Subcritical and Supercritical Water as a Cellulose Solvent

Julkaisun otsikon käännös: Ali- ja ylikriittinen vesi selluloosan liuottimena

Lasse Tolonen

Tutkimustuotos: Doctoral ThesisCollection of Articles

Abstrakti

Selluloosan liukenemattomuus yleisimpiin liuottimiin rajoittaa merkittävästi lignoselluloosan hyötykäyttöä polttoaineiden ja kemikaalien tuotannossa. Viimeisen kahden vuosikymmenen aikana ali- ja ylikriittiseen veteen pohjautuvat prosessit ovat herättäneet kiinnostusta mahdollisina ympäristöystävällisinä vaihtoehtoina selluloosan hydrolyysille. Aiemmat julkaisut viittaavat mahdollisuuteen, että selluloosan liukoisuus veteen kasvaa merkittävästi niin kutsutun kriittisen pisteen läheisyydessä. Tässä työssä tutkittiin mahdollisuutta liuottaa selluloosaa polymeerimuodossa käyttäen ali- tai ylikriittistä vettä, sekä mahdollisuutta ottaa talteen liuenneet polymeerit ilman merkittäviä hajoamisreaktioita. Työssä käytettiin kahta reaktorisysteemiä, joilla mikrokiteistä selluloosaa käsiteltiin 0,2 - 6,0 s ajan 245 - 380 °C lämpötilassa. Liukenematonta selluloosaa analysoitiin pyyhkäisyelektronimikroskoopilla, laajakulmaröntgensirontamenetelmällä sekä kiintoaine NMR menetelmällä. Selluloosapolymeerien depolymerisaatiota tutkittiin viskositeettianalyysillä ja kokoekskluusiokromatografialla; lisäksi depolymerisaatiokäyttäytymistä verrattiin satunnaispilkkutumis- ja päätepilkkoutumismalleihin. Dehydraatio ja fragmentaatio-reaktioita tutkittiin GC-MS, HPAEC-PAD-MS, and ESI-MS/MS menetelmillä. Lisäksi selluloosan liukenemisen Gibbsin energia 400 °C analysoitiin molekyylidynamiikkasimulaatioilla. Tulokset osoittavat, että alikriittinen vesi alle 300-320 °C on heikko liuotin selluloosalle. Tämä käy ilmi liuenneiden selluloosapolymeerien puutteesta sekä siitä ettei liukenemattomista selluloosapartikkeleista löydy merkkejä rakenteen turpoamisesta. Myös depolymerisaatio vaikuttaa rajoittuneen selluloosapartikkelien pinnalle. Selluloosan liukoisuus veteen lisääntyy kuitenkin lämpötilan ylittäessä 300-320 °C. Tällöin osa selluloosan rakenteesta muuttuu selluloosa II muotoon, mikä todennäköisesti aiheutuu veden liuotinominaisuuksien muutoksesta yhdessä samanaikaisen selluloosan depolymerisaation kanssa. Kohonnut liukoisuus liuottaa myös selluloosapolymeerejä, jotka saostuvat normaaliolosuhteissa; samanaikaiset depolymerisaatio-reaktiot kuitenkin rajoittavat merkittävästi saostuneen selluloosan polymerisaatioastetta. Saostuneen selluloosan saanto riippui suuresti lähtöaineena käytetyn mikroselluloosan ominaisuuksista ja vaihteli välillä 0-68%. Liuenneissa selluloosaketjuissa havaittiin huomattavia määriä levuglukosaani- ja erytroosipääteryhmiä. Molekyylidynamiikkasimulaatio osoittivat että selluloosan liukeneminen ylikriittisessä vedessä on termodynaamisesti mahdollista ja lisääntyy veden paineen tai tiheyden kasvaessa. Lisäksi simulaatiot osoittivat selluloosan liukenemisen veteen olevan normaaliolosuhteissa termodynaamisesti epäsuotuisaa.
Julkaisun otsikon käännösAli- ja ylikriittinen vesi selluloosan liuottimena
AlkuperäiskieliEnglanti
PätevyysTohtorintutkinto
Myöntävä instituutio
  • Aalto-yliopisto
Valvoja/neuvonantaja
  • Sixta, Herbert, Vastuuprofessori
  • Kruse, Andrea, Ohjaaja, Ulkoinen henkilö
  • Wohlert, Jakob, Ohjaaja, Ulkoinen henkilö
  • Bergenstråhle-Wohlert, Malin, Ohjaaja, Ulkoinen henkilö
Kustantaja
Painoksen ISBN978-952-60-7024-7
Sähköinen ISBN978-952-60-7025-4
TilaJulkaistu - 2016
OKM-julkaisutyyppiG5 Artikkeliväitöskirja

Tutkimusalat

  • selluloosa
  • alikriittinen vesi
  • ylikriittinen vesi
  • hydrolyysi
  • liukoisuus

Sormenjälki

Sukella tutkimusaiheisiin 'Ali- ja ylikriittinen vesi selluloosan liuottimena'. Ne muodostavat yhdessä ainutlaatuisen sormenjäljen.

Siteeraa tätä