The reactions of carbon dioxide in alkaline media – Lignin recovery from black liquor
No Thumbnail Available
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Chemical Engineering |
Master's thesis
Authors
Date
2025-04-28
Department
Major/Subject
Fibre and Polymer Engineering
Mcode
Degree programme
Master's Programme in Chemical, Biochemical and Materials Engineering
Language
en
Pages
74
Series
Abstract
This thesis investigates the use of carbon dioxide (CO₂) as an acidification agent to precipitate lignin from black liquor, a highly alkaline byproduct of the kraft pulping process. The study aims to understand the behaviour of CO₂ in alkaline envi-ronments and improve the efficiency and control of lignin recovery by adjusting the process parameters. Particular focus is on the relationship between operational parameters and lowering the pH, which is critical for initiating lignin precipitation. A series of experiments were conducted to examine how process variables such as CO₂ flow, black liquor feed rate, reactor pressure, and feed temperature affect the pH lowering rate, CO₂ consumption and chemical composition of the product. The results demonstrated that all of these parameters influence the precipitation process, but CO₂ flow rate and black liquor feed rate had major impact on pH. Increased pressure and temperature generally accelerated the pH decrease. However, medium pressure had the overall best results. Notably, the reactions in black liquor differed from those in pure NaOH systems likely due to the presence of organic matter and other ionic species, which can affect both solubility and reaction pathways. Thus, research using black liquor is essential. It is concluded that CO₂ is a viable and efficient reagent for lignin precipitation, but continuing the optimization offers further benefits. The findings contribute to a bet-ter understanding of CO₂ reactions in complex alkaline media and provide data for improving the lignin recovery processes in industrial applications. Recommenda-tions for future work include filterability, improved gas-liquid dispersion methods and comparative studies using simplified alkaline systems to isolate key reaction mechanisms.Tässä diplomityössä tutkitaan hiilidioksidin (CO₂) käyttöä ligniinin saostamiseen mustalipeästä, sellun valmistuksen emäksisestä sivutuotteesta. Työn tavoitteena on ymmärtää CO₂:n käyttäytymistä emäksisessä ympäristössä ja parantaa ligniinin talteenoton tehokkuutta ja hallittavuutta prosessiparametrien säädön avulla. Erityistä huomiota kiinnitetään prosessiparametrien ja pH:n laskun väliseen suhteeseen, sillä pH:n alenema on kriittinen vaihe ligniinin saostumisessa. Tutkimuksessa suoritettiin kokeita, joissa tarkasteltiin keskeisten prosessimuuttujien vaikutusta pH: laskuun, CO₂:n kulutukseen sekä lopputuotteen kemialliseen koostumukseen. Tarkasteltavat muuttujat olivat CO₂-virtaus, mustalipeän syöttönopeus, reaktorin paine ja syöttölämpötila. Tulokset osoittivat, että kaikki tarkastellut parametrit vaikuttavat saostusprosessiin, mutta erityisesti CO₂-virtaus ja mustalipeän syöttönopeus osoittautuivat merkittäviksi tekijöiksi. Paineen ja lämpötilan nostaminen tehosti pH:n laskua yleisellä tasolla. Keskitason paine johti kuitenkin kokonaisuutena parempiin tuloksiin. Mustalipeässä tapahtuvat reaktiot eroavat selvästi kirjallisuudessa usein käsiteltävän puhtaan NaOH-liuoksen reaktioista orgaanisen aineksen ja muiden ionisten yhdisteiden läsnäolon vuoksi, joten tutkimukset mustalipeällä ovat tärkeitä. Tutkimus osoittaa, että CO₂ on käyttökelpoinen ja tehokas reagenssi ligniinin saos-tamiseen. Tulokset lisäävät ymmärrystä CO₂:n reaktioista monimutkaisessa emäksisessä ympäristössä ja tarjoavat lisätietoa ligniinin talteenottoprosessien ke-hitysmahdollisuuksista teollisessa mittakaavassa. Tulevaisuudessa voidaan tutkia muun muassa suodattuvuutta, kehittää kaasun ja nesteen sekoittamismenetelmiä, sekä suorittaa vertailututkimuksia yksinkertaistetussa emäksisessä ympäristössä keskeisten reaktiomekanismien erottamiseksi.Description
Supervisor
Nypelö, TiinaThesis advisor
Sahlberg, TeppoVirtanen, Pasi
Keywords
carbon dioxide, black liquor, kraft-lignin, lignin precipitation, carbonate, reaction kinetics