voitaisiin prosessoida tehokkaasti eri painomenetelmillä painettuja papereita. Tämän työn tavoitteena oli saada uutta tietoa siitä miten ympäristöolosuhteet, joille keräyspaperit voivat altistua varastoinnin ja kuljetuksen aikana, vaikuttavat musteen käyttäytymiseen pulpperoinnissa. Lisäksi tavoitteena oli selvittää voitaisiinko kuituihin kiinni jääneen musteen pitoisuutta vähentää esiliottamalla keräyspapereita sopivissa kemiallisissa olosuhteissa ennen pulpperointia ja poistamalla irronneet mustepartikkelit massan seasta pulpperoinnin aikana. Tulokset osoittavat, että jos tietyt keräyspaperit ovat erittäin kosteita ja altistuvat korkealle lämpötilalle riittävän pitkän ajan ennen pulpperointia, tulee musteen irrottaminen kuiduista pulpperoinnissa vaikeammaksi ja tuotettu massa likaisemmaksi, kuin sellaisista keräyspapereista, jotka ovat altistuneet kuivina korkealle lämpötilalle. Kuituihin kiinnittyneen musteen pitoisuutta voidaan vähentää esiliottamalla tiettyjä keräyspapereita alkalisilla siistauskemikaaleilla sopivissa olosuhteissa ennen pulpperointia. Esiliotuksen kyky parantaa musteen irrotusta kuiduista pulpperoinnissa riippuu voimakkaasti esiliotusvaiheen alkalisuudesta, lämpötilasta ja kestosta. Kun irronneet mikroskooppiset mustepartikkelit poistetaan massasta useassa vaiheessa pulpperoinnin aikana, voidaan paperin kuidutusta, musteen irrottamista kuiduista ja likapilkkujen hajottamista jatkaa ilman että haitallista musteen takaisin kiinnittymistä kuituihin tapahtuu. Tämä mahdollistaa esimerkiksi vesipohjaisten musteiden ja lasertulosteiden samanaikaisen prosessoinnin.