Cellulose nanofibrils (CNF) is a renewable material with unique strength properties. A difficulty in CNF production is that CNF suspensions contain large amounts of water. If CNF suspension volume can be decreased by dewatering facilitated by centrifugation, then transportation costs and storage costs can be reduced. The aim of this thesis is to investigate the impact various parameters have on CNF centrifugation dewatering and identify optimal conditions for maximal water removal. A laboratory study was conducted using four materials; 2.0 w% enzymatically treated CNF (CNF1), 1.9 w% carboxymethylated CNF (CNF2) and two commercial samples (1.9 w% CNFA and 1.8 w% CNFB). The main method was analytical centrifugation up to 2330 g. Parameters tested were initial concentration before centrifugation, temperature, NaCl addition, pH, and applied solid compressive pressure (g-force and surface weight). In addition to centrifugation experiments the four materials were characterized with laser diffraction, UV-vis absorption, Dynamic light scattering, and dry weight measurements. Analysis of the experimental data collected show that increase in initial concentration give a higher final concentration, but less water is removed. Furthermore, temperature changes have no effect on separation of CNF and water. At an applied solid compressive pressure of 3 kPa and initial concentration at 1.5 w% the concentrations 5.5 w%, 1.5 w%, 4.0 w%, and 4.3 w% can be reach for CNF1, CNF2, CNFA, and CNFB respectively. After extrapolation of polynomial functions fitted to experimental data an applied solid compressive pressure of 22 kPa and initial concentration at 1:5 w%, the concentrations 9.1 w%, 1.5 w%, 6.9 w%, and 7.9 w% are predicted for CNF1, CNF2, CNFA, and CNFB respectively. The thickening of CNF suspensions achieved and predicted in this thesis implies possibilities for large amounts of water removal, e.g. the water content in a CNF1 suspension is reduced from 65.7 litres/kg CNF to 10.0 litres/kg CNF at the solid compressive pressure 22 kPa. The concentrations at 22 kPa are determined by extrapolation from experimental data <3 kPa solid compressive pressure. The carboxymethylated CNF2 can not be dewatered unless it is diluted or if salt or pH is adjusted. This is directly correlated to the electrostatic forces in the suspension and the Debye length. Addition of salt or lowered pH also eliminate any concentration gradients in diluted and centrifuged CNF2 suspensions. / Cellulosa nanofibriller (CNF) är ett förnybart material med unika styrkeegenskaper. En svårighet med produktion av CNF är att CNF suspensioner innehåller stora mängder vatten. Om volymerna av CNF suspensioner kan minskas med avvattning genom centrifugering, då kan transport- och lagerkostnader sänkas. Målet med det här examensarbetet är att undersöka vilken inverkan olika parametrar har på CNF-avvattning genom centrifugering och identifiera optimala förhållanden för maximalt avlägsnande av vatten. En laboratoriestudie utfördes på fyra olika material. De fyra materialen är 2 w% enzymatiskt behandlad CNF (CNF1), 1.9 w% karboxymetylerad CNF (CNF2) och två kommersiella prover (1.9 w% CNFA och 1.8 w% CNFB). Den huvudsakliga metoden var analytisk centrifugering upp till maximalt 2330 g. De testade parametrarna var initial koncentration innan centrifugering, temperatur, NaCl tillsats, pH, och applicerat fast kompressionstryck (g-kraft och ytvikt). Förutom centrifugeringsexperimenten så karaktäriserades the fyra mmaterialen med laser diffraktion, UV-vis absorption, dynamisk ljusspridning och vägningar av torrhalt. Analys av den experimentella data som insamlats visar att en ökad initial koncentration ger en högre slutkoncnentration, men mindre vatten kan bortföras. Temperaturförändringar har ingen effekt på separation av CNF och vatten. Vid ett applicerat fast kompressibelt tryck på 3 kPa och en initial koncentration 1.5 w% kan koncentrationerna 5.5 w%, 1.5 w%, 4.0 w%, och 4.3 w% nås för CNF1, CNF2, CNFA, och CNFB. Efter extrapolering av polynoma funktioner passad till experimentell data förutspås att koncentrationerna 9.1 w%, 1.5 w%, 6.9 w%, och 7.9 w% kan nås för CNF1, CNF2, CNFA, and CNFB vid 22 kPa och en initial koncentration på 1.5 w%. Förtjockningen av CNF suspensioner som kan, eller förutspås kunna nås genom centrifugering i det här examensarbetet innebär att det är möjligt att avlägsna stora mängder vatten, till exempel kan vatteninnehållet i CNF1 minskas från 65.7 liter/kg CNF till 10.0 liter/kg CNF vid 22 kPa fast kompressionstryck. Koncentrationerna vid 22 kPa fast kompressionstryck är extrapolerade från exprimentell data <3 kPa fast kompressionstryck. Den karboy- metylerade CNF2 kan inte avvattnas om den inte späds ut eller om salt eller pH justeras. Detta är direkt kopplat till de elektrostatiska krafterna i suspensionen och Debye längden. Tillsats av salt eller sänkt pH eliminerar också de koncentrationsgradienter som kan förekomma i utspädda centrifugerade CNF2 suspensioner.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:UPSALLA1/oai:DiVA.org:kth-215079 |
| Date | January 2017 |
| Creators | Astorsdotter, Jennifer |
| Publisher | KTH, Skolan för kemivetenskap (CHE) |
| Source Sets | DiVA Archive at Upsalla University |
| Language | English |
| Detected Language | Swedish |
| Type | Student thesis, info:eu-repo/semantics/bachelorThesis, text |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
Page generated in 0.0029 seconds