Itse saostuma ja sen juurisyy eivät välttämättä sijaitse prosessissa samassa kohtaa. Juurisyyn selvittäminen vaatii ammattitaitoa, mutta BIMin asiantuntijuudella ja kemialla lähes jokainen saostuma on estettävissä.
Saostumat ja kertymät ovat tunnettu ja merkittävä ongelma niin sellu-, kartonki- kuin paperiteollisuudessa. Paperinvalmistusprosessissa saostumien muodostumista pidetään jopa yhtenä tärkeimmistä tuotantoa häiritsevistä tekijöistä.
Perinteisesti saostumat luokitellaan koostumuksensa perusteella orgaanisiin ja epäorgaanisiin saostumiin. Saostumat ovat harvoin puhtaasti epäorgaanisia tai orgaanisia, vaan usein ne koostuvat molemmista ja lisäksi niihin voi liittyä mikrobikasvustoa, joka liman tai rihmanmuodostuksen kautta entisestään kasvattaa saostumaa.
Kertymien ja saostumien syntymekanismit poikkeavat toisistaan. Kertymän saavat aikaan vedessä olevat ainesosat, jotka eivät alun perinkään ole olleet liukoisessa muodossa. Esimerkiksi paperitehtailla täyteaineena tai päällysteaineena käytetty kalsiumkarbonaatti tai kaoliini voi synnyttää kertymiä. Sellutehtailla epäorgaaniset saostumat (esim. kalsiumkarbonaatti) ovat yleensä saostuneet liukoisista ioneista.
Saostuma syntyy, kun ionien konsentraatio ylittää niiden liukoisuuden vallitsevissa olosuhteissa. Liukoisuustulo, eli liukoisuus veteen osoittaa, minkä verran ainetta liukenee tiettyyn määrään vettä. Liukoisuuteen vaikuttavat lämpötila ja pH, joten muutos joko näissä suureissa tai ionien määrässä, voi aiheuttaa saostuman synnyn.
Tyypillisimmät epäorgaaniset saostumat ovat erilaisten kationien, kuten kalsiumin (Ca), bariumin (Ba) kanssa reagoineita anioneja, kuten karbonaatteja, sulfaatteja, sulfiitteja ja oksalaatteja. Myös oksidit ja hydroksidit ovat mahdollisia.
Saostumat peräisin puusta, apu- tai lisäaineista
Saostuvat kationit ja joskus myös anionit ovat yleensä peräisin puusta. Puun epäorgaanisen aineksen määrää mitataan tuhkapitoisuutena, joka vaihtelee 0,3–1,5 % kuiva-aineesta. Kuoressa epäorgaanisen aineksen osuus kuiva aineesta on jopa 5 %. Puun sisältämät epäorgaaniset yhdisteet ovat peräisin maaperästä. Kasvuolosuhteet vaikuttavat suuresti epäorgaanisten aineiden pitoisuuteen, joten puulajin sisäinen vaihtelu on suurta. Lehtipuissa epäorgaanisten yhdisteiden osuus on havupuita suurempi.
Puun lisäksi saostuvia ioneja voi liueta prosessissa käytettävistä apu- ja lisäaineista. Esimerkiksi pH:n säätämiseen tarkoitettu rikkihappo ja aluna ovat tyypillisimmät sulfaattisaostuman aiheuttajat niiden annostelukohtien lähellä. Samoin runsas hapettavan valkaisukemikaalin ylijäämä tai hapettavan mikrobientorjunnan shokkiannostelun vaikutus voi olla syy saostuman syntymiselle.
Vaikka saostumat ovat yleinen ongelma sekä sellutehtailla että paperi- ja kartonkitehtailla, niiden koostumus usein eroaa toisistaan. Sellutehtailla tyypillisiä ovat puusta peräisin olevat metalli-ionit ja anionien suolat. Myös pihkan aiheuttamien ongelmien torjunnassa käytettävä talkki on merkittävä löydös. Paperi- ja kartonkitehtailla korostuvat muut kuin puuperäiset ionit. Tyypillisimmin paperi- tai kartonkitehtaalla ongelmia aiheuttaa liuenneen kalsiumin epäorgaanisten suolojen saostuminen.
Koska lämpötilalla on merkittävä vaikutus saostumisen syntyyn, voivat prosessissa olevat kuumat tai joissain tapauksissa myös kylmät kohdat saada aikaan saostuman muodostumisen. Tyypillisiä prosessin kuumia kohtia ovat haihduttamot ja lämmönvaihtimet. Saostumille alttiita kohtia ovat myös prosessinkohdat, joissa paine tai virtausnopeus muuttuvat.
Saostumien synnyn kannalta kenties haastavin prosessikohta on haihduttamo. Veden höyrystyminen on tislauksen kaltainen tapahtuma, jonka aikana liuoksen suolat väkevöityvät ja konsentraatio kasvaa. Pinnoille kertyessään saostumat heikentävät virtauksia ja lämmönvaihtoa. Pahimmassa tapauksessa haihduttamon saostumien pesun ajaksi voidaan joutua pysäyttämään koko tuotanto.
Paperitehtaalla tyypillinen, saostumille altis prosessinkohta on rainanmuodostusosa. Kertymiä syntyy pinnoille, säiliöihin ja putkistoihin sekä toisinaan myös viiroihin ja huopiin.
Juurisyy voi löytyä toisaalta
Erilaisten olosuhteiden vuoksi eri puolille selluprosessia voi syntyä juuri kyseiseen kohtaan tyypillisiä saostumia. Erilaisia saostumatyyppejä voi yhdellä tehtaalla usein olla jopa 3–4 erilaista. Usein epäorgaanisen saostuman rakenne on levymäinen ja selvästi kerrostunut. Tämä voi johtua siitä, että olosuhteiden muuttuessa saostumaa syntyy hetkellisesti ja lyhytaikaisesti, kun taas välillä kuluu pitkiäkin aikoja, jolloin saostumaa ei synny lisää.
Vaikka saostuma syntyy tiettyyn kohtaan prosessia, sen juurisyy voi olla toisaalla. Saostuman syyn selvittäminen edellyttää perinpohjaista tutkimista, jotta sen synnylle altistavat prosessintekijät saadaan selvitettyä. Jos näin ei tehdä, riskinä on, että toimenpiteet kohdistetaan väärin.
Saostumat aiheuttavat merkittäviä kustannuksia tuotteen laadun heikentyessä, katkoaikoina ja korjauskuluina. Kun saostumisongelmaa halutaan vähentää tai poistaa se kokonaan, on ensin tutkittava saostuman koostumus. Optimaalinen näyte on noin 50 ml:n purkillinen mutta pienempääkin näytettä on mahdollista analysoida. Analysoitavan lopputuotteen (selluarkki, paperi, kartonki) likapilkkunäytteen minimikoko on noin yksi millimetri ja näytteitä tarvitaan mielellään useita. Jos näytteiden määrä on pieni, myös analyysien määrä on rajattu.
Yleensä BIMin asiantuntijat ottavat näytteet itse mutta myös asiakkaiden ottamia näytteitä tutkitaan toisinaan. Valokuvaus on tärkeä osa näytteenottoa mutta lisäksi prosessista on hyvä selvittää virtaamat, lämpötila, pH, kemikaalilisäykset sekä saostuvien ionien pitoisuudet sekä ennen että jälkeen saostumakohdan.
Koostumus selville moniportaisessa analyysissä
Tutkimuksen aluksi selvitetään, onko näyte tasalaatuinen vai koostuuko se useista eri komponenteista. Usein näytteestä löytyy 2–3 erityyppistä likapilkkua, jotka kaikki analysoidaan erikseen. Mikroskopoimalla selvitetään näytteen tarkempi ulkonäkö ja koostumus sekä pinnalta että näytteen sisältä. Purkkinäytteiden analysointi jatkuu mikrobiologisella selvityksellä sekä värjäystestein. Värjäämällä ja tarkastelemalla näytettä UV-valossa voidaan esimerkiksi selvittää se, onko näytteessä mikrobikasvustoa.
Analysointia jatketaan liuotuskokeilla. Näytteen liukenevuutta testataan orgaanisiin liuottimiin, veteen, happoon ja emäkseen. Kiinnostava komponentti kuivataan lämpökaapissa ja tuhkataan. Mikäli aineen koostumus ei tämän jälkeen vielä selviä mikroskopoimalla, voidaan näytettä tutkia IR-spektroskoopilla tai elektronimikroskoopilla. Elektronimikroskoopilla aineen koostumus kyetään selvittämään alkuainetasolle asti.
Syntynyt saostuma pestään pois pesuaineella. BIMin kemialla myös vaikealiukoisimmat saostumat, kuten bariumsulfaatti, kalsiumoksalaatti ja kalsiumkarbonaatti saadaan pestyä.
Kun saostuma on saatu tehokkaasti poistettua, voidaan ryhtyä selvittämään, miten saostuman uudelleen syntyminen olisi ehkäistävissä. Prosessin kokonaistarkastelussa pyritään löytämään syyt, jotka johtavat saostumien syntyyn. Mikäli mahdollista, muutetaan prosessiolosuhteita paikallisesti niin, ettei saostumaa enää synny. Jos saostuman aiheuttaa jokin prosessiin lisättävä aine, kyseeseen voi tulla annostelutavan tai itse aineen vaihtaminen.
Saostuman synty lähes aina estettävissä
Saostuman syntyminen voidaan lähes aina estää, tai ainakin syntymistä hidastaa, käyttämällä sopivaa saostumanestoainetta. Saostumanestoaineet koostuvat yleensä erilaisista raaka-aineista, joita ovat esimerkiksi kelatointiaineet, anioniset polymeerit ja erilaiset fosfonaatit, tai edellä mainittujen yhdistelmät.
Aineilla voidaan vaikuttaa saostuman syntyyn eri tavoin. Kelatointiaineella estetään kationin toiminta kelatoimalla se. Samankaltainen vaikutusmekanismi on fosfonaateilla ja anionisilla polymeereillä. Osalla aineista vaikutus perustuu kiteen muodostumisen häirintään. Syntyvät kiteet ovat pieniä, hauraita ja epämuodostuneita ja näin ollen helpommin poispestävissä. Anionisilla polymeereillä ja muilla dispergointiaineilla saadaan syntyneet kiteet pysymään erossa toisistaan ja veteen dispergoituneina, jolloin saostumaa ei muodostu.
Saostumanestoaineen valintaan vaikuttavat syntyvän kiteen ionien pitoisuudet, vallitseva lämpötila ja pH. Myös käytettävän saostumanestoaineen oma pitoisuus on merkittävä tekijä, kun halutaan estää saostuman synty. Erilaisilla laboratoriotesteillä voidaan ennustaa melko tarkasti, minkä verran saostumanestoainetta vallitsevissa olosuhteissa tarvitaan saostumisen estämiseen. Samalla voidaan verrata erilaisten saostumanestoaineiden keskinäistä tehokkuutta. Myös prosessiolosuhteiden vaihtelun tunnistaminen ja ymmärtäminen helpottaa saostumaneston toimivuuden varmistamista. BIMillä on käytössään laaja valikoima erilaisia saostumien pesu- ja estoaineita, sekä kaksi erilaista on-line mittaria, joilla syntyvän saostuman määrää voidaan mitata ja tarvittaessa muuttaa tai säätää annosteluja olosuhteiden muuttuessa.