Lignin recovery from black liquor by membrane based processes

Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Química apresentada à Faculdade de Ciências e TecnologiaExistem inúmeros estudos que confirmaram a relevância da lenhina, bem como das hemiceluloses, e o potencial da sua integração na área das biorrefinarias como fonte de produtos alternativos aos obtidos à base de petróleo. Geralmente, a precipitação é o método mais comum para extrair a lenhina do licor negro, todavia, ultimamente, o interesse no isolamento da lenhina através da tecnologia de membranas tem sido crescente. Este método é capaz de fracionar o licor negro e obter lenhinas com diferentes pesos moleculares, que permitem a sua utilização na síntese de vários produtos de valor acrescentado, como dispersantes, fibras de carbono, carvão ativado, resinas e muitos outros. O trabalho desenvolvido nesta tese tem como principal objetivo avaliar o fracionamento do licor negro de Eucalyptus globulus do processo Kraft por ultrafiltração. A primeira etapa deste trabalho consistiu na precipitação da lenhina por acidificação do licor negro para diferentes condições do processo, nomeadamente o pH e a temperatura. As condições ótimas foram encontradas para um pH de 9,5 a 45 ºC. O precipitado obtido foi estudado por FTIR para avaliar a sua estrutura química. O licor negro kraft foi submetido a um processo de ultrafiltração através de duas membranas cerâmicas tubulares, com MWCO de 5 e 15 kDa, visando a separação de compostos de elevado peso molecular. O efeito das variáveis pressão transmembranar (TMP), a temperatura e o cut-off da membrana foi estudado na rejeição de hemiceluloses, lenhina, sólidos totais (TS), matéria inorgânica e pH. Por último, procedeu-se à concentração do licor negro, tendo sido fixadas as melhores condições de operação encontradas na etapa anterior: 1,25 bar, 70 ºC e a membrana de maior MWCO. Os mesmos parâmetros foram avaliados. Para um volume de redução (VR) de 0,32 foi possível obter um fluxo médio de 22,59 L/m2 h e uma concentração de 100,5 g/L lenhina, 7 g/L de hemiceluloses, que corresponde, respetivamente, a uma rejeição de 39% e 70%. No caso dos TS obteve-se uma concentração de 20,4%, já o conteúdo de inorgânicos e o pH não sofreram alterações significativas. Deste trabalho, é possível concluir que existe efetivamente um potencial para a separação de lenhina e hemiceluloses presentes no licor negro, contudo é necessário a integração de diferentes técnicas baseadas em membranas para isolar a lenhina com um grau de pureza aceitável como produto final.There are many studies that confirm lignin relevance, as well as the hemicelluloses, and the potential of make them as a part of biorefineries area, as an alternative based oil products. Generally, precipitation is recognized as the most common method to extract the lignin from the black liquor, however, lately, the isolation of lignin through the membranes technology has been rising. This method allows to fractionate black liquor and obtaining lignin with different molecular weights, which permit its use in synthesis of many added value products, like dispersants, carbon fibers, activated carbon, resins and much more. The work developed in the present thesis aimed to evaluate the fractionation of Eucalyptus globulus industrial kraft black liquor by ultrafiltration.The first step of the work consisted of lignin precipitation by acidification of black liquor for different process conditions, mainly pH and temperature. The optimal conditions were found for a pH value of 9.5 and temperature of 45ºC. The lignin precipitated was analysed by the technique FTIR to evaluate its chemical structure. The kraft black liquor was processed by ultrafiltration (UF) using two ceramic tubular membranes, with MWCO of 5 and 15 kDa to separate lignin and hemicellulose fractions. The effect of operating variables (transmembrane pressure, temperature and membrane cut-off) was assessed on the process performance. Thus, the fractionation capability of UF membranes was analysed by determining rejection values for hemicelluloses, lignin, total solids (TS) and inorganic fraction, as well as by the pH behaviour. Finally, the black liquor was concentrated using the optimal conditions found on the previous step: 1.25 bar, 70 ºC and MWCO of 15 kDa. The same parameters that define the black liquor composition were evaluated. For a reduction volume of 0.32 it was possible to get an average permeation flux of 22.59 L/m2 h and concentrations of lignin and hemicelluloses in the retentate of 100.5 and 7 g/L, respectively, which correspond to rejection values of 39% and 70%. Regarding the TS, the concentration found was of 20.4% while the inorganic contents and pH did not suffer any significant changes.From this study, it is possible to conclude that effectively exists a potential for splitting lignin and hemicelluloses from the black liquor, however an integration of different based-membrane techniques is required to isolate lignin with an acceptable purity degree as final product