Lignin depolymerisation with ultrasonic treatment and fractionation using membrane separation

Abstract

In recent years, there has been an increasing interest in lignin and its applications. However, lignin has mainly been ignored in the pulp and paper industry and being used by burning it as an energy source. The properties of lignin, such as high phenolic content and the ability to limit ultraviolet radiation, have attracted the attention of researchers. In addition, use of lignin in resins and additives has been studied. The objective is to replace applications containing fossil raw materials and harmful chemicals with lignin.

The aim of this thesis is to determine whether ultrasonic processing and membrane separation can be used to produce lignin fractions with smaller molar mass than the original raw material. Ultrasonic processing aims to break the bonds between the monomers of lignin to produce smaller molar masses. The objective of membrane separation is to divide lignin into two fractions with significantly differing molar masses.

Based on the results, lignin was divided into two fractions of different molar masses when ethanol was used as a dispersion medium. The lignin that permeated through the membrane was significantly smaller in molar mass than the original lignin. However, the yield was small, and the process with the equipment used is not cost-effective for lignin separation. Decreasing the ethanol concentration by adding water had the largest effect, resulting in a significant decrease in molar mass distribution. Ultrasonic processing had a greater effect on the particle size of lignin than on the molar mass distributions.

Ligniinin käyttömahdollisuuksia on alettu tutkimaan tarkemmin lähivuosina. Aiemmin ligniini on lähinnä sivuutettu massa- ja paperiteollisuudessa ja poltettu energianlähteenä. Ligniinin ominaisuudet, kuten runsas fenolipitoisuus sekä kyky rajoittaa ultraviolettisäteilyä ovat kiinnittäneet tutkijoiden huomion. Ligniinin käyttöä hartseissa ja lisäaineissa on myös tutkittu. Tutkimusten tavoite on korvata fossiilisia raaka-aineita ja haitallisia kemikaaleja sisältäviä sovelluksia ligniinillä.

Tutkimuksen tavoitteena on selvittää, pystytäänkö ultraäänikäsittelyn ja membraanierotuksen avulla tuottamaan ligniinifraktio, jolla on huomattavasti alkuperäistä raaka-ainetta pienempi moolimassa. Ultraäänikäsittelyllä pyritään katkaisemaan ligniinin monomeerien välisiä sidoksia pienemmän moolimassan tuottamiseksi. Membraanierotuksen tavoite on jakaa ligniini kahteen fraktioon, joiden moolimassat eroavat huomattavasti toisistaan.

Tulosten perusteella ligniini pystyttiin jakamaan kahdeksi erikokoiseksi fraktioksi, kun etanolia käytettiin liuottimena. Membraanin läpi tullut ligniini oli moolimassaltaan huomattavasti pienempää kuin alkuperäinen ligniini. Ligniinin saanto oli kuitenkin pieni, eikä prosessi ole kyseisellä laitteistolla taloudellisesti kannattava ligniinin erottamiseen. Tutkituista parametreista suurin havaittu ero saavutettiin muuttamalla etanolin konsentraatiota ligniinietanoliliuoksessa. Tällöin ultraäänikäsitellyn ligniinin moolimassat pienenivät kaikista eniten verrattuna alkuperäisen ligniinin moolimassaan. Ultraäänikäsittelyllä oli suurempi vaikutus ligniinin partikkelikokoon kuin moolimassaan.