Modification of the dispalacement batch cooking concept to high-alkali cooking

Abstract

In this master's thesis, the effects of high alkali concentration during the impregnation and cooking stages of pulping process on softwood pulp properties were studied. Pulping conditions that enabled an even alkali profile during the cook were created by modifying the continuous displacement batch cooking concept. Based on previous studies, a high alkali concentration decreases the removal of Scots pine (Pinus sylvestris) glucomannan by favouring the stopping reaction over the peeling reaction. However, this stabilization of glucomannan is gained at the expense of increased xylan dissolution and, therefore, additional trials to collect the dissolved xylan from black liquor were implemented. By increasing the glucomannan yield and utilizing the dissolved xylan, the profitability of the pulping process might be improved.

The cooking trials were carried out by using the modified continuous displacement cooking method with different cooking temperatures and times. Reference pulps were cooked at alkali concentration of 0.50M [OH-]. In the case of high-alkali cooks, impregnation liquor of 2.00M and cooking liquor of 1.55M [OH-] were used. The sulfidity of the liquors was 33 %. After the cooks, different pulp and black liquor properties were analysed. The dissolved xylan was separated from the black liquor by a two-stage ultrafiltration, followed by a two-stage isopropanol precipitation.

It has been found that under increased alkali concentration, similar yields and kappa numbers were obtained as in the reference cooks, but with significantly lower H-factors. The viscosity and beat ability of the high-alkali pulps were however somewhat lower than those of the reference pulps. At kappa number level of 60, high alkali pulps showed a 1 % higher yield of glucomannan and a 1 % lower yield of xylan compared to the reference pulp. Surprisingly, cooking temperature in the range of 145 - 160°C did not significantly affect pulp properties in the case of high-alkali cooks.

Xylan could be quantitatively retained in the retentate of a two-step ultrafiltration (diafiltration) process when using a 50 kDa PES membrane, while 64 % of the lignin in the black liquor sample could be separated and thus recycled back to the black liquor tank. During the precipitation trials of this final retentate, almost 80 % of xylan and more than 70 % of remained lignin could be precipitated separately by a two-stage isopropanol precipitation.

Tässä diplomityössä tutkittiin imeytys- ja keittolipeiden korkean alkalipitoisuuden vaikutuksia havupuusellun valmistuksessa. Jotta saataisiin tasainen alkalipitoisuus koko keittoprosessin ajaksi, työssä muunneltiin syrjäytyseräkeittomenetelmää siten, että lipeäsyöttö oli jatkuvaa. Aiemmat tutkimukset ovat osoittaneet, että korkeammissa alkalikonsentraatiossa männyn (Pinus sylvestris) galaktoglukomannaanin päätepilkkoutuminen hidastuu, kun taas kilpailevan pysäytysreaktion reaktionopeus kasvaa. Samalla kuitenkin ksylaania liukenee enemmän, minkä vuoksi tehtiin kokeita myös liuenneen ksylaanin keräämiseksi mustalipeästä. Mikäli on mahdollista nostaa havupuumassan galaktoglukomannaanisaantoa ja samalla hyödyntää liuennut ksylaani muina tuotteina, keittoprosessin kannattavuus saattaa nousta.

Keittokokeet suoritettiin tätä työtä varten muunnellulla laitteistolla eri lämpötiloissa ja alkalipitoisuuksissa. Vertauskohtana käytettiin massaa, joka keitettiin alkalipitoisuudessa 0,50 M [OH-]. Korkea-alkalisissa keitoissa imeytyslipeän alkalipitoisuus oli 2,00 M ja keittolipeän 1,55 M [OH-]. Sulfiditeetti molemmissa konsentraatioissa oli 33 %. Keittojen jälkeen tutkittiin massan ja mustalipeän eri ominaisuuksia. Mustalipeään liuennut ksylaani eroteltiin kaksivaiheisella ultrasuodatuksella sekä sitä seuranneella isopropanolisaostuksella.

Kun keitoissa käytettiin korkeampaa alkalipitoisuutta, samansuuruiset saannot ja kappaluvut saavutettiin huomattavasti alhaisemmalla H-tekijällä kuin vertailukeitoissa. Korkea-alkalimassojen viskositeetit ja jauhautuvuudet olivat kuitenkin hieman alhaisemmat. Massanäytteiden kappalukujen ollessa suunnilleen 60, korkea-alkalimassojen galaktoglukomannaanisaanto oli noin yhden prosentin korkeampi ja ksylaanisaanto noin yhden prosentin matalampi vertauskohtana käytettyihin massoihin nähden. Kun verrattiin keskenään korkea-alkalisia keittoja, joilla oli sama H-tekijä, keittolämpötilalla välillä 145 - 160 °C ei havaittu olevan merkittäviä vaikutuksia massan ominaisuuksiin.

Ultrasuodatuskokeiden tulokset osoittivat, että käytettäessä 50 kDa PES-kalvoja 64 % mustalipeän sisältämästä ligniinistä voidaan erottaa ja palauttaa mustalipeäsäiliöön ja lähes kaikki ksylaani kerätä lopulliseen retentaattiin. Retentaattinäytteitä saostaessa lähes 80 prosenttia niiden sisältämästä ksylaanista ja yli 70 prosenttia ligniinistä pystyttiin erottamaan.