För att motverka global uppvärmning är det centralt att världen rör sig från fossila bränslen för energiproduktion och mot alternativa energiresurser som biobränslen. Industriella restprodukter – exempelvis sågspån – är ett bra alternativ för framställning av biobränslen då annars oanvändbara material kommer till användning. För att göra sådana material mer lätthanterliga komprimeras de ofta till pellets. Den globala pelletsmarknaden har ökat med ungefär 14 % årligen sedan 2010. Pelleteringsprocessen kan delas upp i tre faser: komprimering, strömning och friktion. Energianvändningen i pelleteringsprocessen går till komprimering av materialet; till att deformera materialet och överkomma det viskösa motståndet; och till att överkomma friktionen mellan materialet och presskanalväggarna. För att undersöka energianvändningen för pelletering på laboratorieskala används ofta singelpelletpressar. Syftet med den här studien är att öka kunskapen kring energianvändningen vid pelletering, med det huvudsakliga målet att vidareutveckla test- och beräkningsmetoder för att bestämma energianvändningen för att överkomma det viskösa motståndet i materialet vid pelletering i singelpelletpress. Materialet som pelleterades i studien var granspån. För att bestämma energianvändningen till att överkomma det viskösa motståndet i materialet etablerades ett jämviktssystem i singelpelletpressen, där presskraften stabiliserades med successiva pressningar – kallat kontinuerlig pelletering. Matrisuppställningen i singelpelletpressen inkluderade en kona, där materialet tvingas ner från en presskanal med en större diameter till en presskanal med en mindre diameter för att inkludera strömningsfasen. För att uppnå ett jämviktstillstånd kontrollerades friktionsmotståndskrafterna mot strömning av materialet genom att variera längden på den aktiva presskanalen (där det komprimerade materialet under konan har kontakt med presskanalväggen). Tillfället då strömning initierades undersöktes för att separera komprimeringsfasen från strömnings-/friktionsfasen. Separata komprimerings- och friktionsförsök gjordes för att subtrahera energianvändningen till komprimering och till att överkomma friktion från den totala energianvändningen – för att komma åt energianvändningen till att överkomma det viskösa motståndet. Jämviktstillståndet nåddes och kontinuerlig pelletering utfördes med en materialfukthalt på 17,5 % och en aktiv presskanallängd på 13 mm, där det högsta uppmätta presstrycket för varje successivt försök stabiliserades runt 154 MPa och pellets med densiteten 1200 kg/m3 producerades. Medelvärdet på trycket som krävdes för att initiera strömning blev 123 MPa. Den specifika energianvändningen som gick till att överkomma materialets viskösa motstånd blev 88 J/g material, vilket motsvarade 65 % av den totala energianvändningen. Motståndskrafterna mot presskraften från friktionen mellan pelleten och presskanalväggen ökade exponentiellt i förhållande till längden på pelleten i den aktiva presskanalen, vilket innebär svårigheter med att etablera önskade jämviktstillstånd genom en enbart teoretisk bestämning av den aktiva presskanallängden; experimentella försök behöver alltså göras.Den kontinuerliga pelleteringen i studien gjordes vid ett lägre presstryck än vid industriella processer för att inte överbelasta utrustningen. Densiteten för pelleten som tillverkades hamnade dock inom industriella intervall, vilket validerar metoden i studien. För att undersöka jämviktstillstånd vid högre presstryck kan längden på den aktiva presskanalen ökas. Metoden i studien förenklar vissa aspekter av kraftförhållanden och strömningens egenskaper. Vidare studier rekommenderas angående Poissoneffekten i konan, visköst motstånd i materialet i den aktiva presskanalen som konsekvens av en ojämn hastighetsprofil och en potentiell övergångsfas mellan komprimeringsfasen och strömnings-/friktionsfasen. Studien visar att kontinuerlig pelletering i singelpelletpress fungerar och för framtida studier på energianvändningen vid pelletering som använder singelpelletpressar rekommenderas att en uppsättning matriser med olika längder på den aktiva presskanalen konstrueras för att enkelt kunna upprätta ett jämviktstillstånd för kontinuerlig pelletering. Att andelen av den totala energianvändningen som gick till att överkomma det viskösa motståndet i materialet blev så hög belyser vikten av fortsatta studier kring det viskösa motståndet för att vidare kunna energieffektivisera pelleteringsprocessen.

The layer-by-layer (LbL) technique was used to modify the surface of cellulose fibers by consecutive adsorption of poly(allylamine hydrochloride) (PAH) and poly(acrylic acid) (PAA) followed by a final adsorbed layer of anionic paraffin wax colloids. Paper hand sheets made from the modified fibers were found to be highly hydrophobic with a contact angle of 150°. In addition to the significantly increased hydrophobicity, the sheets showed improved mechanical properties, such as a higher tensile strength. Heat treatment of the prepared sheets further enhanced both the mechanical properties and the hydrophobicity. These results demonstrate the flexibility and robustness of the LbL technique, which allows us to combine the known adhesive effect of PAH/PAA LbL films with the functionality of wax nanoparticles, creating a stronger and highly hydrophobic paper. It was further observed that LbL modified sheets without wax also displayed increased hydrophobicity when heat treated. The mechanism was studied through model experiments where LbL films of PAH/PAA were assembled on flat non-porous model cellulose surfaces. Contact angle measurements showed the same trend due to heat treatment of the model films, although, the absolute value of the contact angles were smaller. Analysis using the highly interfacial sensitive vibrational sum frequency spectroscopy technique showed an enrichment of CH3 groups (from the polymer chain ends) at the solid/air interface. These results indicate that during the heat treatment, a reorientation of polymer chains occurs to minimize the surface energy of the LbL film. In the second part of this work, the adhesive interactions between the main constituents of wood fibers were studied using high-resolution measuring techniques and well-defined model films of cellulose, hemicellulose and lignin. Successful surface modification of polydimethylsiloxane (PDMS) caps, needed in the Johnson-Kendall-Roberts (JKR) measuring methodology, by LbL deposition of nanofibrillated cellulose (NFC) and poly(ethylene imine) (PEI) allowed for the first known all-wood biopolymer JKR measurements of the adhesion between cellulose/cellulose, cellulose/lignin and the cellulose/glucomannan surfaces. The work of adhesion on loading and the adhesion hysteresis were similar for all three systems, suggesting that adhesion between the different wood biopolymers does not differ greatly. / <p>QC 20120314</p>

Massa- och pappersindustrin är stora energiförbrukare och står för 6 % av världens totala industriella energiförbrukning. I Sverige ligger andelen än högre, 50 % av den svenska industrins energiförbrukningen används av massa- och pappersindustrin. Anledningen till denna stora energiförbrukning är att det krävs stora mängder värme vid framställning av massan samt vid torkningsprocesser för papperstillverkning. Värmebehovet möts genom att producera ånga. Den höga energiförbrukningen gör att arbetet gällande energieffektiviseringar ständigt är pågående, både med hjälp av ny teknik och optimering av befintlig teknik.BillerudKorsnäs Karlsborg är ett massa- och pappersbruk med idag 400 anställda och en produktionskapacitet på 350 000 ton/år. Bruket har utmaningar med trycksvängningar som uppstår i ångnätet, vilket till stor del orsakas av Karlsborgs typ av kokprocess som består av åtta batchkokare. Batch innebär att ångförbrukningen i kokeriet inte är konstant utan är beroende av kokcykeln för samtliga kokare. Syftet med arbetet var att få en bättre förståelse för de svängningar som uppstår i ångnätet genom att kartlägga uttagningsmönster för de olika ångförbrukarna, samt identifiera möjligheter till minimering av svängningar i ångnätet. Ångnätet är den del av ångsystemet som kopplar samman ångproduktion med ångförbrukarna. Olika trycknivåer hålls i nätet beroende på vilka behov ångförbrukarna har, högtrycksånga från pannorna tryckreduceras via en mottrycksturbin eller via direktreducörer.Kartläggningen visar på tydliga samband mellan de kraftiga flödesvariationerna av ånga till kokeriet och trycksvängningar i ångnätet. Det totala ångbehovet i kokeriet är större under kallare perioder, dock sker stora flödesvariationer under alla förhållanden vilket medför att en viss typ av svängningar finns under hela året. Dessa svängningar har en amplitud på cirka två bar och uppstår vid ``normal drift´´ av fabriken, vilket innebär att de inte går att koppla till någon driftstörning i vare sig ångproduktionen eller ångförbrukningen. Även större trycksvängningar sker till följd av driftstörningar i massaproduktionen, dessa uppkommer dock mer sällan.Efter analys har det kunnat konstaterats att det finns problem med koden till friblåsningsventilerna i ångnätsreglersystemet. Detta skapar i sin tur problem med så kallad windup, när ventilerna är i respektive ändläge, vilket gör att friblåsningsventilerna hålls öppet onödigt lång tid. Ofta handlar det om en dryg minut med onödig friblåsning. Eftersom reglersystemets regulatorer jobbar efter prioritetsomringningar fördröjs även stängningen av ånga till ackumulatorn. HT-regulatorn använder därför alla ställdon för att sänka trycket onödigt lång tid varje gång friblåsningsventilerna hamnar i ändläge. När detta sammanfaller med en ångflödesökning till kokeriet sker de hastiga tryckfallen på cirka fyra bar som troligen skapar problem med överbringar från ångdomerna för respektive panna. Utifrån att detta problem har identifierats har underlag för att åtgärda detta problem tagits fram med hjälp av företaget Optimation. Att åtgärda dessa problem skulle skapa ett stabilare tryck i ångnätet och minska de svängningar som uppstår vid ``normal drift´´, dock kommer fortfarande svängningar till viss del att förekomma till följd av de stora flödesvariatonerna av ånga till kokeriet.

In recent years, antibacterial surfaces have been a subject of increased interest. Especiallyinteresting are non-leaching, contact-active surfaces that physically disrupts the bacterialcell using immobilised cationic polymers. Thus the risks of bacterial resistance and discharge of hazardous biocides is minimised. The assembly of such surfaces is elaborate andusually involves organic solvents. Here, polyelectrolyte multilayers (PEM) are proposed as an effective surface modification method, with an overall goal of producing antibacterial cellulose fibres. The PEM process is based on physical adsorption of oppositely charged polymers in aqueous solutions. Multilayers were formed with the bactericidal polymer polyvinylamine (PVAm) and polyacrylic acid. PVAm compounds with hydrophobic modificationswere applied as well, as they possess increased antibacterial activity in solution. In this work, the multilayer formation was studied on model surfaces of silicone oxide and glass in order to obtain fundamental knowledge of the polymer system. QCM-D and reflectometry, which detect total mass including bound water and polymer mass only, respectively, were used to analyse the layer formation. Salt-concentrations were varied at 1, 10 or 100 mM NaCl. A stepwise multilayer formation with exponential-like polymer adsorption but with decreasing water content for each layer was seen at all salt concentrations.A higher salt concentration resulted in an increased adsorbed mass. No significant differences in adsorption between the modified and unmodified PVAm could be detected. AFM imaging applied to multilayers having nine layers showed large surface aggregates under high salt conditions for the C6-modified PVAm. Dynamic light scattering showed that the polymer occurred as single molecules in solution; hence it was concluded that theaggregation is surface-associated. The multilayers were then tested for bacterial growth inhibition. The relative bacterial inhibition was time-dependent, as the surface was saturated with bacteria over time. After two hours, a maximal inhibition of 99 % could be observed for the multilayers. After eight hours, a moderate inhibition of less than 40 % was detected. Using multilayers affected the results positively compared to single layers. After three layers, though, no further reductionwas seen. Viability staining of the surface-adhered bacteria revealed that the adhered bacteria had intact membranes. Therefore, the microbiological properties of the multilayers can at this point be described more as growth-inhibiting by bacterial adhesion effectsthan as biocidal. However, this work has shown the importance of combining surface characterisation and microbial testing to understand the bacteria-surface interaction. / Biointeractive fibres

In Sweden, paperboard has been an essential product in the export market and is mainly used as packaging material. Packaging materials corresponded to 66% of all paper and board production in Sweden for the year 2020, which is an increase of 2,5% compared with the previous year [1]. The main function of the packaging is to protect the content inside from physical, chemical, and biological contamination [2]. Usually, paper boards are coated with pigment coatings to improve printing properties of the paperboard. Expancel microspheres are small plastic hollow spheres, which can improve the compressive properties of the paperboard. The purpose of this study is to investigate how Expancel microspheres affects the pigment coating, runnability and coated paper boards [30,31].Iggesund mill located in Iggesund manufacturer and coats high-quality paper boards. The coating formulas are based on existing recipes from the mill. The formulas where adjusted so that 12vol%,37vol% and 50 vol% of the pigments consisted of Expancel microspheres. Two different types of Expancel microspheres were used, one type of microspheres with a density of 80g/L and the other type had a density of 148g/L. To investigate how the microspheres affects the pigment coating the pH, dry content, ash content, viscosity, water retention and density were measured on the pigment coating. The paperboards were coated with pigment coating, containing different volume percentages of microspheres. The paperboard tests included gloss, surface roughness, grammage, thickness, compressibility contact angle and water adsorption.The mixture with 50 vol% of the pigments containing of microspheres with the density of 148g/L had a low pH value which can affect the results of the measurements as the pigment particles are not fully separated from each other. The low pH value resulted that the mixture had a high viscosity, which can create runnability problems. The increased number of microspheres resulted in decreasing solid content and density. The low solid content requires more energy for drying. The increasing amount of microspheres with a density of 80g/L showed an increasing viscosity with Hercules Hi-Shear. The high viscosity in Hercules Hi-Shear show that more force will be required to pump the coating mixture and that the flow in the pipes will be slower at higher viscosity.There is a difference between calculated thickness and the measured thickness of the coated paper boards. Calculated thickness where almost always less than the measured. The SEM(scanning electron microscope)-images showed that the microspheres affected the3thickness of the coated paper board. The size and shape of the particles affected the gloss. The higher content of carbonate 90(C90) resulted in higher gloss. The addition of microspheres lowered the gloss of the coated paperboards. Compressibility on the paperboard increased with the increasing addition level of microspheres. The SEM images showed that higher number of microspheres on the surface of the paperboard increased the compressibility of the surface. The contact angel measurement showed that the coating mixture containing of 50vol% with the density of 80g/L hade the highest contact angel. The Cobb60 method was used to examine the water adsorption the coated paper boards. The paper boards coated with mixtures containing the microspheres of density 80g/L had the lowest Cobb60-values.

Denna rapport handlar om ett produktutvecklingsprojekt genomfört som examensarbete för högskoleingenjörsprogrammet i innovationsteknik och design vid Karlstads universitet. Uppdraget tillhandahölls av Biosorbe AB som tillverkar ett material med namnet GreenAll. GreenAll är i grunden pappersmassa behandlat med kemikalier vilket har skapat goda oljeabsorberande samt vattenavstötande egenskaper. Projektet har sökt ett biobaseratalternativ av oljematta på en idag plastdominerad marknad där GreenAll önskats implementeras. Konsumtion av plast är ett internationellt problem som idag skapar stora skador på djur och natur. Oljemattor används i förebyggande syfte vid arbete eller situationer där det finns risk för oljespill. Idag sorteras uttjänta oljemattor på återvinningscentraler och fraktas sedan till förbränningsanläggningar där de bränns och blir till energi. Oljemattor av plast kan tvättas, men det sker inte alltid på rätt sätt där konsekvensen blir att farligt avfall hamnar i naturen. Målet med arbetet har varit att utveckla ett koncept som gör det möjligt att tillverka en biobaserad oljematta som är tilltalande för användaren samt ta fram ett första utkast till prototyp. Framtagen produkt ska genomsyras av hållbar utveckling och minska miljöpåverkan genom goda materialval. Arbetet har följt metoder för den industriella produktutvecklingsprocessen med grund i designprocessen. Med materialet GreenAll som grund resulterade arbetetet i ett koncept på en cellulosabaserad oljematta som sammanfogades genom sömnad och limning. Oljemattan består utav juteväv, linnevaxduk och GreenAll samt att mattan har fått namnet Slurp. Lösningen anses vara bättre för miljön, bidrar till en minskad plastkonsumtion och förhindrar att farligt avfall hamnar i naturen. Enligt en teoretiskt grund finns det möjlighet till delvis återvinning och utvinning av uttjänt olja som absorberats av mattan. / This report is about a product development project carried out as a degree project for the Bachelor of Science in Innovation Technology and Design at Karlstad University. The assignment was provided by Biosorbe AB, which produces a material called GreenAll. GreenAll is basically paper pulp treated with chemicals which has created good oil absorbing properties and given the material a water repellent property. The project has sought a bio-based alternative to oil mats in a currently plastic-dominated market where GreenAll is desired to be implemented. Consumption of plastic is an international problem that today causes great damage to animals and nature. Oil mats are used for preventive purposes in work or situations where there is a risk of oil spillage. Today, used oil mats are sorted at recycling centres and then transported to incineration plants where they are burned and turned into energy. Plastic oil mats can be washed, but this is not always done properly, with the result that hazardous waste ends up in the environment. The aim of the work has been to develop a concept that makes it possible to produce a bio-based oil mat that is appealing to the user and to produce a first draft of a prototype. The product developed should be permeated by sustainable development and reduce environmental impact through good material choices. The work has followed methods of the industrial product development process based on the design process. Using the material GreenAll as a basis, the work resulted in a concept of a cellulose-based oilmat that was joined by sewing and gluing. The oil mat consists of jute fabric, linen wax cloth and GreenAll and the mat has been named Slurp. The solution is considered to be better for the environment, helping to reduce plastic consumption and preventing hazardous waste from entering the environment. According to a theoretical basis, there is a possibility of partial recycling and recovery of used oil absorbed by the carpet.

Clean water is necessary for human survival and there is a need for development of cheap and easy water purification techniques to use in emergency situations when there is no access to safe drinking water. Bacteria contaminated water can cause lethal diarrheal diseases and is globally the second most common cause of death among children less than five years of age. Bacteria adsorbing filter paper made from cellulose could be an environmentally and economically sustainable alternative for disposable water purification filters. This thesis investigates the possibility to use polyelectrolyte multilayer modified cellulose pulp fibers and filter papers to adsorb and remove bacteria from water. The bacterial removal efficiency of the modified materials has been tested both in suspension and through filtration. The surface modification provides the cellulose fibers with a positively charged surface that can attract and bind the negatively charged bacteria. The bacterial adsorption through electrostatic interactions makes it possible to remove bacteria, even when the pore size of the cellulose filters is larger than bacteria. Bacterial reduction tests shows that it is possible to remove over 99.9 % of the bacteria when filtering water through the modified materials. An increased amount of adsorbed cationic polyelectrolyte, polyvinylamine, resulted in an increased bacterial removal capacity. It has also been shown that the bacterial removal efficiency increases with an increased the amount of bacteria adsorbing materials in the filter. The modified materials have been compared with a commercial product and the filtration efficiency has shown to be greater for the polyelectrolyte-modified materials, under the test conditions used in this thesis. Tests with natural water samples shows that it is important to use a filtration mode to remove particles from the water in combination with the bacterial adsorption, as the particles interfere with the bacterial adsorption. / Säkert dricksvatten är nödvändigt för överlevnad och det finns ett stort behov av att utveckla nya billiga och enkla tekniker för att rena vatten i nödsituationer där det inte finns tillgång till detta. Dricksvatten förorenat av bakterier kan orsaka dödliga diarrésjukdomar och är globalt den näst vanligaste dödsorsaken bland barn under fem år. Denna avhandling undersöker möjligheten att använda cellulosafibrer och filterpapper, ytmodifierade med multilager av katjoniska polyelektrolyter, för att adsorbera och avlägsna bakterier från vatten. Bakterieradsorberande filterpapper tillverkat av cellulosa kan vara ett miljövänligt och ekonomiskt hållbart alternativ för vattenreningsfilter för engångsbruk. De modifierade materialens förmåga att adsorbera bakterier har testats både i suspension och via filtrering. Ytmodifieringen ger cellulosafibrerna en positivt laddad yta som kan attrahera och binda de negativt laddade bakterierna. Avlägsnandet av bakterier genom elektrostatisk interaktion gör det möjligt att ta bort bakterier, även när filtret har en porstorleken som är större än bakterierna. Bakteriereduktionstesterna visar att det är möjligt att avlägsna mer än 99,9 % av bakterierna vid filtrering genom de modifierade materialen. En ökad mängd adsorberad katjonisk polyelektrolyt, polyvinylamin, resulterade i en ökad bakterieavlägsningskapacitet. Det har också visat sig att effektivitet ökar väsentligt med ökad mängd bakterieadsorberande material i vattenfiltren. De ytmodifierade materialen har jämförts med en kommersiell produkt för vattenrening med goda resultat. Filtreringstesterna utförda i den här avhandlingen visar att de modifierade materialen tar bort mer bakterier än vad det kommersiella filtret inaktiverar. Tester med naturliga vattenprov visar att det är viktigt att använda filtrering för att avlägsna partiklar från vattnet för att uppnå en önskad bakterieadsorption, eftersom partiklarna påverkar bakterieadsorptionen och minskar effektiviteten hos de bakterieadsorberande materialen / <p>QC 20170328</p>

The failure properties of interfibre bonds are the key for the build-up of strength in fibrous materials such as paper and paperboard. In order to tailor the properties of such materials by chemical or mechanical treatments and to learn how such modifications influence the properties at a microscopic level, direct measurement of individual fibre--fibre crosses are typically performed. However, the state of loading in the interfibre joint, in testing of individual fibre--fibre crosses, is in general very complex and a greater understanding for how to evaluate the mechanical properties of interfibre joints is desirable. In Paper A, a method for manufacturing multiple fibre--fibre cross specimens and a procedure for testing interfibre joints at different modes of loading is presented. The method is applied to investigate the strength of fibre-fibre crosses with different geometry and at two principally different modes of loading. Also, an investigation on the influence of drying pressure, the drying method as well as a comparison of pulp fibres from two different degrees of refining is presented. The force at rupture is scaled in terms of different geometric parameters; nominal overlap area, length and width of the joint region. It is shown that neither of the methods of scaling unambiguously reduced the coefficient of variation of the mean strength and that the force at rupture in a peeling type of loading was about 20% of the ones tested in the conventional shearing type of loading. In Paper B, a procedure for evaluating interfibre joint strength measurements in terms of resultant forces and moments at rupture is presented. The method is applied to investigate the state of loading in fibre-fibre crosses tested in two principally different modes of loading. It is shown that for a typical interfibre joint test, the modes of loading other than pure shear, cannot in general be neglected and is strongly dependent on the structural geometry of the fibre-fibre crosses. Also, the stress state in the interface centroid was estimated in order to quantify how the mode of loading influence the amount of normal stresses that develop in relation to the amount of shear stresses in the interfibre joint. / De brottmekaniska egenskaperna hos fiberfogar är nyckeln för uppbyggnaden av styrka hos fibrösa material såsom papper och kartong. För att effektivt skräddarsy sådana materials egenskaper genom kemisk eller mekanisk behandling och för att förstå hur sådana modifieringar påverkar egenskaperna på en mikroskopisk nivå är provning av individuella fiber-fiber-kors en allmänt använd metod. Belastningen i en fiberfog vid provning av individuella fiber-fiber kors är dock generellt mycket komplicerad och ytterligare kunskap om hur fiberfogars mekaniska egenskaper skall utvärderas är önskvärd. I Artikel A, presenteras en metod för samtidig tillverkning av flera fiber-fiber kors samt en metod för mekanisk provning av dessa med olika typer av belastning. Metoden tillämpades för att studera styrkan av fiber-fiber-kors med olika geometri och vid två olika lastfall. En undersökning av hur torktrycket, torkmetoden samt graden av malning inverkar på fogstyrkan presenteras. De uppmätta brottlasterna skalades med olika karakteristiska längder för fogen; nominell överlapparea samt fogens längd och bredd. Resultaten visade att ingendera av normaliseringsmetoderna reducerade variationskoefficienten (av medelvärdet av styrkan) samt att brottlasten för en globalt fläkande belastning var omkring 20 % av brottlasten för prov utförda med den konventionella skjuvande belastningen. I Artikel B, presenteras en metod för utvärdering av mätningar av styrkan hos fiberfogar med hänseende på kraft- och moment- resultanterna i gränsytan mellan fibrerna. Metoden används för att studera belastningsmoden hos fiber-fiber--kors provade i två principiellt olika lastfall. Resultaten visar att för ett typiskt fiberfogsprov av isolerade fiber-fiber-kors med långa fria fibersegment, så kan inte belastningsmoderna vid sidan av skjuvning försummas och att de är starkt beroende av fiber-fiber-korsets geometri. För att kunna jämföra fiberfogar av olika storlek och kvantifiera förhållandet mellan normal- och skjuvbelastningen i fogen skalades de resulterande krafterna och momenten med tvärsnittsstorheter baserade på en approximation av fogareans utformning. / <p>QC 20130125</p> / BiMaC Innovation

The LignoBoost process is a valuable supplement to the Kraft process. It can increase the pulp production rate of a Kraft mill and it enables lignin separation from black liquor with a high degree of purity. However, residual xylan in black liquor has been observed to increase filtration resistance of lignin during the LignoBoost process. In order to uncover underlying mechanisms, this thesis investigates the potential influence of xylan during lignin precipitation and filtration, which are the two main steps of the LignoBoost process. For this purpose experiments based on a model system were designed. Model liquors consisted of lignin and xylan as the only organic compounds and contained lower salt concentrations (4.2-5.9 wt%) compared to black liquor. Furthermore, reference liquors were prepared without xylan addition. Precipitation mechanisms were studied in the onset precipitation region (i.e. alkaline regime) by in-situ focused beam reflectance measurements (FBRM) during step-by-step acidic precipitation of the model liquor. It was found that the onset precipitation pH does not change with the presence of xylan as all liquors started precipitation around pH 9.15. The filtration process was investigated on model liquors that had been precipitated by fast acidification to acidic regimes (pH 6.5-2.87). The use of FBRM during acid precipitation of model liquors suggested that temperature had a significant influence on the chord length distribution (CLD) of the particles. In all filtration experiments, a decrease in CLD was observed when the temperature was changed from 80 °C to 25 °C. Moreover, this thermal instability of particles seemed to be higher when added xylan was present in the liquor. The investigation of the resulting filer cakes with HPLC showed that xylan was evenly distributed through the cake. Further findings on the influence of xylan were impeded due to variations in ionic strength in the model liquors. It was found that the effect of ionic strength on filtration properties and particle sizes overshadows the effect of xylan. Higher ionic strength was observed to yield a lower filtration resistance, a higher solidosty, larger particles and lower solid surface area, as investigated by filtration measurements, laser diffraction and BET analysis. Finally, xylan was fluorescently tagged (i.e. dyed) with Remazol Brilliant Blue R to investigate xylan position in the ligninxylan filer cake, using a confocal fluorescence microscope. However, due to the autofluorescence of lignin as well as low emission intensity of the synthesized dyed xylan, xylan could not been tracked within the lignin particle. Nevertheless, valuable insight was gained into the preparation of dyed xylan and the bond stability.

Den vanligaste biopolymeren på jorden är cellulosa och det är ett viktigt material i utvecklingen mot ett hållbart samhälle. Cellulosan och dess egenskaper kan modifieras genom kemiska reaktioner. Reaktiviteten hos cellulosans OH-grupper är låg på grund av en tät kristallstruktur, men kan förbättras genom t.ex. svällning eller upplösning följt av utfällning. I det här projeket kommer cellulosa från tre källor, microkristallin cellulose (Avicel), lövedsmassa (björk och asp) och barrvedsmassa (tall och gran) att lösas upp i natriumhydroxid och sedan fällas ut med två olika syror och ett organiskt lösningsmedel. Syrorna som användes var ättiksyra och svavelsyra och det organiska lösningsmedlet var etanol. Därefter jämfördes utbytet av den utfällda cellulosan.  Upplösning av Avicel 2.5 viktprocent gjordes i natriumhydroxid-lösning (10%) vid 5 oC och fälldes ut med de tre fällningsmedlen för att bestämma vilket som gav högst utbyte. Ättiksyra gav de bästa resultaten och användes i följande experiment på massa. Massornas löslighet var låg och den olösta massan var tvungen att separeras genom centrifugering innan utfällning av lösningen kunde göras. Hydrolys av massorna utfördes för att öka lösligheten och utfällningsutbytet. Upplösning av Avicel i kall natriumhydroxid och utfällning var framgångsrik. Utbytet vid utfällning med syror var högt. Det fanns ingen topp för maximalt utbyte när syrorna användes som antilösningsmedel, men etanol hade ett maximalt utbyte men lägre än för syrorna. Resultaten med massa var inte lika bra som för Avicel. De separerade olösta delarna var stora för båda massorna, men HW hade större del olöst material. Utbytet av fällning var lågt eftersom det fanns mindre cellulosa upplöst som kunde fällas ut. Hydrolysen av HW och SW var framgångsrik. Detta gjorde det möjligt att lösa upp och fälla ut mer cellulosa från massan. / Cellulose is the most abundant biopolymer on earth and is an important material in developing a sustainable society. The properties of cellulose can be modified by chemical treatment or reactions. The reactivity is fairly low in crystalline cellulose but can be increased if the dense crystal structure is disrupted by e.g. swelling or dissolution followed by precipitation. Dissolution of cellulose is difficult and this project aims to dissolve cellulose from three sources (Avicel and two sulfate pulps). One of the pulps had a tiny fraction of softwood and mostly birch and aspen, hardwood pulp (HW). The other of the pulps was made of pine and spruce, softwood pulp (SW). The raw materials were dissolved in sodium hydroxide (NaOH) and then precipitated with two acids and an anti-solvent (acetic acid (HOAc), sulfuric acid (H2SO4), or ethanol (EtOH)). The yields of the precipitated products were compared. Avicel 2.5 wt% was dissolved in NaOH solution (10%) at 5 oC and precipitated with the two acids and EtOH to determine the highest yield. HOAc gave the best results and was used in the following experiments on pulp. The solubility of pulps was low and the undissolved pulp had to be separated by centrifugation before precipitation of the solution. Hydrolyzation of the pulps was performed to increase the solubility and the precipitation yield. Dissolution of Avicel in cold NaOH and precipitation was successful. The yield at precipitation with acids was high. There was no peak of maximal yield when the acids were used to precipitate, but EtOH had a maximal yield but lower than for the acids. The results with pulp were not as good as for Avicel. The separated undissolved parts were big for both pulps, but HW was the worst. The yield of precipitation was low as there was less cellulose dissolved that could be precipitated. The hydrolysis of HW and SW was successful. This made it possible to dissolve and precipitate more cellulose from the pulp.