Oxygen delignification is a critical stage in modern kraft pulp production, enabling significant reductions in chlorine-based bleaching chemicals and environmental emissions while maintaining fiber quality. The process remains limited by challenges in efficiency and selectivity, governed jointly by chemical reactions and mass transport constraints. This thesis investigates the interplay between these mechanisms and explores the properties and valorisation potential of oxidized lignin (oxlignin) extracted from oxygen-stage wash liquors. Experimental results demonstrate that lignin removal during oxygen delignification is driven by a combination of rapid early-stage oxidative reactions and diffusion-controlled leaching. High oxygen pressure and sufficient alkalinity promote lignin depolymerization and oxidation, improving selectivity, while insufficient chemical conditions lead to lignin redeposition and cellulose degradation. Upstream factors such as brownstock washing efficiency and storage conditions significantly influenced lignin leaching and pulp quality, highlighting the importance of integrated process control. Oxlignin, isolated from industrial filtrates, differed markedly from conventional kraft lignin, exhibiting higher carboxylic acid content, improved water solubility, and a narrower molecular weight distribution. These properties suggest potential applications as dispersants or additives in biopolymer formulations. Ultrafiltration proved to be a viable approach for fractionating oxlignin. By connecting process optimization with resource valorisation, this work contributes to more sustainable kraft pulp production and supports the development of new lignin-based value streams in future biorefineries.

Syrgasdelignifiering är ett viktigt steg i modern sulfatmassaproduktion och möjliggör en betydande minskning av klorbaserade blekkemikalier och miljöutsläpp samtidigt som fiberkvaliteten bibehålls. Trots att processen är väl etablerad finns begränsningar i effektivitet och selektivitet, vilka påverkas av både kemiska reaktioner och masstransportfenomen. Denna avhandling undersöker samspelet mellan dessa faktorer samt utforskar egenskaperna och värdepotentialen hos oxiderat lignin (oxlignin) som extraherats från tvättvätskor i syrgassteget. Studierna visar att ligninavlägsnandet styrs av en kombination av oxidativa reaktioner och diffusionsbegränsningar. Faktorer uppströms, såsom massatvätt och lagringsförhållanden, påverkar lakning av lignin och massakvalitet, vilket understryker vikten av integrerad processkontroll. Oxlignin, isolerat från industriella tvättvätskor, uppvisade tydliga skillnader jämfört med konventionella svartlutslignin, högre halt av karboxylsyror, förbättrad vattenlöslighet och mer homogen molekylviktsfördelning. Dessa egenskaper innebär potential för användning som till exempel dispergeringsmedel. Ultrafiltrering visades vara en möjlig metod för fraktionering av oxlignin. Genom att koppla processoptimering till resursvärdering bidrar detta arbete till en mer hållbar massaproduktion och utveckling av nya värdeflöden i bioraffinaderier.

Brownstock washing is a critical unit operation in kraft pulping, responsible for removing dissolved lignin and other organic materials from the pulp prior to further delignification and bleaching. In the process, effective brownstock washing improves pulp quality and reduces chemical consumption, leading to better environmental and economic outcomes. A persistent challenge in modern kraft mills is lignin redeposition during washing, particularly under liquor recycling and process closure conditions. This work provides a mechanistic understanding of lignin removal, transport, and redeposition during brownstock washing of softwood kraft pulp. The work examines how physicochemical conditions, including liquor composition, ionic strength, pH, alkali addition, divalent cations, and storage conditions (storage time and temperature), significantly influence lignin diffusion, particularly in higher molecular weight lignin fractions. A combination of laboratory-scale washing experiments, filtrate analysis, pulp characterization, and lignin leaching studies was employed to isolate and examine these coupled mechanisms. The results demonstrate that lignin removal is frequently limited by diffusion from the fibre wall and that the stability of dissolved lignin is strongly influenced by ionic strength and ion-specific effects. Sulfate rich, high ionic strength liquors promote lignin aggregation and redeposition, whereas elevated pH and controlled alkali addition enhance lignin solubility and reduce redeposition within defined limits. Storage time and temperature were shown to significantly affect lignin diffusion, particularly for higher molecular weight lignin fractions. Overall, this work indicates that brownstock washing is governed by the interplay among diffusion-controlled transport, the thermodynamic stability of dissolved lignin, and surface-driven redeposition phenomena. The mechanistic insights gained provide a basis for optimizing washing strategies, reducing lignin carryover, and improving the sustainability and efficiency of kraft pulping operations.

Tvättning av blåsledningsmassa är en kritisk enhetsoperation i sulfatmassaframställning och avlägsnar lösligt lignin och andra organiska ämnen från massan före vidare delignifiering och blekning. En effektiv tvättning förbättrar massakvalitet och minskar kemikalieförbrukning, vilket bidrar till bättre miljömässiga och ekonomiska resultat. En utmaning i moderna kraftmassafabriker är ligninåteravsättning under tvättning, särskilt under förhållanden med lutåtervinning, processlutning och hög jonstyrka. Detta arbete ger en mekanistisk förståelse för ligninborttagning, transport och återavsättning vid tvättning av barrblåsledningsmassa. Studien undersöker hur fysikalisk-kemiska parametrar – inklusive lutsammansättning, jonstyrka, pH, alkalitillsats, tvåvärda katjoner samt lagringsförhållanden (lagringstid och temperatur) – påverkar lignindiffusion, särskilt för ligninfraktioner med högre molekylvikt, samt stabiliteten hos löst lignin i tvättvätskan och lignin– fiberyteinteraktioner. En kombination av tvättexperiment i laboratorieskala, filtratanalys, massakarakterisering och ligninlakningsstudier användes för att isolera och undersöka dessa samverkande mekanismer. Resultaten visar att ligninborttagning ofta är begränsad av diffusion från fiberväggen och att stabiliteten hos löst lignin påverkas starkt av jonstyrka och jonspecifika effekter. Sulfatrika lösningar med hög jonstyrka främjar ligninaggregering och återavsättning, medan förhöjt pH och kontrollerad alkalitillsats ökar ligninets löslighet och minskar återavsättning inom definierade gränser. Lagringstid och temperatur visade sig ha en signifikant effekt på lignindiffusionen, särskilt för ligninfraktioner med högre molekylvikt. Sammanfattningsvis visar detta arbete att tvättning av blåsledningsmassa styrs av samspelet mellan diffusionskontrollerad transport, termodynamisk stabilitet hos löst lignin samt ytdrivna återdeponeringsfenomen. De mekanistiska insikterna som erhållits utgör en grund för att optimera tvättstrategier, minska ligninåteravsättning samt förbättra hållbarhet och effektivitet i sulfatmassaframställning.