Avhandlingar

Disputation i Skogsindustriella produktionssystem: Wen Jiang

Avhandlingens titel:

Syrakatalyserad förvätskning av industriella biprodukter för tillverkning av trälim och spånskivor

Forskarutbildningsämne:

Skogsindustriella produktionssystem

Fakultet:

Fakulteten för teknik

Datum:

Onsdag 8 juni 2022 kl 09:00

Plats för disputation:

Hus N, sal N1017, Växjö Det går delta via Zoom, länk publiceras cirka två timmar i förväg

Opponent:

Professor Johannes Konnerth, BOKU - University of Natural Resources and Life Sciences, Österrike

Betygsnämnd:

Dr. Dominika Janiszewska, Wood Technology Institute, Polen
Associate professor Saqib Sohail Toor, Alborg University, Danmark
Coordinator professor, Dr. Bruno Esteves, Polytechnic Institute of Viseu, Portugal

Ordförande:

Professor Johan Bergh, Linnéuniversitetet

Handledare:

Professor Stergios Adamopoulos, Linnéuniversitetet

Biträdande handledare:

Lektor Sheikh Ali Ahmed, Linnéuniversitetet Associate professor Sergej Medved, University of Ljubljana, Slovenien Professor Carsten Mai, Georg-August-Universität Göttingen, Tyskland

Examinator:

Docent Åsa Blom, Linnéuniversitetet

Spikning:

Onsdag 18 maj 2022 kl 14:00 på Universitetsbiblioteket i Växjö

Länk till doktorsavhandlingen i DiVA

Abstract 

Stora mängder rest- och biprodukter produceras årligen från den globala skogs- och jordbrukssektorn, och utgör idag en relativ outforskad förnyelsebar källa. Saknaden av en uppdaterad och systematisk kvantifiering av tillförseln för dessa restprodukter gör att det ofta skickas till deponi, förbränning eller lämnad på arbetsplatsen. Dessa förnyelsebara rest- och biprodukter består huvudsakligen av lignocellulosabaserat material och kan brukas till bränsle, kemikalier eller andra värdeskapande material. Användningen av detta material hindras dock av svårigheten att ur ett tekno-ekonomiskt perspektiv utvinna de värdefulla komponenterna. Det finns olika metoder att omvandla biomassa till bränsle, kemikalier och annat material, såsom termokemisk, biokemisk och fysikalisk omvandling. En ökad oro för negativ miljöpåverkan från direktförbränning av restprodukterna och ett behov att minska oljeberoendet har lyft behovet att öka värdet hos dessa industriella biprodukter i material och kemiska applikationer.

Bland de olika termokemiska omvandlingsmetodern är förvätskning av lignocellulosbaserade råvaror ett effektivt alternativ att omvandla fast biomassa till vätska. Förvätskning som omfattar hydrotermisk förvätskning (HTL) och måttlig syrakatalyserad förvätskning (MACL), är ofta utförd i en vattenhaltig miljö genom att använda ett organiskt lösningsmedel med eller utan katalysator, vid atmosfärisk eller övertryck. En förvätskningsprocess påverkas av flera faktorer såsom typ av material, lösningsmedel, katalysator, tid och temperatur. Alla dessa parameter vid förvätskningen är relaterad till varandra och de påverkar utbytet och egenskaperna hos slutprodukten. Studier där industriella rest- och biprodukter nyttjas till förvätskning har ökat på senare år, och har skapat ett signifikant intresse både från akademin och från industrin.

Detta doktorandarbete har inkluderat en litteraturstudie om förvätskningstekniker där man tillhandahåller förvätskade ingredienser till trälim, följt av experimentellt arbete med MACL och dess optimering av olika industriella biprodukter, som sågspån, bark och havrekli. Förvätskning av dessa råvaror ledde till olika vätskeutbyte beroende på deras olika kemiska sammanställningar. När samma förvätskningsvillkor applicerades hade sågspån det högsta vätskeutbytet medan bark hade det lägsta utbytet. Detta berodde främst på att sågspån har en högre mängd cellulosa och lägre mängd lignin jämfört med bark och havrekli. Efter en optimering av förvätskningen med sågspån, användes den erhållna produkten framgångsrikt i en trälimsformulering. Orenad förvätskad trä- (CLW) och renad förvätskad trä- (PLW) polyoler erhölls från förvätskningen av sågspån med ett högsta vätskeutbyte på 99.7%. Dessa polyoler användes sedan vid syntetiseringen av polyuretan (PU)-lim genom reaktion med difenylmetan diisocyanatpolymerer (pMDI). Bindningsstyrkan och vidhäftningen på träytan av PU-limmet påverkades av den molära kvoten mellan isocyanat gruppen (NCO) i pMDI och hydroxylgruppen (OH) i CLW och PLW. Den högsta bindningsstyrkan hos PU-limmet uppnåddes med en NCO:OH molär kvot på 1.5:1. Den termiska stabiliteten hos PU-limmet förbättrades genom att öka den NCO:OH molära kvoten. PU-lim baserat på CLW och PLW med samma limformulering visade ingen signifikant skillnad i egenskaper medan CLW polyol innehöll mer vatten och alkohol än PLW.

En ny metod kallad partiell förvätskning av lignocellulosbaserad biomassa undersöktes också. Partiell förvätskad bark (PLB) förbereddes och användes för att ersätta träspån i en spånskiva (PB), med eller utan en kommersiell syntetiskt lim, dvs. melamin-urea-formaldehyd (MUF). PLB visade sig ge bra vidhäftning, mekanisk styrka och vattenresistans för ett singel-skikt av PB (spånskiva). De generella egenskaperna hos ett icke-MUF singel-lager av spånskiva var sämre än de MUF-baserade spånskivorna. Ökning av PLB-innehåll upp till 9.5% ledde till förbättrade mekaniska egenskaper hos MUF-baserade spånskivor. PLB tillverkad av bark med en storlek mindre än 2 mm visade bra mekaniska egenskaper hos ett singel-skikt av spånskiva. Dessutom, en tre-skikts spånskiva av PLB och träspån visade jämförbara mekaniska egenskaper som referensskivan tillverkad enbart av träspån, och PLB hade mindre påverkan på de mekaniska egenskaperna hos spånskivan när PLB placerades i de yttre skikten än jämfört med i mitten av skivan. Formaldehydutsläpp från den tre-skikts spånskivan var under E1 gränsvärdet enligt Europastandarden EN 13986:2004 och majoriteten av de lättflyktiga organiska ämnena (VOCs) var karboxylsyror.

Denna forskning innehöll en grundlig genomgång av MACL processen för att omvandla olika lignocellulosabaserade material till värdefulla polymerer och råvaror. Dessa produkter har visat sig vara lämpliga vid syntetisering av trälim och för tillverkning av spånskivor. På grund av doktorandarbetets tidsbegränsning har en fullständig kartläggning av de förvätskade produkterna från de valda råvarorna inte varit möjlig. En sådan studie skulle kunna vara en del av den framtida forskningen i syfte att komplettera vår kunskap om MACL mekanismen.

Nyckelord: Bark, Katalys, Industriell biprodukt, Förvätskning, Havrekli, Optimering, Spånskiva, Polyuretan, Flervärdig alkohol, Trälim, Träsågspån