SawDESt II - Fractionation of wood with Deep Eutectic Solvents

Abstract

In this thesis project, properties and factors that are involved in the fractionation of wood when using deep eutectic solvents (DES) have been investigated. The project is based on an earlier project that was conducted at RISE Processum in Örnsköldsvik and the results from that is the foundation for trials in this project.
In that first project, five different DES were used (Oxalic acid, Lactic acid, Urea, Acetic acid and Formic acid), all based on Choline chloride. Two of these DES showed good fractionation and light colour, properties considered as promising attributes for the cellulose fraction. The two DES were acetic acid: Choline chloride and Lactic acid: Choline chloride.
The main goals of this project were to find parameters that produce a pulp with qualities close to recycled pulp fibres. In the preceding project, a mean fibre length of 0.98 mm [1] was obtained. The DES treatment procedure used was a system of acetic acid and Choline chloride with treatment conditions at 170°C for 1h.
In this project, a multivariate experimental structure was set up, focusing on four factors: temperature, time, wood content and the composition of the DES. These factors are considered important in a sustainable process design, if the concept is to be taken further. From these experiments, the conditions that produced a cellulose fraction with good visual qualities, such as light colour and low amounts shive were selected and further analysed. The multivariate experiments generated a model for how the cellulose and lignin were distributed when various conditions were applied, this served as an estimation tool for further optimization of the reaction conditions and more extensive analysis of selected samples.
Effects on the fractionation using impregnation were also investigated, this gave in general a lower amount of cellulose fraction with a 16.5 wt% decrease when the impregnation was complete. It is believed that this is a result of higher lignin extraction and higher fractionation of the larger sawdust. Upscaling of the selected experiments from the multivariate analysis was performed. This generated a fibre fraction that showed same visual properties as the small-scale experiments, which would be a good fractionation and light colours.
To generate further knowledge about the composition and material quality, analysis of fibre- and paper properties was performed. An analysis of the molecular composition in the different fractions were also performed. With an HPLC the structural carbohydrates in cellulose and hemicellulose could be identified, as well as the lignin. The analysis showed that the material had a longer fibre length, compared to the preceding project.
The density is high for obtained material, with strength properties comparable to OCC quality which do have lower density. Milling the pulp is often used to both increase density and strength properties.

Popular Abstract (Swedish)

Föreställ dig att du blandar två fasta ämnen, t.ex. salt och socker, och att det då bildas en vätska. Det känns spontant onaturligt, men inom kemin finns många exempel på sådana, så kallade eutektiska lösningar som nu blir allt vanligare inom en rad olika forskningsområden.
I detta projekt undersöktes en metod för att använda just ett eutektiskt lösningsmedel för att behandla sågspån, med det specifika målet att få fram en träfiber med bevarade egenskaper som är lämpliga för att användas till produktion av wellpapp.
Idag finns ett ökande intresse för att finna nya metoder för att producera pappersmassa genom nya metoder. Eftersom massabruken idag är kontinuerliga processer med väldigt stora produktionsvolymer, vilket krävs för att dem ska vara lönsamma. Det skulle ta tid och kosta pengar att stoppa produktionen för att byta råvara från t.ex. träflis som är anpassade för massaproduktion till sågspån. I detta fall är det dessutom tal om att byta till en råvara som producerar en produkt av lägre kvalitét och därför söker man efter en alternativ metod för att producera massa ifrån sågspån.
En eutektisk lösning består av molekyler som lätt binder till varandra genom vätebindningar. Dessa blandas i ett visst förhållande vid en specificerad temperatur. Vid denna punkt, den eutektiska punkten, bildas en vätska klar som vatten, men ofta med tjockare konsistens. Det finns många olika komponenter som kan användas för att bilda en eutektisk vätska, vilket leder till att dessa lösningsmedel är väldigt mångsidiga. De har redan funnit användningsområden i allt ifrån nya sortersbatteri, koldioxidrening, utvinning av metaller och även för att separera ved i sina beståndsdelar, så kallad fraktionering. Ofta är målet att ersätta ett organiskt lösningsmedel som kommer ifrån fossila källor, mot ett grönare alternativ som t.ex. en eutektiska lösnin.
Det första steget i processen att göra papper är att utvinna träfiber från ved eller sågspån. För att komma åt träfibrerna i sågspånen måste den struktur som bygger upp veden brytas ner; de viktigare komponenterna i denna struktur är cellulosa, hemicellulosa och lignin. Nedbrytning av veden görs idag i sura eller basiska lösningar via en kokprocess. Ofta är målet i papperstillverkningen att göra ett papper som är starkt och håller ihop. Pappersstyrkan hänger mycket ihop med hur mycket lignin som man har lyckats separera bort från pappersmassan under tillverkningen. I tidigare studier har man observerat att vissa eutektiska lösningar löser lignin selektivt. Det skulle innebära att man på ett mer effektivt sätt kan separera ut ligninet från det material som skulle gå till att göra wellpappen. Det är en av anledningarna till att detta koncept kan bli framgångsrikt i just pappersindustrin. En annan anledning är att många eutektiska lösningar skapas ifrån biomolekyler, såsom mjölksyra och kolinklorid som använts i detta projekt. Dessa ämnen betraktas som ”gröna alternativ” till organiska lösningsmedel. Det gör att de eutektiska lösningarna har stora möjligheter att vara ett mer hållbart och miljövänligt alternativ än konventionella processer.
Undersökningarna som har gjorts i detta projekt har haft som mål att hitta lämpliga förhållanden för värmebehandlingen under fraktioneringen av sågspån, men även att ta reda på vad man kan göra för att öka fraktioneringen och mängden lignin som man tar bort ifrån massan. Resultaten ifrån projektet blev en pappersmassa som kunde jämföras i styrka med den massa som idag används för att producera wellpapp. Resultaten visar dock att densiteten av massan som tagits fram är väldigt mycket högre än vad den borde vara innan man börjar bearbeta massan för att höja styrkan, samt att längden på fibrerna är kortare än i wellpapp. Detta gör att kvalitén på massan inte riktigt lever upp till det som massan ska användas till. I detta avseende finns det mer att jobba på för att utveckla och optimera konceptet med eutektiska lösningar som lösningsmedel.
Att få fram en metod som kan komplettera processerna i de stora massabruken och producera användbara produkter från en restråvara som sågspån är av stor vikt i en cirkulär ekonomi. Det skulle t.ex. innebära att mer av den skog som fälls utnyttjas till samhällsnyttiga produkter. Det gäller inte bara till papper och kartong; det pågår även mycket forskning för hur man kan utnyttja lignin och hemicellulosa, till exempel för att göra biobränslen och olika sorters biomaterial. Konceptet med eutektiska lösningar skulle kunna öka mängden lignin och hemicellulosa på marknaden och därmed öka konkurrensen med fossila produkter av liknande sort, vilket är en viktig del i omställningen till ett förnybart samhälle för en hållbar framtid.

• author: Müller, Martin
• supervisor: Mats Galbe
• organization: Chemical Engineering (M.Sc.Eng.)
• course: KETM05 20182
• year: 2018
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Chemistry
• keywords: Fractionation, Deep eutectic solvent, Sawdust, chemical engineering, kemiteknik
• language: English
• id: 8959582
• date added to LUP: 2018-11-26 14:39:57
• date last changed: 2018-11-26 14:39:57