Oxidation of Kraft Pulp Fibres - Hydrogen Peroxide Oxidation under Acidic Conditions and its Influence on the Properties of Pulp
Doctoral thesis, 2022
An increase in the use of bio-based products, combined with a decrease in the use of fossil-based products, is important for fulfilling the demands of a growing population in a sustainable manner. Moreover, reducing the usage of single-use plastics is vital in combating the plastic pollution that is afflicting our environment. A partial solution to these problems is to replace plastic products with products based on cellulose fibres. Their hydrophilic nature, however, makes utilization of fibre-based materials difficult under wet or moist conditions: the hydrogen bonds that contribute to the majority of the material’s strength are broken in wet conditions. The wet strength can be increased through the addition of wet strength agents or mechanical treatments or, alternatively, the carbohydrate fraction of the fibres may be modified to improve their wet strength. One such modification is to introduce carbonyl groups in the carbohydrate fraction through oxidation, which would improve the wet strength by forming inter-fibre hemiacetal bonds. Methods often used on a laboratory scale to introduce carbonyl groups in the carbohydrate structure may, however, have economical or environmental drawbacks. In a kraft pulp mill producing bleached pulps, oxidative chemistry is typically utilized in the bleaching step in which the processes are optimized to remove residual lignin and chromophoric groups. Optimizing the oxidation operation to introduce carbonyl groups to the carbohydrate structure has the potential of producing a kraft pulp with inherent wet strength using the existing infrastructure of the mill, e.g., in the final bleaching step.
The main aim of this work was to investigate the feasibility of using a common bleaching agent, namely hydrogen peroxide, to introduce carbonyl groups into the carbohydrate fraction of kraft pulp. It was found that oxidations carried out under mildly acidic conditions (pH 4, 85 °C) could increase the carbonyl content by a factor of about 4 at a residence time of 90 minutes. Also, the content of transition metal ions in the liquid phase requires to be controlled, which is important in industrial applications where the liquid fraction is recirculated. Oxidation was found to be successful in increasing the wet-web tensile strength (+ 6-23%) and wet tensile strength (+ 134-242%), with a slight reduction (– 4-11%) occurring in the dry tensile strength.
Keywords: Hydrogen peroxide, kraft pulp, oxidation, wet strength, carbonyl groups
The main aim of this work was to investigate the feasibility of using a common bleaching agent, namely hydrogen peroxide, to introduce carbonyl groups into the carbohydrate fraction of kraft pulp. It was found that oxidations carried out under mildly acidic conditions (pH 4, 85 °C) could increase the carbonyl content by a factor of about 4 at a residence time of 90 minutes. Also, the content of transition metal ions in the liquid phase requires to be controlled, which is important in industrial applications where the liquid fraction is recirculated. Oxidation was found to be successful in increasing the wet-web tensile strength (+ 6-23%) and wet tensile strength (+ 134-242%), with a slight reduction (– 4-11%) occurring in the dry tensile strength.
Keywords: Hydrogen peroxide, kraft pulp, oxidation, wet strength, carbonyl groups
KE
Opponent: Christine Chirat, Grenoble Institute of Technology | Grenoble INP, France
Author
Axel Martinsson
Chalmers, Chemistry and Chemical Engineering, Chemical Technology
The influence of transition metal ions on the oxidation of kraft pulp using hydrogen peroxide under mildly acidic conditions
Holzforschung,;Vol. In Press(2023)
Journal article
Physical properties of kraft pulp oxidized by hydrogen peroxide under mildly acidic conditions
Nordic Pulp and Paper Research Journal,;Vol. In Press(2022)
Journal article
Hardwood kraft pulp fibre oxidation using acidic hydrogen peroxide
Nordic Pulp and Paper Research Journal,;Vol. 36(2021)p. 166-176
Journal article
Modification of softwood kraft pulp fibres using hydrogen peroxide at acidic conditions
Cellulose,;Vol. 27(2020)p. 7191-7202
Journal article
Efterfrågan av biobaserade, klimatsmarta produkter fortsätter att öka och med dessa ser vi ett fortsatt ökat behov av massafibrer, främst på grund av en ökad efterfrågan av förpackningsmaterial, mjukpapper och textilmassa för framställning av viskos. Strävan efter att ersätta fossilbaserade material, såsom plast, med fiberbaserade material har också lett till behov av nya massakvaliteter med specifika egenskaper. Nyligen kom ett förbud inom Europeiska unionen mot försäljning av engångsartiklar från plast, vilket får tillverkare att vända sig till alternativ baserade på biomaterial, exempelvis massafibrer.
En egenskap hos massafibrer som är speciellt viktig i applikationer såsom vissa typer av mjukpapper och förpackningar är våtstyrkan. Det vill säga den styrka som bibehålls efter vätning av fibermaterialet. Våtstyrkan kan vara av temporär eller permanent karaktär beroende på applikationens natur. Denna egenskap förändras ofta genom tillsatser av specifika våtstyrkemedel som leder till en ökad våtstyrka. Utan dessa medel skulle nästan all styrka försvinna vid vätning av ett material av massafibrer då de krafter som håller samman fibernätverket till stor del bryts vid vätning. Tyvärr är produktionen av vissa våtstyrkemedel kopplade till vissa miljöproblem, varför miljövänligare alternativ skulle vara önskvärda.
Ett alternativ till tillsats av dessa våtstyrkemedel är att modifiera strukturen hos de kolhydrater som massafibrer består av. Genom oxidation av kolhydratstrukturen kan så kallade karbonylgrupper bildas vilka kan bidra till att tvärbindningar (hemiacetalbindningar) bildas mellan massafibrerna, vilket resulterar i en ökad våtstyrka. På detta sätt skulle man potentiellt, helt eller delvis, kunna eliminera användandet av våtstyrkemedel i vissa applikationer. I detta arbete har det undersökts huruvida en vanlig blekkemikalie, väteperoxid, skulle kunna användas för att introducera karbonylgrupper, i blekt kraftmassa. Vid blekning av kraftmassa används alkaliska förhållanden. I detta arbete har det visats att om sura förhållanden används bildas karbonylgrupper i blekt kraftmassa. Vidare när pappersark producerats med denna massa visade det sig att våtstyrkan kunde ökas med upp till 242%. Det har även visat sig att de nödvändiga processförhållandena är likartade de som finns i existerande blekningsprocesser i massaindustrin, vilket innebär att den existerande processinfrastrukturen kan användas för att producera fibrer med nya egenskaper.
En egenskap hos massafibrer som är speciellt viktig i applikationer såsom vissa typer av mjukpapper och förpackningar är våtstyrkan. Det vill säga den styrka som bibehålls efter vätning av fibermaterialet. Våtstyrkan kan vara av temporär eller permanent karaktär beroende på applikationens natur. Denna egenskap förändras ofta genom tillsatser av specifika våtstyrkemedel som leder till en ökad våtstyrka. Utan dessa medel skulle nästan all styrka försvinna vid vätning av ett material av massafibrer då de krafter som håller samman fibernätverket till stor del bryts vid vätning. Tyvärr är produktionen av vissa våtstyrkemedel kopplade till vissa miljöproblem, varför miljövänligare alternativ skulle vara önskvärda.
Ett alternativ till tillsats av dessa våtstyrkemedel är att modifiera strukturen hos de kolhydrater som massafibrer består av. Genom oxidation av kolhydratstrukturen kan så kallade karbonylgrupper bildas vilka kan bidra till att tvärbindningar (hemiacetalbindningar) bildas mellan massafibrerna, vilket resulterar i en ökad våtstyrka. På detta sätt skulle man potentiellt, helt eller delvis, kunna eliminera användandet av våtstyrkemedel i vissa applikationer. I detta arbete har det undersökts huruvida en vanlig blekkemikalie, väteperoxid, skulle kunna användas för att introducera karbonylgrupper, i blekt kraftmassa. Vid blekning av kraftmassa används alkaliska förhållanden. I detta arbete har det visats att om sura förhållanden används bildas karbonylgrupper i blekt kraftmassa. Vidare när pappersark producerats med denna massa visade det sig att våtstyrkan kunde ökas med upp till 242%. Det har även visat sig att de nödvändiga processförhållandena är likartade de som finns i existerande blekningsprocesser i massaindustrin, vilket innebär att den existerande processinfrastrukturen kan användas för att producera fibrer med nya egenskaper.
AvanCell - Creating novel pulp fibre
Södra (2016-12-02), 2017-01-01 -- 2020-12-31.
Driving Forces
Sustainable development
Subject Categories
Paper, Pulp and Fiber Technology
Chemical Process Engineering
Areas of Advance
Materials Science
ISBN
978-91-7905-633-9
Doktorsavhandlingar vid Chalmers tekniska högskola. Ny serie: 5099
Publisher
Chalmers