Ein interdisziplinäres Forschungsteam unter der Leitung von Gregg Beckham, ein Gruppenleiter und leitender Ingenieur aus Nationales Erneuerbare-Energielaboratorium (NREL), hat ein umweltfreundliches Verfahren entwickelt um Biomasse in „Acrylnitril“ umzuwandeln, eine Schlüsselverbindung bei der Herstellung von Kohlenstofffasern.

Die Nachfrage nach Kohlefaser ist erheblich gestiegen, da die Hersteller begonnen haben, nach Möglichkeiten zu suchen, alles leichter zu machen, von Fahrrädern bis hin zu Düsenflugzeugen.

Kohlefaser ist fünfmal stärker als Stahl, doppelt so steif und viel leichter. Dies macht es zu einem idealen Material als Ersatz für schwerere Metalle wie Stahl. Während die Verwendung von Kohlefaser bei der Herstellung von Fahrzeugen diese zwar treibstoffeffizienter macht, ist die Synthese des für die Herstellung von Kohlefaser erforderlichen Acrylnitrils leider mit Prozessen verbunden, die nicht umweltfreundlich sind.

Acrylnitril ist eine Grundchemikalie, die aus Propylen, einem Erdölderivat, in Kombination mit Ammoniak, Sauerstoff und einem komplexen Katalysator synthetisiert wird.

Abgesehen von der Verwendung von Erdölprodukten ist der derzeitige Herstellungsprozess zur Synthese von Acrylnitril schädlich für die Umwelt, da er giftige Nebenprodukte wie Blausäure erzeugt und stark exotherm (Wärme erzeugend) ist. Auch die für die Herstellung von Acrylnitril notwendigen Katalysatoren sind relativ teuer und ihre Wirkmechanismen sind noch nicht gut verstanden.

Genau diese Umwelt- und Finanzprobleme versuchen die Forscher zu lösen. Ihre Forschung hat gezeigt, dass die Konvertierung Lignocellulose-Biomasse – ein wissenschaftlicher Begriff, der sich auf pflanzliches Material bezieht, das aus Zellulose, Hemizellulose und Lignin besteht – in Acrylnitril umzuwandeln, könnte eines Tages ein umweltfreundlicherer und finanziell sinnvollerer Prozess bei der Herstellung von Kohlenstofffasern sein.

Das von den Forschern entwickelte Verfahren besteht darin, Zucker aus pflanzlichen Abfallstoffen zu gewinnen und diese in eine Verbindung umzuwandeln, die als 3-Hydroxypropionsäure oder 3-HP bekannt ist. Für die Nitrilierung wird ein einfacher Katalysator verwendet, der 3-HP in Acrylnitril umwandelt.

Der in diesem Verfahren verwendete Katalysator ist kostengünstiger als der Katalysator, der bei der herkömmlichen Acrylnitrilsynthese verwendet wird. Darüber hinaus erfordert die neue Methode keine Erdölderivate zur Herstellung, Produktion von Blausäure oder zur Erzeugung überschüssiger Wärme, was sie möglicherweise umweltfreundlicher als die herkömmliche Methode macht.

„Wir sehen darin eine potenziell spannende Alternative zur Herstellung von Kohlefasern und anderen Materialien auf Acrylnitrilbasis wie Acrylfasern für Kleidung, LEGOs usw. aus biobasierten Quellen statt aus Erdöl“, sagte Beckham. „Wir sind zuversichtlich, dass die Nitrilierungstechnologie einen alternativen Ansatz mit einigen potenziellen Vorteilen (keine toxischen Nebenprodukte, höhere Ausbeuten und einfachere Katalysatoren) im Vergleich zum heutigen erdölbasierten Verfahren zur Herstellung von Acrylnitril bieten kann.“

Für Stampede1 benötigten die Forscher fast zwei Monate und mehrere Millionen CPU-Stunden. ein Supercomputer, der von der bereitgestellt und gewartet wird Texas Advanced Computing Center an der University of Texas in Austin, zur Veranschaulichung die Chemie dieses neuen katalytischen Prozesses.

„Nach der ersten experimentellen Entdeckung wollten wir diese Arbeit schnell veröffentlichen“, sagte Beckham in einer Erklärung. „Stampede1 bot eine große Bandbreite für die Durchführung dieser teuren, rechenintensiven Berechnungen der Dichtefunktionaltheorie. Es war schnell und leicht verfügbar und einfach eine großartige Maschine, um diese Art von Berechnungen durchzuführen, sodass wir die mechanistische Arbeit in nur wenigen Monaten erledigen konnten.“

Was kommt als nächstes?

Beckham und sein Team planen, ihre Arbeit auszuweiten 50 kg Acrylnitril im Technikumsmaßstab herzustellen. Sie werden dies in Zusammenarbeit mit der Industrie tun, sagte er.

„Das wird es uns ermöglichen, biobasierte Kohlenstofffaserkomponenten zu testen, um zu verstehen, ob die Verunreinigungen im aus Biomasse gewonnenen Acrylnitril wichtige Materialeigenschaften beeinflussen“, sagte Beckham.

Die Forscher wollen ihren Betrieb auch erweitern, indem sie mit dem von ihnen entwickelten Verfahren auch andere Verbindungen als Acrylnitril für industrielle Zwecke herstellen. Sie arbeiten auch an der Entwicklung anderer neuartiger biobasierter Methoden zur Synthese von Acrylnitril.

„Wir versuchen zum Beispiel, Milchsäure (die bereits ein industrielles biobasiertes Produkt ist) anstelle von 3-Hydroxypropionsäure (die sich noch in der Scale-up-Phase befindet) als biologisch abbaubare Zwischenverbindung zu verwenden.“ sagte Beckham.