Additives to optimize kraft-lignin pelletizing and pellet performance

Abstract

Lignin is a highly abundant natural polymer found in lignocellulosic plants and extracted from wood in various pulping processes. Kraft-lignin is a by-product of kraft-pulping process and is mainly used as a fuel for energy production but its application potential as an alternative for fossil-based polymers in production of chemicals and materials has become increasingly recognized. Currently kraft-lignin is often transported and used in a fine powder form which creates challenges of material loss, dust hazards, flowability and handling problems as well as lower cost-efficiency of the shipping. Aim of this thesis was to investigate potential binding additives, added in dosages of 0,5 and 2w%, to improve kraft-lignin pellet formation, their physical characteristics and ability to resist wear, and ultimately improve kraft-lignin feasibility through material efficiency. Moisture content, pelleting pressure and temperature were found to have a significant effect on the quality of the lignin pellets and optimizing these parameters was essential to achieve stable quality during production. Binder effectiveness was evaluated based on pellet fines content, bulk density, mechanical durability in ambient and elevated temperature / relative humidity (RH) conditions, solubility in water and sodium hydroxide, glass transition temperature and visual appearance. The pellets released ~5w% of fines with majority under 1,4mm in size and their bulk density stayed rather stable at around 0,5g/cm3. The results of mechanical durability showed the highest increase and consistency of performance with 2% of carboxymethyl cellulose (CMC), polyvinyl alcohol (PVA) and Bentonite, although variability between individual products was considerable. Pellet solubility was mildly affected by the binder content whereas glass transition temperature was mostly related to the lignin moisture content. Physical appearance and thickness of the pellets varied depending on the binder type and its dosage but visually the best quality was achieved with 2% of CMC A, CMC C, guar gum, PVA B and Bentonite.

Ligniini on erittäin yleinen luonnon polymeeri, jota esiintyy lignoselluloosapitoisissa kasveissa ja jota uutetaan puusta eri sellunvalmistusprosesseissa. Kraft-ligniini, joka syntyy kraft-prosessin sivutuotteena, käytetään pääasiassa polttoaineena energiantuotannossa, mutta sen käyttömahdollisuudet fossiilisten polymeerien korvaajana kemikaalien ja materiaalien tuotannossa on nykyään yleisesti tunnustettua. Kraft-ligniiniä käytetään ja kuljetetaan usein hienojakoisena jauheena, mikä aiheuttaa haasteita materiaalihävikin, pölyhaittojen, juoksevuuden ja käsittelyongelmien saralla ja heikentää kuljetuksen kustannustehokkuutta. Tämän työn tavoitteena oli tutkia mahdollisia sideaineita, lisätty-nä 0,5 ja 2w-%:n annoksina, joilla voisi parantaa kraft-ligniinin pelletöitymistä, pellettien fysikaalisia ominaisuuksia ja kykyä vastustaa kulumista sekä lopulta parantaa kraft-ligniinin käyttömahdollisuuksia materiaalitehokkuuden kautta. Kosteuspitoisuudella, pelletöintipaineella ja -lämpötilalla havaittiin olevan merkittävä vaikutus ligniinipellettien laatuun, ja näiden parametrien optimointi oli tärkeää, jotta tuotteen laatu saatiin pysymään vakaana tuotannon aikana. Sideaineiden tehokkuutta arvioitiin pellettien hienoainespitoisuuden, bulkkitiheyden, mekaanisen kestävyyden eri lämpötilan ja suhteellisen kosteuden olosuhteissa, liukoisuuden veteen ja natriumhydroksidiin, lasittumislämpötilan sekä visuaalisen ulkonäön perusteella. Pelleteistä vapautui n. 5w-% hienoainesta alle 1,4 mm kooltaan ja niiden bulkkitiheys pysyi melko vakaana noin 0,5 g/cm3 tasolla sideaineesta huolimatta. Mekaanisen kestävyyden tulokset osoittivat, että pellettien kestävyys parani eniten ja pysyi tasaisimpana 2 %:n karboksimetyyliselluloosa- (CMC), polyvinyylialkoholi- (PVA) ja bentoniittilisäyksen jälkeen, vaikka vaihtelu yksittäisten tuotteiden välillä oli huomattavaa. Sideainepitoisuus vaikutti lievästi pellettien liukoisuuteen, kun taas lasimuutoslämpötilaan vaikutti lähinnä vain ligniinin kosteuspitoisuus. Pellettien fyysinen ulkonäkö ja paksuus vaihtelivat sideainetyypin ja annostuksen mukaan, mutta silmämääräisesti paras laatu saavutettiin, käyttämällä 2 % CMC A:ta, CMC C:tä, guarkumia, PVA B:tä ja bentoniittia.