Hardwood Kraft Delignification
Doktorsavhandling, 2026
Kraft pulping is a globally significant industrial process whose complexity, stemming from the multi-scale heterogeneity of wood, means a complete understanding of its underlying physicochemical mechanisms remains elusive. This thesis presents research aimed at advancing the fundamental understanding of the kinetics of delignification—the primary step in kraft pulping—with a particular focus on the relative impact of reaction and transport mechanisms occurring at the cell wall level.
Delignification kinetics were investigated in laboratory-scale reactors by examining the effects of time, temperature, and cooking liquor composition on pulp and dissolved component properties. The work focused primarily on birch wood meal but also included comparisons with wood chip pulping and other Nordic hardwood species, namely alder, aspen, and beech. Based on the experimental findings, a novel delignification model incorporating both reaction and diffusion phenomena was developed.
Collectively, the studies highlight the multi-mechanistic nature of kraft delignification, indicating that different phenomena dominate the kinetics at different stages of the process. The results demonstrate that the sulphide dependency of the delignification rate diminishes part-way through the process, indicating the impact of additional reactions not previously considered to significantly influence the delignification rate. In contrast, the molecular size of dissolved lignin was observed to increase continuously throughout cooking, suggesting that solubility and diffusion effects significantly impacts the later stages of lignin removal. The developed model demonstrated that delignification kinetics in wood meal pulping can be accurately represented as primarily diffusion controlled. Finally, delignification of wood chips revealed additional heterogeneity at a larger length scale. An initial extension of the developed delignification model to the chip scale successfully captured this behaviour, indicating that accounting for alkali availability is critical to accurately describe delignification in chips.
Delignification kinetics were investigated in laboratory-scale reactors by examining the effects of time, temperature, and cooking liquor composition on pulp and dissolved component properties. The work focused primarily on birch wood meal but also included comparisons with wood chip pulping and other Nordic hardwood species, namely alder, aspen, and beech. Based on the experimental findings, a novel delignification model incorporating both reaction and diffusion phenomena was developed.
Collectively, the studies highlight the multi-mechanistic nature of kraft delignification, indicating that different phenomena dominate the kinetics at different stages of the process. The results demonstrate that the sulphide dependency of the delignification rate diminishes part-way through the process, indicating the impact of additional reactions not previously considered to significantly influence the delignification rate. In contrast, the molecular size of dissolved lignin was observed to increase continuously throughout cooking, suggesting that solubility and diffusion effects significantly impacts the later stages of lignin removal. The developed model demonstrated that delignification kinetics in wood meal pulping can be accurately represented as primarily diffusion controlled. Finally, delignification of wood chips revealed additional heterogeneity at a larger length scale. An initial extension of the developed delignification model to the chip scale successfully captured this behaviour, indicating that accounting for alkali availability is critical to accurately describe delignification in chips.
Pulping
Model
Lignin
Wood meal
Black liquor
Transport
Reaction
Vasa A, Vera Sanbergs Allé 8, Gothenburg
Opponent: Prof. Ville Alopaeus, Aalto University, Finland
Författare
Linus Kron
Chalmers, Kemi och kemiteknik, Kemiteknik
Kron, L., Hasani, M., Theliander, H. On the mechanistic and kinetic role of hydrogen sulphide during kraft delignification
Marion de Godoy, C., Kron, L., Hasani, M., Theliander, H. 1D Multiscale modelling of delignification rate in hardwood chips during kraft pulping
För att uppnå ett fossilfritt samhälle kommer material från skogen att spela en nyckelroll. Samtidigt räcker världens skogar inte till för att ersätta all fossil råvara, vilket gör att vi måste använda varje träd så effektivt som möjligt. Idag förloras ungefär hälften av träet när det kokas till pappersmassa i sulfatprocessen, främst eftersom kraftfulla kemiska metoder krävs för att separera fibrerna (cellulosan) från det ”lim” (lignin) som håller dem samman. En bättre förståelse av kemin bakom massakoket kan därför hjälpa oss att minska mängden material som går förlorat.
I min forskning har jag jämfört hur snabbt ligninet bryts ner med hur snabbt olika molekyler rör sig inne i träet. Traditionellt har man antagit att bara några få reaktioner styr hela förloppet. Mina resultat visar däremot att andra typer av reaktioner verkar påverka hastigheten också. Dessutom rör sig ligninets fragment långsamt genom cellväggen, där särskilt de största bitarna släpar efter och bromsar processen i slutet av koket.
Utifrån dessa insikter utvecklade jag modeller som kombinerar reaktionshastighet och molekyltransport på ett sätt som inte gjorts tidigare. Modellerna stämmer väl med experimenten och pekar återigen på att transporten av molekyler är långsam.
Genom detta arbete vet vi nu ytterligare lite mer om den snart 150 år gamla sulfatprocessen, men arbetet belyser också delar som vi fortfarande inte helt förstår.
Så det slutgiltiga svaret är: Ja, att koka pappersmassa är minst sagt komplicerat!
I min forskning har jag jämfört hur snabbt ligninet bryts ner med hur snabbt olika molekyler rör sig inne i träet. Traditionellt har man antagit att bara några få reaktioner styr hela förloppet. Mina resultat visar däremot att andra typer av reaktioner verkar påverka hastigheten också. Dessutom rör sig ligninets fragment långsamt genom cellväggen, där särskilt de största bitarna släpar efter och bromsar processen i slutet av koket.
Utifrån dessa insikter utvecklade jag modeller som kombinerar reaktionshastighet och molekyltransport på ett sätt som inte gjorts tidigare. Modellerna stämmer väl med experimenten och pekar återigen på att transporten av molekyler är långsam.
Genom detta arbete vet vi nu ytterligare lite mer om den snart 150 år gamla sulfatprocessen, men arbetet belyser också delar som vi fortfarande inte helt förstår.
Så det slutgiltiga svaret är: Ja, att koka pappersmassa är minst sagt komplicerat!
Ämneskategorier (SSIF 2025)
Pappers-, massa- och fiberteknik
DOI
10.63959/chalmers.dt/5835
ISBN
978-91-8103-378-6
Doktorsavhandlingar vid Chalmers tekniska högskola. Ny serie: 5835
Utgivare
Chalmers
Vasa A, Vera Sanbergs Allé 8, Gothenburg
Opponent: Prof. Ville Alopaeus, Aalto University, Finland