Identification and quantification of hardwood and softwood ratio from black liquor using online or rapid offline methods

Abstract

Black liquor is often considered a low-value by-product of the pulping process and is typically combusted for energy. However, black liquor contains a significant proportion of lignin, which enhances its potential value and makes it a promising feedstock for highervalue application. The separation of lignin from black liquor, for example by precipitation, involves several challenges related to process parameters, such as the hardwood-softwood ratio in the feedstock.

The objective of this master’s thesis was to identify a suitable online or rapid offline analytical method for determining the composition of black liquor entering the lignin separation process. Several analytical techniques were evaluated, including FTIR, UV-VIS, NMR and Raman spectroscopy as well as Py-GC/MS.

Among the methods investigated, the most promising results were obtained from UV-VIS and NMR spectroscopy. Benchtop NMR spectroscopy enabled accurate determination of the syringyl/guaiacyl (S/G) ratio; however, its application in online monitoring is limited due to extensive sample pretreatment requirements. In contrast, UV-VIS spectroscopy exhibited a trend that can be used to estimate the hardwood proportion in the black liquor. Furthermore, when combined with PLS model, UV-VIS provided accurate and reliable predictions.

Overall, UV-VIS spectroscopy coupled with chemometric modelling is identified as a promising and efficient approach for rapid monitoring of black liquor composition in industrial applications.

Mustalipeä nähdään usein selluteollisuuden vähäarvoisena sivuvirtana, jota hyödynnetään tyypillisesti energian tuotannossa polttamalla. Mustalipeä sisältää kuitenkin merkittävän määrän ligniiniä, mikä lisää mustalipeän arvoa ja tekee siitä kiinnostavan raaka-aineen korkeamman lisäarvon sovelluksia varten. Ligniinin erotus mustalipeästä esimerkiksi saostamalla sisältää kuitenkin haasteita, jotka liittyvät prosessiparametreihin, kuten syötteen lehti- ja havupuun suhteeseen.

Tämän diplomityön tavoitteena oli löytää sopiva online- tai nopea offlineanalyysimenetelmä mustalipeän koostumuksen määrittämiseksi ennen ligniinin erotusprosessia. Tutkimuksessa tarkasteltiin useita analyysimenetelmiä, mukaan lukien FTIR, UV–VIS, NMR ja Raman spektroskopia, sekä Py-GC/MS.

Tutkituista menetelmistä lupaavimmat tulokset saatiin UV–VIS ja NMR spektroskopialla. Pöytämallinen NMR mahdollisti syringyyli/guaiacyyli (S/G) suhteen tarkan määrityksen, mutta sen soveltuvuus online-mittauksiin on rajallinen laajojen näytteen esikäsittely vaatimusten vuoksi. Sen sijaan UV–VIS spektroskopia osoitti selkeän trendin, jonka avulla voidaan arvioida mustalipeän lehtipuuosuutta. Lisäksi UV-VIS yhdistettynä PLS-malliin tuotti tarkkoja ja luotettavia ennusteita.

Kokonaisuudessaan UV-VIS spektroskopia yhdistettynä kemometrisen mallinukseen tunnistettin lupaavaksi ja tehokkaaksi lähestymistavaksi mustalipeän koostumuksen nopeaan seurantaan teollisissa sovelluksissa.