Please use this identifier to cite or link to this item: http://kb.psu.ac.th/psukb/handle/2016/12462
Title: Characteristics of lignin aerogel from OPEFB black liquor of kraft pulping process
Other Titles: คุณลักษณะของลิกนินแอโรเจลจากแบลคก์ลิกเคอร์ของทะลายปาล์มเปล่าในการผลิตเยื่อด้วยกระบวนการคราฟท์
Authors: Waranyou Sridach
Sidthipong Sathawong
Faculty of Environmental Management (Environmental Management)
คณะการจัดการสิ่งแวดล้อม สาขาวิชาการจัดการสิ่งแวดล้อม
Keywords: Wood-pulp industry Environmental aspects;Kraft paper
Issue Date: 2018
Publisher: Prince of Songkla University
Abstract: Lignin has been potentially used as a raw material to produce lignin based hydrogel and aerogel products. This research reported the procedure to recover and evaluate the lignin obtained from kraft black liquor of oil palm empty fruit bunches. The experimental analyses were conducted to validate the efficiency of isolated lignin, which was received from a kraft-based dissolving pulp production, to produce the lignin-gum hydrogel and aerogel process. The study also described the properties of lignin based hydrogel and aerogel. The optimum condition of the kraft pulping process was explored by the Box and Behnken Design to evaluate the quality of pulp and lignin separation. The mechanical properties of pulp sheets were investigated, including the ring crush index (RCI), tensile index (TI), and bursting index (BI). The quality of kraft pulp was compared to the soda pulp. It was found that the mechanical properties of pulp sheets obtained from the kraft pulp are better than that of pulp sheets obtained from the soda pulp. The pulp sheets from kraft pulping process contributed the higher RCI, TI, and BI which were 0.26 Nm/g, 6.58 Nm/g, and 1.43 kPa.m2/g, respectively. On the other hand, the soda pulp sheets had the RCI, TI, and BI of 0.16 Nm/g, 2.74 Nm/g, and 0.65 kPa.m2/g, respectively. Kraft process is one of the most frequently used methods for the delignification of wood pulping. The large quantities of lignin in black liquor are the unwanted by-product of pulping waste. Normally, the lignin can be precipitated from black liquor by the acidic method. Lignin from the OPEFBs black liquor was precipitated at pH 2, 3 and 4 to determine the optimal condition of lignin separation. The results showed that the isolated lignin from the kraft black liquor of OPEFBS was greater intensity at pH 3. It contributed the highest yield and purity of lignin as 26.02% and 90.35%, respectively. Moreover, acidic pH has effected on the decreasing of chemical oxygen demand (COD) for wastewater with black liquor content. COD reduction was up to 38% at pH 2 and also showed a tendency to decrease the color of wastewater after lignin separation. The properties of isolated lignin were evaluated to consider the possibility of their use as the raw material of lignin-agarose hydrogel. Lignin characteristics have been performed using Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR). The molecular weight distribution of isolated lignin was determined using gel permeation chromatography (GPC). The thermogravimetric analysis (TGA) and the differential scanning calorimetry (DSC) were used to determine the thermal degradation and the glass transition temperature, respectively. The glass transition temperature (T) values of the kraft lignin precipitation at pH 3.0 was the highest (131.81°C). The weight-average molecular weight (Mw), number-average molecular weight (Mn), and molecular weight distribution (polydispersity = Mw/Mn) of the kraft lignin precipitated at pH 3.0 were 1588, 1082, and 1.47, respectively. Lignin-agarose hydrogel was synthesized by using epichlorohydrin as the cross- linking agent. FTIR recognized that the crosslinking between lignin and agarose has happened at the bands of 3416 and 3353 cm1. The vibration peaks of the acetal, 1179-1178 cm1, was occurred in the lignin-based hydrogel. Gel strength of lignin-agarose hydrogel was characterized by texture personal analysis (TPA). The results demonstrated that the gel strength increased with increasing of lignin and ECH in agarose solutions. 5% lignin, 5% agarose and 10 ml ECH contributed the best gel formation and the excellent mechanical properties. Lignin-xanthan gum hydrogel was prepared by chemical crosslinking of epichlorohydrin (ECH). The characteristic peaks of the C-Cl bond (740 cm1) are not present in the XL hydrogel but appear in the FT-IR spectrum of the XL-ECH hydrogel. This is the characteristic of the XL-ECH hydrogel samples. The intensities of the acetal, C-O peak at 1193 cm21, in XL-ECH hydrogel were the main factor that impact on the chemical reaction of -OH group in xanthan gum which had a presence of a crosslinking agent. Lignin based aerogels can be prepared in the different processes including freeze drying and supercritical drying process. The A5L5E10-CPD aerogel obtained from supercritical drying process has the high surface area of 2.43 m2/g with the low density, which has the average pore sizes of 16.49 Å (1.65 nm). However, the aerogel from freeze drying contributed a nanoporous structure and minimize surface area. Finally, the strengths and weaknesses of lignin based aerogel were analyzed. It was found that the important weaknesses of lignin based aerogel is the higher cost of material used to prepare the aerogel, especially agarose. At the same time, the strength of lignin based aerogel is value-added of residual materials from the palm oil industry and the pulp and paper industry. It is also possible to use the aerogels in this research to further develop in the field of medical engineering and pharmaceutical industries in the future.
Abstract(Thai): ลิกนินสามารถนํามาใช้เป็นวัตถุดิบสําหรับการผลิตไฮโดรเจลและแอโรเจล งานวิจัยนี้เป็น การศึกษาวิธีการนําลิกนินที่ได้จากน้ําเสียของกระบวนการผลิตเยื่อคราฟท์จากทะลายปาล์มเปล่าโดยในการ ทดลองได้ดําเนินการตรวจสอบประสิทธิภาพการแยกลิกนินออกจากน้ําดําเพื่อนําไปผลิตเป็นกัม-ลิกนิน ไฮโดรเจลและแอโรเจลอีกทั้งยังมีการศึกษาคุณสมบัติของไฮโดรเจลและแอโรเจลซึ่งมีลิกนินเป็น องค์ประกอบ การหาสภาวะที่เหมาะสมของกระบวนการผลิตเยื่อด้วยวิธีการคราฟท์สามารถทําได้โดย โดยออกแบบการทดลองด้วยวิธีบ็อกซ์และเบห์นเคน (box and behnken design) เพื่อประเมินคุณภาพของเยื่อ และคุณภาพของลิกนินซึ่งแผ่นเยื่อกระดาษที่ผลิตขึ้นจะต้องผ่านการทดสอบสมบัติทางกล เช่น ดัชนีความ ต้านทานแรงกดวงแหวน (ring crush index, RCI) ดัชนีความต้านทานแรงดึง (tensile index, TI) และดัชนี ความต้านทานแรงดันทะลุ (bursting index, BI) ทั้งนี้สมบัติของเยื่อกระดาษที่ผลิตได้จากกระบวนการ คราฟท์จะถูกนํามาเปรียบเทียบกับเยื่อกระดาษที่ผลิตจากกระบวนการโซดา ผลการทดลองแสดงให้เห็นว่า สมบัติทางกลของแผ่นเยื่อกระดาษที่ได้จากกระบวนการคราฟท์ดีกว่าแผ่นเยื่อกระดาษที่ได้จากกระบวนการ โซดาซึ่งแผ่นเยื่อกระดาษที่ได้จากกระบวนการคราฟท์มีค่า RCI, TI และ BI เท่ากับ 0.26 Nm/g, 6.58 Nm/g และ 1.43 kPa.m/g ตามลําดับ ขณะที่แผ่นเยื่อกระดาษที่ได้จากกระบวนการโซดามีค่า RCI, TI และ BI เท่ากับ 0.16 Nm/g, 2.74 Nm/g และ 0.65 kPa.m/g ตามลําดับ กระบวนการคราฟท์เป็นวิธีการหนึ่งที่นิยมนํามาใช้ในการกําจัดลิกนินออกสําหรับ กระบวนการผลิตเยื่อกระดาษซึ่งลิกนินปริมาณที่ละลายปนเปื้อนอยู่ในน้ําดําจัดเป็นของเสียที่ไม่พึงประสงค์ สําหรับกระบวนการผลิตเยื่อ ปกติลิกนินสามารถตกตะกอนแยกออกจากน้ําดําได้ด้วยกรด ดังนั้นจึงทดลอง ปรับค่าความเป็นกรด-ด่างของน้ําดําให้มีค่าเท่ากับ 2, 3 และ 4 เพื่อหาสภาวะที่เหมาะสมในการตกตะกอน แยกลิกนิน ผลการทดลองแสดงให้เห็นว่า คราฟท์ลิกนินของทะลายปาล์มเปล่าจะแยกออกจากน้ําดําได้มาก ที่สุดเมื่อปรับค่าความเป็นกรด-ด่างเท่ากับ 3 โดยจะมีผลผลิตและความบริสุทธิ์ของลิกนินมากที่สุด คือ ร้อย ละ 26.02 และร้อยละ 90.35 ตามลําดับ นอกจากนี้ความเป็นกรดยังมีผลต่อการลดลงของค่า COD ในน้ําเสียที่ มีน้ําดําผสมปนอยู่ โดยพบว่า ค่า COD จะลดลงมากถึงร้อยละ 38 ที่ความเป็นกรด-ด่างเท่ากับ 2 อีกทั้งยังช่วย ลดความเข้มสีของน้ําเสียหลังจากตกตะกอนแยกลึกนั้นออกแล้ว คุณสมบัติของลิกนินที่ตกตะกอนแยกได้จะถูกนําไปประเมินความเป็นไปได้ที่จะนํามาใช้ เป็นวัตถุดิบสําหรับการผลิตลิกนิน-อะกาโรสไฮโดรเจล ซึ่งคุณลักษณะของลิกนินจะถูกตรวจสอบด้วย เครื่อง Fourier transform infrared spectrometer (FTIR) ลักษณะการกระจายตัวของลิกนินตามน้ําหนัก โมเลกุลจะถูกวิเคราะห์ด้วยเครื่อง gel permeation chromatography (GPC) นอกจากนี้ยังมีการนําเครื่อง thermogravimetric analysis (TGA) และเครื่อง differential scanning calorimetry (DSC) มาใช้ในการ วิเคราะห์การเสื่อมสภาพทางความร้อนและอุณหภูมิการเปลี่ยนสถานะจากของแข็งคล้ายแก้วเป็นยืดหยุ่น คล้ายยางของลิกนินที่ตกตะกอนแยกได้ตามลําดับ ซึ่งอุณหภูมิการเปลี่ยนสถานะจากของแข็งคล้ายแก้วเป็น ยืดหยุ่นคล้ายยาง (Tg) ของคราฟท์ลิกนินที่ตกตะกอนที่พีเอช 3 มีค่าสูงที่สุด คือ 131.81 องศาเซลเซียส มี น้ําหนักโมเลกุลเฉลี่ยโดยน้ําหนัก (M) น้ําหนักโมเลกุลเฉลี่ยโดยจํานวนโมเลกุล (M) และการกระจายตัว ของน้ําหนักโมเลกุล (polydispersity = M/M ) มีค่าเท่ากับ 1,588, 1,082 และ 1.47 ตามลําดับ ลิกนิน-อะกาโรสไฮโดรเจลสามารถสังเคราะห์ขึ้นได้โดยใช้อีพิคลอโรไฮดริน (epichlorohydrin, ECH) เป็นสารเชื่อมขวางและจากผลของ FTIR แสดงให้เห็นว่า มีการเชื่อมขวางระหว่าง ลิกนินและอะกาโรสเกิดขึ้นที่ช่วงความยาวคลื่น 3416 และ 3353 cm โดยหมู่ฟังก์ชั่นอะซีทอล (acetal) จะ ปรากฏที่ช่วงความยาวคลื่น 1179-1178 cm ของลิกนินไฮโดรเจล ความแข็งแรงของลิกนิน-อะกาโรส ไฮโดรเจลสามารถทดสอบด้วยการวิเคราะห์เนื้อสัมผัส (texture personal analysis, TPA) ซึ่งค่าความเค้นของ การแตกหักจะมีความสัมพันธ์กับความแน่นเนื้อหรือค่าความแข็งของไฮโดรเจลทั้งนี้ขึ้นอยู่กับความเข้มข้น ขององค์ประกอบภายในไฮโดรเจล จากผลการทดลองแสดงให้เห็นว่า ความแข็งแรงของเจลจะเพิ่มขึ้นเมื่อ เพิ่มปริมาณลิกนินและอีพิคลอโรไฮดรินซึ่งสภาวะการทดลองที่มีปริมาณลิกนินร้อยละ 5 อะกาโรสร้อยละ 5 และอีพิคลอโรไฮดริน 10 มิลลิลิตร จะทําให้ไฮโดรเจลมีคุณสมบัติเชิงกลดีที่สุด ลิกนิน-แซนแทนกัมไฮโดรเจลสามารถเตรียมได้ด้วยการใช้สารเชื่อมขวางเป็นอีพิคลอโร ไฮดริน (epichlorohydrin, ECH) ลักษณะพันธะระหว่างคาร์บอนกับคลอไรด์ (ช่วงความยาวคลื่น 740 cm) จะไม่ปรากฏอยู่ในตัวอย่างลิกนิน-แซนแทนไฮโดรเจลแต่จะปรากฏสเปกตรัมของพันธะนี้ในตัวอย่างลิกนินแซนแทนไฮโดรเจลที่มีอีพิคลอโรไฮดรินเป็นสารเชื่อมขวางซึ่งเป็นคุณลักษณะเฉพาะของตัวอย่างลิกนิน แซนแทนไฮโดรเจลมีอีพิคลอโรไฮดรินเป็นองค์ประกอบ ทั้งนี้ความเข้มข้นของหมู่อะซิทอล (พันธะระหว่าง คาร์บอนกับออกซิเจนที่ความยาวคลื่น 1193 cm) ในไฮโดรเจลที่มีสารเชื่อมขวางจะเป็นปัจจัยหลักที่ส่งผล กระทบต่อปฏิกิริยาเคมีของหมู่ไฮดรอกซิลในแซนแทนกัมซึ่งมีการเติมสารเชื่อมขวาง แอโรเจลซึ่งมีส่วนประกอบของลิกนินสามารถเตรียมได้ด้วยกระบวนการที่แตกต่างกันทั้ง กระบวนการทําแห้งแบบแช่เยือกแข็ง (freeze drying) และการทําแห้งแบบวิกฤตยิ่งยวด (supercritical drying) ตัวอย่างแอโรเจลที่เตรียมจาก A5L5E10-CPD ซึ่งผ่านกระบวนการทําแห้งแบบวิกฤตยิ่งยวดจะมี พื้นที่ผิวมากที่สุด คือ 2.43 mg และมีความหนาแน่นต่ําโดยจะมีขนาดรูพรุนเฉลี่ยเท่ากับ 16.49 อังสตรอม (1.65 นาโนเมตร) อย่างไรก็ตามตัวอย่างแอโรเจลที่ได้จากกระบวนการทําแห้งแบบแช่เยือกแข็งก็ยังคงให้ โครงสร้างที่มีรูพรุนในระดับนาโนเมตรและมีพื้นที่ผิวสูงเช่นเดียวกัน สุดท้ายนี้เมื่อนําแอโรเจลมาวิเคราะห์จุดอ่อนและจุดแข็งพบว่า จุดอ่อนที่สําคัญของ ผลิตภัณฑ์แอโรเจลนี้ คือ วัสดุหลักที่ใช้สําหรับการเตรียมแอโรเจลมีราคาสูงโดยเฉพาะอะกาโรส แต่จุดแข็ง อย่างหนึ่งที่น่าสนใจ คือ มูลค่าเพิ่มของวัสดุเศษเหลือจากอุตสาหกรรมน้ํามันปาล์มและอุตสาหกรรมเยื่อ กระดาษ อีกทั้งมีความเป็นไปได้ในการนําเอาแอโรเจลที่ได้จากงานวิจัยนี้ไปพัฒนาเพื่อใช้ในงานด้าน วิศวกรรมการแพทย์และอุตสาหกรรมยาในอนาคต
Description: Thesis (Ph.D., Environmental Management)--Prince of Songkla University, 2018
URI: http://kb.psu.ac.th/psukb/handle/2016/12462
Appears in Collections:820 Thesis

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
426757.pdf9.78 MBAdobe PDFView/Open


Items in PSU Knowledge Bank are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.