Towards Sustainable Electrochemical Acidification of Kraft Black Liquor for Lignin Extraction: Proof of Concept, Control of Membrane Fouling and Yield Enhancement

La baisse de la demande en produits traditionnels issus des pâtes et papiers, la concurrence des économies émergentes, les fluctuations du prix du pétrole et les moyens d'incitations envers les produits verts ont poussé l'industrie des pâtes et papiers (P & P) à développer de nouveaux produits issus des composants du bois. La transformation de cette industrie, plus particulièrement des usines Kraft, en bioraffineries forestières intégrées (IFBR) est considérée comme une alternative efficace en vue d'augmenter les revenus des usines et de diversifier de façon durable leur portefeuille de produits. Le procédé Kraft est la technique de production de pâtes et papier la plus répandue au monde. Dans la plupart de ces usines, environ 50% des composants du bois (pour la plupart les hémicelluloses et la lignine) sont dissouts dans un courant résiduel appelé liqueur noire (LN) et sont brûlés dans la chaudière de l'usine afin de produire de la vapeur, de l'électricité et de régénérer les produits chimiques utilisés dans le procédé. Par convention, lorsqu'une bioraffinerie forestière est intégrée à une usine, les composants du bois sont séparés du courant de pâte et sont transformés en produits biosourcés à valeur ajoutée. Plus précisément, la lignine extraite peut être utilisée comme biocarburant ou comme précurseur à une vaste gamme de dérivés phénoliques. De plus, l'extraction de la lignine peut augmenter la capacité de l'usine Kraft en faisant diminuer la charge de sa chaudière. Ce doctorat fait partie d'un projet d'étude plus large évaluant le potentiel de l'implémentation d'une bioraffinerie traitant la lignine dans des usines Kraft existante afin d'augmenter leurs revenus, diversifier leur portefeuille, et les rendre durables sur le long terme. Par conséquent, l'objectif principal de cette thèse était d'identifier, de concevoir et de développer une méthode efficace et écologique d'acidification de la liqueur noire pour l'extraction de la lignine (qui peut être une alternative intéressante à la technique d'extraction par acidification) et finalement de l'intégrer dans une usine Kraft existante. L'acidification électrochimique de la LN Kraft par électrodialyse avec membrane bipolaire (EDBM) a été sélectionnée en ce sens comme une voie technologique prometteuse et durable. L'objectif principal de ce projet de recherche a été de valider le concept, d'éliminer les défauts du procédé, et d'en améliorer les performances afin de le rendre réalisable à grande échelle. La première étape de cette recherche pionnière a été de mener une étude de faisabilité technique afin de déterminer les avantages et les limites de la méthode d'acidification électrochimi. Les résultats en découlant ont indiqué que l'acidification de la LN par la technique d'EDBM requiert une consommation significativement moindre en produits chimiques par-rapport à l'acidification par voie chimique. Cependant, l'encrassement de la membrane échangeuse d'ions (IEM) en affecte défavorablement les performances. Nous avons trouvé que la protonation des groupes acides de la lignine résulte en une formation de lignine colloïdale déstabilisée puis en amas de lignine sur la surface des IEM. L'objectif de la seconde phase était d'éliminer l'encrassamrnt de la membrane, d'améliorer la performance du procédé au moyen d'une sélection des IEM les plus fiables disponibles à l'échelle commerciale, et d'améliorer les conditions opératoires du procédé d'EDBM. Les résultats expérimentaux ont mis en évidence que changer le type d'IEM ne permet pas d'atténuer le phénomène d'encrassement et qu'un cycle de nettoyage chimique était nécessaire. De plus, il fut démontré que la composition chimique de la LN ainsi que la température d'opération et les paramètres hydrodynamiques peuvent substantiellement améliorer l'efficacité et la consommation en énergie du système d'EDBM tout en retardant l'encrassement des IEM. La phase finale mit l'emphase sur l'amélioration du rendement en intensifiant le procédé d'acidification électrochimi. La mise en place d'une étape de nettoyage en ligne au moyen d'un champ électrique pulsé pourrait supprimer l'encrassement de la membrane, intensifier l'étape d'acidification et augmenter l'efficacité du procédé jusqu'à 80%. Sur la base des résultats prometteurs présentés dans cette thèse, nous avons conclu que l'application du procédé d'acidification électrochimi par d'EDBM a réduit de manière substantielle la consommation en produits chimiques et la génération d'effluents. De plus, la production in situ de coproduits pouvant être valorisés, tels que la soude caustique, peuvent faire du procédé d'EDBM une opération unitaire écologique et rentable au sein d'une bioraffinerie forestière intégrée à une usine.

Abstract

Decreasing demand of traditional pulp and paper products, competition from emerging economies and oil price volatility as well as incentives for green products encouraged the pulp and paper industry to look for novel products made from wood components. Transformation of the pulp and paper industry and particularly Kraft pulping mills into integrated forest biorefinery (IFBR) is considered as an effective alternative to increase the revenue of the mills and substantially diversify their product portfolio. Kraft process is the dominant pulp and paper production method worldwide. In most of the conventional Kraft pulping mills around 50% of the wood components (mainly hemicellulose and lignin) are dissolved in a residual stream called black liquor (BL) and combusted in the recovery boiler to produce steam, electricity and re-generate the cooking chemicals. By contrast, in an IFBR plant wood constituents are separated from the pulp stream and transformed into value-added bio-based products. In particular, extracted lignin can be used as biofuels or as a precursor to a vast phenolic platform of chemical pathways. Furthermore, lignin extraction can increase the capacity of the Kraft mill by decreasing the load of its recovery boiler. This PhD project was part of a broader research study which evaluates the possibility of lignin biorefinery implementation in existing Kraft pulping mills to improve their revenue, diversify their portfolio and make them sustainable in the long term. Therefore, the main objective of this thesis was to identify, design and develop an efficient and eco-friendly BL acidification method for lignin extraction which can be an attractive alternative to the chemical acidification technique and eventually integrated into an existing Kraft pulping mill. To this end, electrochemical acidification of the Kraft BL via electrodialysis with bipolar membrane (EDBM) was selected as a promising and sustainable pathway. The main focus of this research was to validate the concept, eliminate the process drawbacks and enhance the performance of the EDBM process in order to make it practically feasible for a large scale implementation. As the first step for conducting this pioneering research, a technical feasibility study was carried out to address the advantages and limitations of the electrochemical acidification method. The results of this feasibility study indicated that the acidification of the Kraft BL via the EDBM technique required a significantly less chemicals versus the chemical acidification approach. However, fouling of the ion exchange membranes (IEM) adversely affected its performance. It was found that the protonation of the lignin phenolic groups resulted in formation of destabilized colloidal lignin and eventually produced lignin clusters on the surface of the IEMs. The focus of the second phase was to eliminate the membrane fouling and enhance the performance of the process by means of screening the most reliable and commercially available IEMs as well as improving the operational conditions of the EDBM process. The experimental results implied that changing the type of the IEMs could not mitigate the fouling phenomenon and a chemical cleaning cycle was inevitable. In addition, it was demonstrated that BL chemical composition as well as operational temperature and hydrodynamics parameters could substantially improve the current efficiency and energy consumption of the EDBM system and postpone the fouling of the IEMs. Yield enhancement by intensifying the electrochemical acidification process was the main intention of the final phase. Implementation of an in-line cleaning step by means of pulsed electric field application could successfully suppress the membrane fouling, intensify the acidification step and enhance the process efficiency up to 80%. On the basis of the promising results presented in this thesis, it was concluded that application of the electrochemical acidification process via the EDBM method substantially reduced the chemical consumption and effluent generation. Furthermore, an in situ production of a valuable side product i.e. caustic soda can make the EDBM process an eco-efficient and profitable operational unit inside the IFBR plant.