Recovery of Dialcohol Cellulose using Micro- and Ultrafiltration Processes

Abstract

The waste management and production of plastic play a concerning part in global warming and continues to have a negative effect on the environment. A promising strategy to address this challenge is to develop new sustainable materials, to replace current fossil-based plastics. Cellulose is of interest to be used for bio-based materials since it has many desired properties. However, it lacks the formability that petroleum-based materials provide. Converting cellulose into dialcohol cellulose (DAC) is a way to increase the flexibility. DAC is achieved by an oxidation followed by a reduction of cellulose, resulting in an open-ring structure. When producing DAC, it is of interest to increase the yield in the production by implementing a membrane filtration step to concentrate and separate the otherwise lost DAC in the process water. As separation processes commonly account for a major part of the energy and capital cost of a plant, it is of interest to optimise this process to keep costs low whilst still achieving a sufficient separation.

The aim of this thesis was to optimise a membrane filtration process for separating reactants, products, and by-products in process water from the production of DAC. This was done by screening six different membranes, three microfiltration (MF) and three ultrafiltration (UF) membranes, to find the best membrane and optimal operating conditions, based on flux, retention of solutes and fouling. When the optimal conditions and most suitable membrane was chosen, it was examined to what degree it was possible to concentrate the solutes and if the membrane filtration process was affected by using process water provided by Tetra Pak compared to process water produced for this thesis. DAC with different degree of oxidation (DO) was successfully produced for this thesis. The produced DAC used for the concentration had a DO of 58% and a yield of 45%. If using the process water from different reaction steps in the production of DAC affected the concentration was also examined.

The results from the screening showed that an ultrafiltration membrane, ETNA10PP, was the most suitable to concentrate the solutes. The optimal operating conditions were concluded to a cross flow velocity of approximately 0.3 m/s with a transmembrane pressure of 8 bar. These parameters gave a retention of 0.943 when using the reduction step process water from Tetra Pak and a retention of 0.980 when using the reduction step process water produced for this thesis. Further, it was seen that the retention for the process water from the oxidation step was significantly lower than that from the reduction step.

Popular Abstract (Swedish)

Användandet av fossila bränslen är utbrett och någonting som genomsyrar hela det moderna samhället. Fossila råvaror, som olja, naturgas och kol har många användningsområden och används bland annat vid produktion av plast, som drivmedel för transport och för att producera elektricitet. Att nyttja fossila råvaror är däremot inte oproblematiskt då dessa bidrar till ökande halter av växthusgaser i atmosfären, vilket spär på den globala uppvärmningen. Utöver detta leder förbränning av fossila råvaror till utsläpp av andra skadliga ämnen i miljön, som till exempel kan bidra till försurning av skog och vatten eller orsaka hälsoproblem. För att säkerställa en trygg framtid för både människor och natur är det därför viktigt att minska användandet av fossila råvaror. Ett sätt att göra det är att ersätta fossila råvaror med icke-fossila material med annat ursprung, som till exempel biomassa.

Biomassa finns tillgängligt över hela planeten och har använts av människor som bränsle, byggmaterial och för att göra textilier sedan flera tusen år tillbaka. Biomassa som träd, gräs och andra vedväxter är till största del uppbyggt av någonting som kallas lingocellulosa. Lingocellulosa är ett samlingsnamn för kombinationer av tre komponenter som kallas cellulosa, hemicellulosa och lignin. Respektive komponent har unika egenskaper, men de har alla gemensamt att de är långa kedjor som består av kolhydrater. Den komponent det finns mest av är cellulosa, vilken är uppbyggd av många små sockermolekyler som kallas glukos. Idag utvinns cellulosa till exempel i pappersbruk och vid produktion av textilier. Genom forskning har det visat sig att cellulosa kan användas för att producera plast, vilket är en viktig del i omställningen från fossila råvaror till förnybara.

En plast som kan framställas av cellulosa kallas dialkohol cellulosa (DAC). Denna plast har visat sig ha många bra egenskaper som gör att den potentiellt kan användas för att ersätta viss fossil plast som används idag. När DAC produceras görs detta i en vattenlösning, och för att separera plasten från vattenlösningen används idag ett klassiskt filter som fungerar på samma sätt som en sil. Detta gör att man går miste om en del av den DAC som producerats då den stannar kvar i vattenlösningen.

Målet med det här examensarbetet var att producera DAC och att ta fram en metod för att öka mängden DAC som ges av processen genom att lägga till ett extra filtreringssteg där en separationsmetod som kallas membranfiltrering används. Membranfiltrering är en metod som går ut på att man har ett filter med många väldigt små porer, så att små molekyler (till exempel vatten) åker igenom porerna medan stora (som DAC) hålls tillbaka. För att den här tekniken ska vara så kostnadseffektiv som möjligt är det viktigt att mängden DAC som går förlorad är så liten som möjligt. Därför lades mycket tid på att hitta de bästa driftsförhållandena för processen genom att variera tryck och med vilken hastighet vattenlösningen rör sig längs membranytan, samt att hitta vilken porstorlek och vilket membranmaterial som fungerade bäst. Efter det användes det optimala membranet och driftsparametrarna för att koncentrera olika typer av vattenlösningar från DAC-produktionen. Det gick bra att producera DAC och det optimala membranet fungerade för att på ett bra sätt koncentrera processvatten från DAC-produktionen, där drygt 90% av materialet i vattenlösningen hölls tillbaka.

• author: Näslund, Lina and Petersson, Gabriella
• supervisor: Basel Al-Rudainy
• organization: Chemical Engineering (M.Sc.Eng.)
• course: KETM05 20231
• year: 2023
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• keywords: Membrane filtration, Ultrafiltration, Microfiltration, Dialcohol cellulose, DAC, Bioplastics, Chemical engineering, Process design
• language: English
• id: 9130845
• date added to LUP: 2023-06-30 11:21:12
• date last changed: 2023-06-30 11:21:12