Ligniinin käyttö pölynsidonnassa : kalvojen muodostaminen pölynsidontaliuoksista ja liuosten soveltuvuus sora-aineksen partikkelien sidontaan

Abstract

Opinnäytetyön tavoitteena oli selvittää ligniinin soveltuvuutta pölynsidontaan. Työn toimeksiantajana oli HAMK Bio -tutkimusyksikkö. Tutkimuksessa käytettiin havupuiden kraft-selluprosessista sivuvirtana muodostunutta BioPiva-ligniiniä, joka oli Valmetin kehittämän LignoBoost-menetelmän mukaan puhdistettua. BioPiva-ligniini oli jatkokäsitelty LignoSphere Companyn kehittämän menetelmän avulla muodostaa ligniinistä pallomaisia 200–500 nanometrin kokoisia ligniininanohiukkasia.

Työn alussa toteutettiin kirjallisuuskatsaus, jossa käsiteltiin muutamia aiheesta tehtyjä tutkimuksia, pölynsidontaa, ligniiniä, LignoSphere-ligniininanohiukkasia sekä glyseroli-diglysidyylieetteri-epoksiyhdistettä ja sen ominaisuutta muodostaa monikestäviä pinnoitteita. Kokeellisessa osuudessa toteutettiin kalvonmuodostusta sekä pölynsidontakokeita. Kalvonmuodostuksessa valmistettiin pölynsidontaliuoksia, jotka kuivatettiin kalvoiksi ja niiden ominaisuuksia tutkittiin. Pölynsidontaliuokset sisälsivät ligniinipalloja, vettä, glyseroli-diglysidyylieetteri-epoksiyhdistettä sekä kahta reagenssia, jotka ovat työssä anonymisoituja patenttihakemusprosessin vuoksi. Kalvonmuodostuksessa pölynsidontaliuoksien sekä niistä kuivatettujen kalvojen ominaisuuksia tutkittiin ja tulosten perusteella valittiin liuokset, joita käytettiin pölynsidontakokeissa. Pölynsidontakokeet toteutettiin ravistelukokeilla sekä manuaalisesti analyysiseuloilla ja näytteitä tutkittiin myös vesitestauksessa.

Kalvonmuodostuksessa todettiin, että molemmat anonymisoidut reagenssit soveltuivat kokeisiin hyvin ja glyseroli-diglysidyylieetteri-epoksiyhdiste liuoksissa mahdollisti kalvoille kestävämmän rakenteen. Pölynsidontakokeissa todettiin ravistelukokeiden osalta, että pölynsidontaliuokset sitoivat pölyä hyvin verrattuna käsittelemättömään näytteeseen. Ravistelukokeiden aistinvaraisen arvioinnin tulokset olivat samankaltaisia seulontakokeiden tuloksiin verrattuna. Seulontakokeiden tuloksista todettiin, että pölynsidontaliuoksilla käsitellyt soranäytteet sitoivat alle 500 µm kokoista hienojakeista ainesta sekä alle 125 µm kokoisia hienojakoisia hiukkasia hyvin. Työn tuloksia hyödynnetään HAMK Bio -tutkimusyksikön ligniinihankkeissa.

Ligniinipallot voisivat soveltua tulosten perusteella pölynsidontaan, mutta asia tarvitsee vielä tarkempia jatkotutkimuksia. Tarkempien jatkotutkimusten osalta voisi suorittaa ominaisuudet täyttävillä näytteillä toistoja, sekä valmistettavia näytteitä voisi tutkia tarkemmilla analyysilaitteilla. Kalvonmuodostuksen osalta näytteitä voisi tutkita esimerkiksi vetokoelaitteella tai pinnan kovuuden testauslaitteella. Pölynsidonnan osalta näytteitä voisi tutkia esimerkiksi seulonta-analysaattorilla tai olosuhdetestauksella sääkaapissa, eri sääolosuhteissa.

The aim of the thesis was to investigate the suitability of lignin for dust-binding. The commissioner of the thesis was HAMK Bio Research unit. This study utilized softwood lignin, i.e., BioPiva lignin, derived as a side stream from the kraft pulp process, using technology developed by Valmet. This lignin was further processed using the method developed by LignoSphere, to form spherical 200–500 nm nanoparticles from it.

The theory part of the thesis consisted of a literature review collecting information on the topic, dust-binding, lignin, LignoSphere lignin nanoparticles as well as glycerol diglycidyl ether epoxy compound and its properties forms durable coating from it. The experimental part involved film formation and dust-binding tests. During the film formation process, dust-binding solutions were prepared and dried into films, which were then evaluated through sensory tests. Dust-binding solutions included LignoSphere lignin nanoparticles, water, glycerol diglycidyl ether epoxy compound and two anonymous reagents which are anonymous in this thesis due to the patent application process. In the film formation process, dust-binding solutions and the properties of their dried films were investigated. Based on these results, the solutions selected were used in the dust-binding tests. For the dust-binding, a shaking and manual particle sieving tests were conducted, using gravel and dust-binding solution. Additionally, water testing was conducted on the samples to determine solid matter detached from the gravel-treated specimens dissolving in water.

The results of the film formation indicated that both anonymous reagents performed well in the tests, and the glycerol diglycidyl ether epoxy compound enabled a durable structure. The dust-binding tests showed that the dust-binding solutions bound to dust were noticeably better than the untreated samples. Sensory evaluation results from the shaking tests were consistent with the manual particle sieving tests results and the samples treated with the dust-binding solutions effectively bound the fine material under 500 µm as well as the fine particles of less than 125 µm. The results of this work will be utilized in other lignin projects at HAMK Bio Research unit.

In conclusion, LignoSphere lignin could be suitable for dust-binding, but further research is needed. In future, follow-up examinations could be conducted using new samples and carry out analyses using more analytical equipment whereas for film formation, samples could be analyzed using, for example, a tensile testing device or a surface hardness tester. Regarding dust-binding, the samples could be analyzed in environmental testing in weather cabinet under different weather conditions or using a sieve analyzer for example.