Filtration of Microcrystalline and Microfibrillated Cellulose: The impact of ions and electric field
Doctoral thesis, 2023
Dewatering plays an essential role in the processing of microcrystalline cellulose (MCC) and microfibrillated cellulose (MFC), as their commercial attractiveness in many applications is limited by the high water content of the products. Filtration is the most common mechanical dewatering technique, but the filtration of these materials results in filter cakes with high filtration resistance. Therefore, the process needs to be modified to make a viable option; this thesis presents two types of such modifications.
In one study, the electrostatic repulsive interactions between MCC particles were altered by the addition of NaCl (0.1-1.0 g/L) during dead-end filtration. The addition of ions resulted in the agglomeration of MCC, which was confirmed by focused beam reflectance measurements, and a reduction in the average as well as local filtration resistance.
Electro-assisted filtration, in which an electric field is applied across part of the filter chamber, was used to dewater two types of MFC: one produced via 2,2,6,6-tetramethylpiperidinyl-1-oxyl (TEMPO)-mediated oxidation of dissolving pulp and one commercially available. Regardless of the MFC type, a clear improvement in the dewatering rate was observed when pressure and electric field were combined. This was also observed with molecular dynamic (MD) simulations, which related it to the electro-osmotic flow of water and the electrophoresis of the negatively charged MFC towards the anode.
Filter cakes with a channelled structure were formed, which may have contributed to the accelerated dewatering rate. This structure was especially pronounced for the TEMPO-oxidised MFC, and it was found that the microfibrils were partially oriented in the direction of the electric field by studying the structures using X-ray scattering and scanning electron microscopy.
After dewatering, a slight reduction in the water retention value and viscoelastic properties of the MFC was observed. This may be attributed to a reduction in the total surface area, plausibly due to aggregation of the microfibrils and/or reshaping of the microfibrils/fibril bundles.
In one study, the electrostatic repulsive interactions between MCC particles were altered by the addition of NaCl (0.1-1.0 g/L) during dead-end filtration. The addition of ions resulted in the agglomeration of MCC, which was confirmed by focused beam reflectance measurements, and a reduction in the average as well as local filtration resistance.
Electro-assisted filtration, in which an electric field is applied across part of the filter chamber, was used to dewater two types of MFC: one produced via 2,2,6,6-tetramethylpiperidinyl-1-oxyl (TEMPO)-mediated oxidation of dissolving pulp and one commercially available. Regardless of the MFC type, a clear improvement in the dewatering rate was observed when pressure and electric field were combined. This was also observed with molecular dynamic (MD) simulations, which related it to the electro-osmotic flow of water and the electrophoresis of the negatively charged MFC towards the anode.
Filter cakes with a channelled structure were formed, which may have contributed to the accelerated dewatering rate. This structure was especially pronounced for the TEMPO-oxidised MFC, and it was found that the microfibrils were partially oriented in the direction of the electric field by studying the structures using X-ray scattering and scanning electron microscopy.
After dewatering, a slight reduction in the water retention value and viscoelastic properties of the MFC was observed. This may be attributed to a reduction in the total surface area, plausibly due to aggregation of the microfibrils and/or reshaping of the microfibrils/fibril bundles.
microfibrillated cellulose
microcrystalline cellulose
ions
filtration
electro-assisted
KE
Opponent: Associate Professor Morten Lykkegaard Christensen, Aalborg University, Denmark
Author
Anna Hjorth
Chalmers, Chemistry and Chemical Engineering, Chemical Technology
Structure of Filter Cakes during the Electroassisted Filtration of Microfibrillated Cellulose
Industrial & Engineering Chemistry Research,;Vol. In Press(2022)
Journal article
Dewatering microcrystalline cellulose: The influence of ionic strength
Separation and Purification Technology,;Vol. 264(2021)
Journal article
Electroassisted Filtration of Microfibrillated Cellulose: Insights Gained from Experimental and Simulation Studies
Industrial & Engineering Chemistry Research,;Vol. 60(2021)p. 17663-17676
Journal article
Hjorth, A., Vøllo Christiansen, A., Øvrebø, H.H, Theliander, H. Electroassisted Filtration of Microfibrillated Cellulose: The Impact of the Degree of Fibrillation
Läkemedel, livsmedel, tillsats för att förstärka förpackningar, batterier, bioplast, solceller…
…detta är enbart några exempel på tillämpningar i vilka isolerade strukturer från cellulosafibern med dimensioner i nano/mikroskala, mikro/nanocellulosa, kan komma att användas. Det är viktigt att vi ser till den breda potential som cellulosafibern besitter och effektivt använder alla dess byggstenar, eftersom cellulosa är en nyckelkomponent vid omställningen till en bio-baserad industri.
För att vi ska landa i en verklighet där ovanstående exempel går från att vara potentiella till reella, spelar fast fas/vätske-separation en betydande roll. Framställningen av dessa mikro/nanomaterial från cellulosa resulterar i utspädda lösningar (ex. 50–100 kg vatten/kg cellulosaprodukt) och därför är det av yttersta vikt för den storskaliga produktionen att vatten effektivt kan avlägsnas. Detta är inte enbart viktigt för att reducera de annars höga lagrings- och transportkostnaderna, utan närvaron av vatten kan dessutom vara icke-önskvärd i slutgiltig tillämpning.
Dessvärre är det inte så lätt att bara ”ta bort” vattnet. Till exempel torkning medför höga kostnader på grund av den stora mängd vatten som ska avlägsnas och kan dessutom leda till senare problem gällande egenskaper hos det torkade materialet. Ur energisynpunkt är därför filtrering att föredra i så stor utsträckning som möjligt. Även filtrering kommer dock med sina utmaningar, såsom bildandet av filterkakor med höga filtreringsmotstånd. Detta skulle innebära ett behov av mycket stora filterareor eller långa filtreringstider, vilket inte är önskvärt och därför måste processen modifieras.
I denna avhandling presenteras studier om ytfiltrering av mikrokristallin samt mikrofibrillär cellulosa, där det förstnämnda har en morfologi som kan liknas mer vid agglomerat av riskorn och det andra mer som spaghetti. Vidare har två sätt att modifiera filtreringsprocessen undersökts: tillsats av joner samt elektroassisterad filtrering, varvid ett elektriskt fält applicerades över delar av filterkammaren. Vid tillsats av joner reduceras partikelns ytladdning och därmed de elektrostatiska repulsiva krafterna mellan partiklarna. Detta resulterade i bildandet av agglomerat och minskat filtreringsmotstånd. När i stället elektroassisterad filtrering tillämpas adderas ytterligare drivkrafter för separationen tack vare de elektrokinetiska fenomen som introduceras och detta medförde en ökad avvattningshastighet. Dessutom upptäcktes en unik filterkakstruktur som skiljer sig från en traditionell.
…detta är enbart några exempel på tillämpningar i vilka isolerade strukturer från cellulosafibern med dimensioner i nano/mikroskala, mikro/nanocellulosa, kan komma att användas. Det är viktigt att vi ser till den breda potential som cellulosafibern besitter och effektivt använder alla dess byggstenar, eftersom cellulosa är en nyckelkomponent vid omställningen till en bio-baserad industri.
För att vi ska landa i en verklighet där ovanstående exempel går från att vara potentiella till reella, spelar fast fas/vätske-separation en betydande roll. Framställningen av dessa mikro/nanomaterial från cellulosa resulterar i utspädda lösningar (ex. 50–100 kg vatten/kg cellulosaprodukt) och därför är det av yttersta vikt för den storskaliga produktionen att vatten effektivt kan avlägsnas. Detta är inte enbart viktigt för att reducera de annars höga lagrings- och transportkostnaderna, utan närvaron av vatten kan dessutom vara icke-önskvärd i slutgiltig tillämpning.
Dessvärre är det inte så lätt att bara ”ta bort” vattnet. Till exempel torkning medför höga kostnader på grund av den stora mängd vatten som ska avlägsnas och kan dessutom leda till senare problem gällande egenskaper hos det torkade materialet. Ur energisynpunkt är därför filtrering att föredra i så stor utsträckning som möjligt. Även filtrering kommer dock med sina utmaningar, såsom bildandet av filterkakor med höga filtreringsmotstånd. Detta skulle innebära ett behov av mycket stora filterareor eller långa filtreringstider, vilket inte är önskvärt och därför måste processen modifieras.
I denna avhandling presenteras studier om ytfiltrering av mikrokristallin samt mikrofibrillär cellulosa, där det förstnämnda har en morfologi som kan liknas mer vid agglomerat av riskorn och det andra mer som spaghetti. Vidare har två sätt att modifiera filtreringsprocessen undersökts: tillsats av joner samt elektroassisterad filtrering, varvid ett elektriskt fält applicerades över delar av filterkammaren. Vid tillsats av joner reduceras partikelns ytladdning och därmed de elektrostatiska repulsiva krafterna mellan partiklarna. Detta resulterade i bildandet av agglomerat och minskat filtreringsmotstånd. När i stället elektroassisterad filtrering tillämpas adderas ytterligare drivkrafter för separationen tack vare de elektrokinetiska fenomen som introduceras och detta medförde en ökad avvattningshastighet. Dessutom upptäcktes en unik filterkakstruktur som skiljer sig från en traditionell.
Subject Categories
Chemical Engineering
ISBN
978-91-7905-900-2
Doktorsavhandlingar vid Chalmers tekniska högskola. Ny serie: 5366
Publisher
Chalmers