Diffusion and damage during delignification of wood biomass (D4mass)

kth.sePublications KTH

System disruptions

There are recurring service disruptions on some of the search portals due to high traffic. We are working to resolve the issue, you may temporarily encounter an error message.

Simple search

Advanced search -
Research publications Advanced search -
Student theses Statistics

English Svenska Norsk

Change search

ExportLink to record

Permanent link

Direct link

https://kth.diva-portal.org/smash/project.jsf?pid=project:8837

BETA

Project

Project type/Form of grant

Project grant

Title [sv]

Diffusions- och skademekanismer vid avlignifiering av trä

Title [en]

Diffusion and damage during delignification of wood biomass (D4mass)

Abstract [sv]

Användningen av råmaterial från skog är en viktig del i omställningen till ett hållbart och resurseffektivt samhälle. Träd fångar koldioxid från atmosfären och lagrar energi från solen, vilket gör dem till en värdefull resurs i kampen mot klimatförändringar. Som förespråkare för ansvarsfull konsumtion och produktion strävar vi efter att göra det mesta av varje träd som skördas. Den tjockaste delen av stammen används för timmer medan resten av trädet används för att producera cellulosa och lignin. Cellulosa, en komplex kolhydrat, är den primära strukturella komponenten i cellväggar i träd. Det har överlägsen mekanisk styrka och kan användas för att producera papper, kartong och textilier. Lignin fungerar som naturens lim, binder cellulosa tätt och bibehåller cellväggarnas strukturella integritet. Lignin är en värdefull resurs för att producera biobränslen och andra kemikalier. Om du vill lära dig mer om hur träbiomassa används hållbart i Sverige, kolla in en video på YouTube med titeln "En berättelse om svenskt trä."För att producera cellulosa och lignin är det nödvändigt att separera dessa två substanser som är tätt bundna i cellväggarna. Separationsprocessen kallas delignifiering, vilket kan uppnås genom användning av alkaliska kemikalier som bryter ner och fragmenterar ligninmakromolekylerna, så att ligninet diffunderar ut ur cellväggarna.. Sådan kemisk delignifiering är den avgörande steget i sulfatprocessen, som tillämpas i stor utsträckning inom massaindustrin. Med moderna tekniker för kemisk delignifiering är det möjligt att hålla cellväggarna intakta med nästan bara cellulosa kvar. Detta resulterar i delignifierat bulkträ, som behåller sin naturliga porösa struktur istället för att reducera till massa. Delignifierat bulkträ har tillämpningar inom hållbarhet, såsom vattenfiltrering och som elektrolytmaterial för nästa generations batterier. För ökad resurseffektivitet i sulfatprocessen och utveckling av nya tillämpningar är det avgörande med djupförståelse och noggrann modellering av delignifieringen.Kemisk avlignifiering är en trestegsprocess som innefattar diffusion av kemikalier in i cellväggen, kemisk reaktion, och transport av ligninfragment från cellväggen till ytan av träflisbiten. Diffusionen av lignin genom cellväggarna är ofta det långsammaste av de tre stegen, och mycket forskning har ägnats åt att förstå denna process som utgör en flaskhals. När lignin diffunderar ut ur cellväggarna släpper cellulosafibrerna som tidigare hölls samman av lignin. Detta leder till att cellväggarna försvagas, och i vissa fall kan sprickor bildas, fenomenet kallas cellskada. De sprickor som orsakats av lignindiffusion kan ändra riktning på diffusionsprocessen, vilket gör den mycket komplex och svåranalyserad. Därför är det viktigt att förstå både diffusions- och skadefenomenen för att förbättra avlignifieringsprocessen och dess effektivitet.Projektet D4mass är ett samarbete mellan forskare från Uppsala universitet och Chalmers tekniska högskola. Projektets syfte är att studera diffusion och skador under avlignifiering med hjälp av avancerade experimentella och numeriska tekniker. En utav projektets viktigaste metoder är in situ synkrotron-röntgentomografi, som ger en högupplöst bild av utvecklingen av skador i cellväggar under avlignifieringsexperiment. Därefter tillämpas brottmekanikteori för analys av skador, samtidigt som vi kalibrerar ligninets diffusionshastighet genom cellväggarna. Genom analys av korrelation mellan diffusionshastighet och skador kan en modell med syfte att förutsäga diffusion utvecklas och bidra med förståelse för de båda fenomenen.Genom detta projekt kommer vi att tillhandahålla ett verktyg för att simulera och optimera sulfatprocessen, samt för att designa och framställa nya produkter baserade på avlignifierat bulkträ. Därmed hoppas vi bidra till mer resurseffektiva och miljövänliga processer, och på sikt främja målet om ansvarsfull konsumtion och produktion med trämaterial.

Abstract [en]

Delignification is a crucial process in the pulp industry that separates lignin and cellulose, the two biobased raw materials with enormous potential. During this process, the removal of lignin through diffusion is coupled with the accumulation of damage in cell walls, causing cracks and changing the trajectory of diffusion. In order to correctly predict the delignification process, it is necessary to understand the diffusion and damage phenomena and their coupling. By using in situ synchrotron X-ray tomography, we were able for the first time to observe microstructural damage in real time during delignification. But a mechanistic understanding and a quantitative account of the phenomena is still lacking.This project aims to build upon this progress by developing a predictive model that accurately describes the kinetics of delignification at a wood chip level, based on a mechanistic understanding of the coupled diffusion and damage phenomena. To achieve this, we will carry out a quantitative assessment of the damage occurring within cell walls under delignification, and establish a correlation between the damage factor and the effective diffusivity of lignin through cell walls.Our model will be a powerful tool for simulating and optimising the delignification process, increasing resource efficiency in the pulp industry and new applications based on delignified bulk wood. Overall, the project contributes to responsible consumption and production with wood biomass.