RELATIONEN MELLAN CO 2 OCH CELLULOSA I EN ALKALISK LÖSNING MARIA GUNNARSSON

RELATIONEN MELLAN CO 2 OCH CELLULOSA I EN ALKALISK LÖSNING MARIA GUNNARSSON

AVANCELL Forskningsprogram finansierat av Södra Skogsägarnas forskningsstiftelse Startade 2005 Tredje generationen doktorander LUND UNIVERSITY 2019-02-01 Maria Gunnarsson 2

FORSKNINGSFOKUS Upplösning av cellulosa i ett mer hållbart lösningmedel för produktion av textila fibrer Bild av J. Bengtsson 2019-02-01 Maria Gunnarsson 3

FORSKNINGSFOKUS Fibrer från trä är för korta och tjocka för att spinnas direkt till textila fibrer Vanliga lösningsmedel löser inte cellulosa Lösningsmedlet måste vara enkelt att hantera i en storskalig process Bild av J. Bengtsson 2019-02-01 Maria Gunnarsson 4

UPPLÖSNING I KALL ALKALI Studerat sen tidigt 30-tal 1 Väldigt smalt upplösningfönster 2 Optimalt förhållande vid 8 v-% och -5 C Deprotonering av cellulosan sker i NaOH(aq) 3 2. Sobue H. et al., Physik Chem B, 1939, 43, 309-328. 1. Davidson GF, J Text Inst, 1934, 25, T174-T196. Davidson GF, J Text Inst, 1936, 27, T112-T130. Davidson GF, J Text Inst, 1937, 28, T27-T44. 3. Bialik E et al. The Journal of Physical Chemistry Letters, 2016, 7(24):5044-5048 doi:10.1021/acs.jpclett.6b02346 2019-02-01 Maria Gunnarsson 5

UPPLÖSNING I KALL ALKALI Smalt upplösningsfönster lösningen gelar Additiv så som urea och tiourea både ökar upplösningen och hjälper till att stabilisera lösningen urea tiourea 2019-02-01 Maria Gunnarsson 6

UPPLÖSNING I KALL ALKALI Två typer av gelningsmekanismer: 1) Gelning som en effekt av temperaturhöjning 2) Spontan gelning under upplösningen Kan det finnas externa faktorer som ger spontant gelning? 2019-02-01 Maria Gunnarsson 7

KAN CO 2 FRÅN OMGIVANDE LUFT REAGERA MED CELLULOSA UPPLÖST I KALL ALKALI? CO 2 CO 2 CO 2 EtOH NaOH cellulosa Cellulosakarbonat Cellulosakarbonat Torkning 8 v-% -5 C Organiska karbonater hydrolyseras i vatten men kan bevaras med alkohol 8 8. Franchimont, APN., KNAW Proceedings, 1910, 12, 303. 2019-02-01 Maria Gunnarsson 8

KAN CO 2 FRÅN OMGIVANDE LUFTREAGERAMED CELLULOSAUPPLÖST I KALLALKALI? 8,9 8. Oh, S. Y. et al., Carbohydrate Research, 2002, 340, 417-428. 9. Zhbankov, R.G., Infrared Spectra of Cellulose and its Derivatives, Springer US, Boston, 117-130. 2019-02-01 Maria Gunnarsson Gunnarsson, M.; Theliander, H.; Hasani, M. Cellulose 2017, 24 (6), 2427 2436. 9

KAN CO 2 FRÅN OMGIVANDE LUFT REAGERAMED CELLULOSAUPPLÖST I KALLALKALI? Undersöka reaktionen mellan CO 2 (från gastub) och cellulosa upplöst i kall alkali med hjälp av NMR Methyl α-d-glucopyranoside (MeO-Glcp) som modellsubstans 2019-02-01 Maria Gunnarsson 10

KAN CO 2 FRÅN OMGIVANDE LUFT REAGERA MED CELLULOSA UPPLÖST I KALLALKALI? Identifiera den organiska karbonaten som en ny top vid 150 ppm i 13 C NMR spektrum Utvärdera effekten av att tillsätta CO 2 (från gastub) före eller efter upplösningen av modellsubstansen 2019-02-01 Maria Gunnarsson 11

13 C NMR SPEKTROSKOPI Ingen ny topp vid 150 ppm i NMR spektrumet ingen reaktion mellan modellsubstansen och CO 2? 2019-02-01 Maria Gunnarsson 12

Δ Kemiskt skift jämfört med NaOH(aq) + MeO-Glcp (ppm) 13 C NMR SPEKTROSKOPI Tillsats av CO 2 före upplösning Tillsats av CO 2 efter upplösning Tid (s) 2019-02-01 Maria Gunnarsson 13

13 C NMR SPEKTROSKOPI + CO 2 CO 3 2- Tid (s) 2019-02-01 Maria Gunnarsson 14

13 C NMR SPEKTROSKOPI + CO 2 CO 3 2- Tid (s) 2019-02-01 Maria Gunnarsson Gunnarsson, M.; Bernin, D.; Östlund, Å.; Hasani, M. Green Chem. 2018, 20 (14), 3279 3286. 15

KATALYTISK CYKEL Deprotonerad methyl α-d-glucopyranoside ingår i en katalytisk cykel för att omvandla CO 2 till CO 3 2- Alkylkarbonater kan syntetiseras genom reaktion av CO 2 med en alkohol i NaOH 10,11 Reaktionshastigheten är 6-7 gånger snabbare mellan glyceroxid och CO 2 än mellan OH - and CO 2 12 10. C. Faurholt, Z. Physik Chem B., 1927, 126, 85-104. 11. B. O. Heston, O. C. Dermer and J. A. Woodside, Proc. Okla. Acad. Sci., 1943, 23, 67-68. 12. D. Song and G. T. Rochelle, Chem. Eng. Sci., 2017, 161, 151-158. 2019-02-01 Maria Gunnarsson 16

SAMMANFATTNING CO 2 CO 2 CO CO 2 CO 2 2 CO2 OH - OH - OH - OH - OH - OH - OH - OH - OH - OH - 2019-02-01 Maria Gunnarsson 19

SAMMANFATTNING För industriella applikationer kommer mängden CO 2 som omvandlas till karbonat i systemet vara viktig att kontrollera för att undvika försämrad kvalitét på lösningsmedlet och gelning av den upplösta cellulosan. 2019-02-01 Maria Gunnarsson 20

TACK TILL: Södra Skogsägarnas stiftelse för forskning, utveckling och utbildning för finansiering Alla som varit del av Avancell projektet Mina handledare and medförfattare: Diana Bernin Merima Hasani Åsa Östlund Hans Theliander LUND UNIVERSITY 2019-02-01 Maria Gunnarsson 21

mol CO 2 /mol NaOH AMOUNT OF ABSORBED CO 2 NaOH(aq) + CO 2 NaOH(aq) + CO 2 + MeO-Glcp 0.30 NaOH(aq) + MeO-Glcp + CO 2 0.25 0.20 0.15 0.10 0.05 0 0 20 40 60 80 100 120 140 Time (s) 2019-02-01 Maria Gunnarsson 23