Precipitation of Kraft Lignin from Aqueous Solutions
Doktorsavhandling, 2019

One way of improving the materials yield of a kraft paper pulp process, and simultaneously providing the industry with aromatic macromolecular structures, is to extract lignin from the black liquor. This can be done by lowering the pH of the black liquor, which will result in the precipitation of the lignin. The suspension of particles is then filtered and washed to retrieve a purified lignin in solid form. For these operations to be conducted efficiently, the solubility of kraft lignin and the course of the particle formation process needs to be understood. This thesis investigates experimentally the particle formation process on the micron-scale. Furthermore, a model describing kraft lignin particle-particle interactions on the nano-scale has been developed.

During acid-induced precipitation in model systems, the particle formation process was studied as a function of relevant process parameters such as pH, salt concentration level, temperature, presence of xylan and anionic specificity. The precipitation experiments were carried out in a precipitation vessel, where the (particle-size related) chord length distribution, in the range 1-1000 µm, was measured in situ as the kraft lignin particles were formed. The technique used (FBRM®) enabled the precipitation to be monitored as the pH was lowed. This allowed the particle concentration of various size classes to be analysed as a function of the precipitation conditions in a range relevant to industrial use.

The onset of particle formation (≥ 1 µm) was found to depend on the process conditions. Moreover, beyond the onset condition, the sizes of the particles increased as the pH decreased or the salt concentration increased; the total volume of the particles formed (≥ 1 µm) followed the same trend. The results indicate that electrostatics influence the particle formation significantly due to the ionisable phenolic and carboxylic groups on kraft lignin, in a wide range of conditions: 1-4 mol Na+/kg water and pH 13-4. The temperature dependency was also significant (45-77 °C): the particles were largest at 77 °C whilst at 45 °C, the system even underwent gelation at some conditions (pH 9, 1 M Na+). Additionally, the presence of xylan during co-precipitation with kraft lignin (5 g / 95 g lignin) retarded the build-up of agglomerates, with a larger effect being observed at 77 °C than at 65 °C. The xylan was found to be distributed evenly in the precipitated lignin.

Numerical predictions of the dispersion stability of kraft lignin nanoparticles (10-1000 nm) were made using a modified Poisson-Boltzmann model within the DLVO framework. For NaCl solutions, the predictions agreed reasonably well with the onsets of particle formation (> 1 µm) found experimentally. They were, however, less accurate for sodium sulphate based aqueous solutions, although they predicted the same anionic relative salting-out ability observed in the experiments (i.e. Cl > Sulphate) at high salt concentrations (2-4 M Na+).

modified Poisson-Boltzmann model

particle size distribution

pair interactions

kraft lignin

acid precipitation

in situ measurements

KB-salen, Kemigården 4
Opponent: Prof. Orlando Rojas, Aalto University, Finland

Författare

Tor Sewring

Chalmers, Kemi och kemiteknik, Kemiteknik, Skogsindustriell kemiteknik

Sewring, Tor; Theliander, Hans Acid precipitation of kraft lignin from aqueous solutions: The influence of anionic specificity and salt concentration level

Acid Precipitation of Kraft Lignin from Aqueous Solutions: The Influence of pH, Temperature, and Xylan

Journal of Wood Chemistry and Technology,; (2019)

Artikel i vetenskaplig tidskrift

A STUDY OF KRAFT LIGNIN ACID PRECIPITATION IN AQUEOUS SOLUTIONS USING FOCUSED BEAM REFLECTANCE MEASUREMENT (FBRM (R))

J-FOR-JOURNAL OF SCIENCE & TECHNOLOGY FOR FOREST PRODUCTS AND PROCESSES,; Vol. 6(2018)p. 46-53

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Pappersmassaindustrins traditionella produkt är cellulosabaserade fibrer för tillverkning av papper, tidningspapper och kartong. Industrin har dock potential att spela en väsentlig roll i omställningen från ett fossilbaserat till ett biobaserat samhälle. Den nuvarande industriella infrastrukturen kan vidareutvecklas för att kunna kombinera produktion av cellulosafibrer med uttag av andra produkter från veden, i ett kombinerat massatillverknings- och bioraffinaderikoncept. Ligninet, som utgör 15-30% av veden, har en kemisk struktur bestående av aromatiska molekylära byggblock som skulle kunna fungera som råmaterialskälla i t.ex. kemisk-, materialtillverknings-, livsmedels- och farmaceutisk industri. Den dominerande massatillverkningsprocessen, i Sverige och globalt, är kraftmassaprocessen. I den behandlas träflis med en vattenlösning med kokkemikalier. I processen separeras lignin (nu kallat kraftlignin) från cellulosafibrerna och återfås i svartluten, som även innehåller andra utlösta vedkomponentrester och de konsumerade kokkemikalierna. Svartluten förbränns idag internt vid kokkemikalieåtervinningen i kraftmassaprocessen, som också står för produktion av elektricitet och ånga. Dock kan en del av kraftligninet extraheras ut från svartluten, t.ex. med LignoBoost™ processen. Här spelar kraftligninets löslighet en avgörande roll: genom att kontrollera processbetingelserna under utfällningen av kraftligninet, kan förloppet styras för att ge optimala egenskaper för de fasta ligninpartiklar som bildas ur vattenlösningen. Partikelstorlek och struktur är viktiga för effektiviteten i separationen av ligninpartiklarna från den resterande vätskan. Dessutom är utfällningsutbytet viktigt för produktionskapaciteten.

I denna avhandling har utfällningsförloppet av kraftlignin studerats i modellsystem bestående av kraftlignin i salthaltiga vattenlösningar. Detta har gjorts experimentellt genom att mäta partikelstorleksfördelningen för de bildade ligninpartiklarna i realtid under utfällningsoperationen. Inverkan av pH, temperatur, saltkoncentration i vattenlösningen samt tillsats av små mängder av kolhydraten xylan, har undersökts. Resultaten har skapat ökad förståelse för utfällningsförloppet på den mikroskopiska nivån. Med hjälp av matematisk modellering har även växelverkan mellan kraftligninpartiklar på nanometer-skalan undersökts för att öka insikten ytterligare kring processerna då fasta ligninpartiklar bildas ur vattenlösningen och klumpar ihop sig till allt större agglomerat.

Drivkrafter

Hållbar utveckling

Ämneskategorier

Fysikalisk kemi

Pappers-, massa- och fiberteknik

Kemiteknik

ISBN

978-91-7597-885-7

Doktorsavhandlingar vid Chalmers tekniska högskola. Ny serie: 4566

Utgivare

Chalmers tekniska högskola

KB-salen, Kemigården 4

Opponent: Prof. Orlando Rojas, Aalto University, Finland

Mer information

Senast uppdaterat

2019-03-05