Tailoring dissolving pulp properties using steam explosion

Abstract

In recent years demand of dissolving grade pulp has grown together with the interest in man-made cellulosic fibers. In this research, steam explosion (SE) was studied as a purification technique in manufacture of high purity dissolving pulp. It was hypothesized that steam explosion could extract hemicellulose from chemical pulp as well as improve accessibility and reactivity of cellulose with a concurrent reduction in degree of polymerization (DP) of cellulose. The goal of this study was to assess the changes when steam explosion in various reaction conditions was applied on brown stock pulp and on fully bleached pulp.

The effects of steam explosion were studied on unbleached (PHK BS) and bleached (mDP) commercial prehydrolysis Kraft pulp that originated from different process sections of the same pulp mill. Steam explosion was carried out at 140 °C, 190 °C and 225 °C with and without a catalyst (SO2). On bleached pulp catalyzed steam explosion was carried out only at the lowest temperature. The unbleached samples were further bleached after steam explosion. After all treatments, the samples were analyzed.

Carbohydrate analysis of the samples showed that no xylan was removed when steam explosion was applied on PHK BS pulp and only a small decrease could be noticed when SE was performed on bleached pulp. The Fock’s reactivity results indicated that uncatalyzed SE in brown stock stage improved reactivity at the lowest temperature but impaired it at the highest temperatures. An increase in reactivity results was noticed when adding the catalyst in SE at brown stock stage. Steam explosion on mDP samples resulted in an overall increase in Fock’s reactivity. Viscosity measurements and molecular weight distribution revealed decreased molecular weight on all steam exploded samples.

Results indicate that SE at >3.2 severity in brown stock stage induces condensation of lignin which negatively affects reactivity of pulp. Moreover, it appears that catalyzed SE on unbleached pulp, and SE in general on bleached pulp reduces the DP of cellulose significantly which improves solubility of pulp and increases Fock’s reactivity. Therefore, it cannot conclusively be said that steam explosion truly improves accessibility or reactivity of cellulose.

Liukosellun kysyntä on kasvanut viime vuosina yhdessä selluloosapohjaisten tekokuitujen saaman huomion kanssa. Tässä työssä tutkittiin höyryräjäytyksen käyttömahdollisuuksia korkealuokkaisen liukosellun valmistuksessa. Oletuksena oli, että höyryräjäytyksellä sellusta voitaisiin poistaa ksylaania sekä parantaa selluloosan saavutettavuutta ja reaktiivisuutta. Lisäksi oletettiin selluloosan polymerisaatioasteen alenevan käsittelyssä. Työn tavoitteena oli tutkia höyryräjäytyksen vaikutuksia sekä valkaisemattomaan että valkaistuun massaan.

Tutkimuksen kokeellisessa osassa höyryräjäytys suoritettiin kolmessa eri lämpötilassa (140 °C, 190 °C, 225 °C) valkaisemattomalle ja valkaistulle esihydrolysoidulle massalle. Käsittely tehtiin kaikissa lämpötiloissa katalysoimattomana sekä katalysoituna reaktiona rikkidioksidin (SO2) kanssa, pl. valkaistu massa jolle katalyytti lisättiin ainoastaan alimmassa lämpötilassa. Valkaisemattomat näytteet valkaistiin höyrykäsittelyn jälkeen. Lopuksi näytteille suoritettiin analyysit höyryräjäytyksen aiheuttamien muutosten havaitsemiseksi.

Hiilihydraattianalyysin tulosten perusteella höyryräjäytys ruskealla massalla ei vähentänyt ksylaanin määrää valkaistussa sellussa ja valkaistulla massalla ksylaanipitoisuus pieneni vain vähän. Selluloosan reaktiivisuutta näytteissä mitattiin Fockin menetelmällä. Siitä saatujen tulosten perusteella katalysoimaton käsittely korkeimmissa lämpötiloissa ruskealla massalla heikensi reaktiivisuutta ja alimmalla lämpötilalla paransi sitä. Katalysoitu reaktio paransi reaktiivisuutta. Valkaistun massan höyryräjäytys paransi reaktiivisuutta kaikilla käsittelyillä. Polymerisaatioasteen pieneneminen kaikilla höyrykäsitellyillä näytteillä havaittiin viskositeettimäärityksissä sekä molekyylipainon jakautumista analysoitaessa.

Tulokset osoittavat että höyryräjäytys yli 3,2 S0-arvolla aiheuttaa ruskeassa massassa ligniinin kondensoitumista, mikä huonontaa massan reaktiivisuutta. Lisäksi tulosten perusteella on syytä epäillä, että katalysoitu höyrykäsittely valkaisemattomalla massalla ja höyrykäsittely kaikissa olosuhteissa valkaistulla massalla pienentää merkittävästi selluloosan polymerisaatioastetta massassa, joka parantaa massan liukoisuutta ja vaikuttaa positiivisesti Fockin reaktiivisuusmittaukseen. Näin ollen ei voida varmasti sanoa, paransiko höyryräjäytys massan reaktiivisuutta vai ei.