Team udvikler en ny metode til fremstilling af vedvarende acrylonitril

En ny undersøgelse fra Energy Department's National Renewable Energy Laboratory (NREL) etablerer en ny katalytisk metode til fremstilling af vedvarende acrylonitril ved hjælp af 3-hydroxypropionsyre (3-HP), som biologisk kan fremstilles af sukker. Denne hybrid biologisk-katalytiske proces tilbyder et alternativ til den konventionelle petrokemiske produktionsmetode og opnår hidtil usete acrylonitriludbytter.

Acrylonitril, et råstofkemisk råstofkemikalie, er en af ​​de mest anvendte monomerer i den kemiske industri med mange kommercielle anvendelser. I dag, acrylonitril bruges til fremstilling af acrylfibre til tæpper, tøj, og tekstiler, og i plast, såsom madbeholdere, og emballagematerialer. Vigtigst for dette projekt, acrylonitril er også den primære byggesten i kulfiberkompositter, som bruges til lette applikationer inden for bil- og lufttransport. Acrylonitril fremstilles i dag industrielt via en energiintensiv og kemisk farlig proces. En gruppe mennesker står midt i laboratorieudstyr.

På billedet fra venstre mod højre ses Adam Bratis, Violeta Sànchez i Nogué, Todd Eaton, Gregg Beckham, Vassili Vorotnikov, og Eric Karp, del af NREL-teamet, der arbejder på en konkurrencedygtig, bæredygtig proces til fremstilling af acrylonitril og kulfiber fra vedvarende biomasse. (Foto af Dennis Schroeder / NREL)

Propylenprisvolatilitet og miljømæssig bæredygtighed har motiveret en søgning efter alternative veje ved hjælp af bioafledte råvarer som glycerol og glutaminsyre. Alligevel har ingen været i stand til at konkurrere med den traditionelle proces med hensyn til omkostninger og udbytte. Nu, ny NREL -forskning viser løfte om at nå dette mål.

Nyligt udgivet i Videnskab , "Vedvarende acrylonitrilproduktion" viser en vej mod en omkostningseffektiv, biobaseret acrylonitril fremstillingsproces. Forskere var i stand til at opnå et 98% udbytte af acrylonitril ved hjælp af en ny, robust katalytisk proces. Baseret på udbytter alene, dette er en meget vigtig opdagelse:til sammenligning efter seks årtiers kommercielle forbedringer og optimering, den traditionelle acrylonitrilproduktionsproces opnår udbytter på cirka 80%-83%.

"Det høje acrylonitriludbytte giver os mulighed for at foreslå en potentiel industriel proces til omdannelse af lignocellulosisk biomasse til vedvarende acrylonitril og kulfiber, "sagde Gregg Beckham, gruppeleder på NREL og seniorforfatter af undersøgelsen. "Historisk set priserne på acrylonitril har været volatile på grund af forbindelser til propylenpriser. Denne alternative fremstillingsproces, en, der er afhængig af vedvarende råvarer, kunne hjælpe med at stabilisere acrylonitrilpriser og føre til en bredere markedsadoption af kulfiberbaserede materialer. Dette er et vigtigt skridt fremad for lette transportapplikationer, hvilket skaber betydelige omkostningsbesparelser ved transport, såvel som at reducere vores indvirkning på miljøet. "

Udover de høje udbytter, denne nye tilgang har flere fordele i forhold til den nuværende oliebaserede acrylonitrilproduktionsproces. Den nye proces eliminerer produktionen af ​​hydrogencyanid - et giftigt biprodukt - bruger en enklere og billigere katalysator, og kunne gøres i en enklere reaktorkonfiguration. I øvrigt, denne nye højydelsesproces kan udnytte ikke-fødevarebiomasse, såsom landbrugsaffald, som råstof i stedet for propylen.

"Vi er begejstrede over udsigterne for denne nye kemi for acrylonitrilproduktion til i sidste ende at muliggøre produktion af vedvarende kulfiber, "sagde NREL-associeret laboratoriedirektør Adam Bratis og hovedforsker ved det NREL-ledede Renewable Carbon Fiber Consortium. Denne banebrydende forskning er resultatet af et tværfagligt samarbejde mellem forskere på tværs af kemiteknik, biologi, og beregningsmodellering herunder NREL -forfattere Eric Karp, Todd Eaton, Violeta Sànchez i Nogué, og Vassili Vorotnikov, samt andre bidragydere fra NREL, University of Colorado Boulder, Johnson Matthey, og den midatlantiske teknologi, Forsknings- og innovationscenter.

NREL vurderer, at den nye proces kan sætte salgsprisen for biomasse-afledt acrylonitril under 1 dollar pr. Pund fra cellulosebiomasse eller stivelsesbaserede sukkerarter. Et mål på $ 1 pr. Pund blev anset for nødvendigt for omkostningskonkurrenceevnen med konventionelt produceret acrylonitril.

Drevet delvist af interessen i at bruge kulfiber til lette køretøjer og fly, der vil spare penge på brændstofomkostninger, efterspørgslen efter kulfiber forventes at stige 11% til 18% årligt. Og i betragtning af at kulfiberindustrien er særlig følsom over for prissvingninger i deres basiske kemiske acrylonitril (det tager cirka 2 pund acrylonitril at generere 1 pund kulfiber), der er et klart behov for at udvikle alternative omkostningskonkurrencedygtige processer. I fortiden, propylenprisvolatilitet og miljømæssig bæredygtighed inden for kompositproduktion har motiveret søgningen efter alternative metoder til propylenamoxidation til fremstilling af acrylonitril. Med processen beskrevet i dette arbejde, NREL -forskere er et skridt tættere på dette mål.