Model studies on hemicellulose solvation in ionic liquid-water mixtures

Thumbnail Image

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Kemian tekniikan korkeakoulu | Master's thesis
Ask about the availability of the thesis by sending email to the Aalto University Learning Centre oppimiskeskus@aalto.fi

Authors

Date

2016-05-17

Department

Major/Subject

Biojalostamot

Mcode

KM 3001

Degree programme

BTT - Biotuotetekniikan koulutusohjelma

Language

en

Pages

89

Series

Abstract

The demand for dissolving-grade pulps has increased during recent years. (RISI 2014) These high purity pulps are used to produce a variety of products including regenerated cellulose fibres and cellulose derivatives. Currently the dissolving-grade pulps are produced mainly with acid sulphite and pre-hydrolysis kraft processes which suffer from drawbacks such as yield losses and polymer degradation. Upgrading paper-grade pulp to dissolving-grade pulp with an ionic liquid extraction has been investigated as a promising alternative to current production methods. Cellulose dissolving ionic liquids (ILs) represent a novel class of non-derivatizing cellulose solvents. ILs are defined as salts which have a melting point below 100 °C. In the IONCELL-P process, papergrade pulp is refined into dissolving-grade pulp without yield losses or polymer degradation by utilizing a mixture of ionic liquid and water as a selective hemicellulose solvent. The aim of this Master’s thesis was to investigate xylan dissolution in the IONCELL-P process. In the experimental part, bleached kraft birch pulp was fractionated with different ionic liquid-water mixtures. Furthermore, it was investigated if a common xylan dissolution factor could be formed for the solvents used in the IONCELL-P process. This was performed by measuring the gravimetric yields and residual xylan contents of the pulp and by comparing these results with the Kamlet-Taft β-values of the IL-water mixtures. The role of viscosity and pH of the IL-water mixtures was also investigated. The results show that the imidazolium-containing ILs were the most efficient ones among the tested solvents. The high viscosities of the IL-water mixtures were not found to significantly limit the hemicellulose removal. Moreover, no significant differences in xylan dissolution were observed with prolonged fractionation time. The IL-water mixtures were found to be mainly alkaline and the data indicates that as the pH of an IL increases, higher amount of water is needed for that IL to reach the optimum conditions for xylan dissolution. The formation of a common xylan dissolution factor resulted in β /χ (H2O+OH) – parameter. In theory, this model could be used to predict the achievable residual xylan content for a specific ILwater mixture used in the IONCELL-P process.

Korkean alfaselluloosa pitoisuuden selluja, eli liukoselluja, käytetään raaka-aineena useiden tuotteiden, kuten regeneroitujen selluloosakuitujen ja selluloosajohdannaisten valmistuksessa. Tällä hetkellä liukoselluja valmistetaan pääasiallisesti esihydrolyysi-kraft ja sulfiittiprosesseilla. Näissä prosesseissa kuitenkin ilmenee merkittäviä saantohävikkejä ja polymeerien hajoamista, etenkin korkean puhtausasteen selluja tuotettaessa. Paperisellun jalostamista liukoselluksi ionisilla nesteillä on tutkittu vaihtoehtona nykyisille menetelmille. Selluloosaa liuottavat ioniset nesteet ovat ryhmä uudenlaisia ei-derivatisoivia suoria selluloosaliuottimia. Ioniset nesteet luokitellaan yleisesti suoloiksi, joiden sulamispiste on alle 100 °C. Uudessa IONCELL-P prosessissa paperisellua jalostetaan liukoselluksi käyttämällä ionisen nesteen ja veden seosta selektiivisenä hemiselluloosien liuottimena. Tämän työn tavoitteena oli tutkia ksylaanin liukenemista IONCELL-P prosessissa. Työn kokeellisessa osassa, valkaistua koivusellua fraktioitiin erilaisilla ionisen nesteen ja veden seoksilla. Työssä mitattiin puhdistetun selluloosan gravimetrista saantoa ja jäännös ksylaanin pitoisuutta ja verrattiin näitä arvoja Kamlet-Taft β-arvoon. Tavoitteena oli muodostaa IONCELL-P prosessissa ionisten nesteiden tehokkuutta kuvaava liuotinparametri. Lisäksi liuotinseosten pH-arvojen ja viskositeetin vaikutusta prosessiin tutkittiin. Tulokset osoittavat, että imidazolium-kationin sisältävät ioniset nesteet soveltuivat prosessiin parhaiten. Liuotinseosten korkeiden viskositeettien ei havaittu merkittävästi vaikuttavan ksylaanin liukenemiseen. Myöskään pidennetyllä fraktiointiajalla ei havaittu olevan merkittävää vaikutusta ksylaanin poistoon. Liuotinseokset olivat pH-arvoiltaan pääasiallisesti emäksisiä ja tulokset viittaavat, että ionisen nesteen emäksisyyden kasvaessa liuotinseokseen tarvitaan enemmän vettä, jotta päästään optimaaliseen ksylaanin poistoon. Työn tuloksena muodostettiin yleinen ksylaanin β /χ (H2O+OH) – liuotusparametri, jota teoriassa voidaan käyttää ennustamaan liuotinseosten ksylaaninpoistokykyä IONCELL-P prosessissa.

Description

Supervisor

Sixta, Herbert

Thesis advisor

Roselli, Annariikka

Keywords

IONCELL-P, ionic liquids, xylan dissolution, IL-water mixture

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201605262218

Collections

[dipl] Kemian tekniikan korkeakoulu / CHEM