Một Thay Thế Sợi Carbon 'xanh' Cho Nhiên Liệu Hóa Thạch

Một nhóm nghiên cứu đa ngành do Gregg Beckham, một trưởng nhóm và kỹ sư cao cấp từ các Phòng thí nghiệm năng lượng tái tạo quốc gia (NREL), có phát triển một quá trình thân thiện với môi trường để biến đổi sinh khối thành "acrylonitrile", một hợp chất chìa khóa trong việc sản xuất sợi cacbon.

Nhu cầu về sợi cacbon đã tăng lên đáng kể do các nhà sản xuất đã bắt đầu tìm kiếm cách làm sáng tất cả mọi thứ từ xe đạp đến máy bay phản lực.

Sợi carbon gấp 5 lần thép, cứng gấp đôi, và nhẹ hơn. Điều này làm cho nó trở thành vật liệu lý tưởng để thay thế cho các kim loại nặng hơn như thép. Thật không may, mặc dù việc sử dụng sợi cacbon trong các xe sản xuất làm cho chúng tiết kiệm nhiên liệu hơn, tổng hợp acrylonitril cần thiết để sản xuất sợi cacbon liên quan đến các quy trình không thân thiện với môi trường.

Acrylonitrile là một hóa chất hàng hoá, được tổng hợp bằng cách sử dụng propylen, một dẫn xuất dầu mỏ, kết hợp với ammonia, oxy, và một chất xúc tác phức tạp.

Ngoài việc sử dụng các sản phẩm dầu mỏ, quá trình sản xuất hiện tại được sử dụng để tổng hợp acrylonitrile gây hại cho môi trường bởi vì nó tạo ra các sản phẩm phụ độc hại như hydrogen cyanide và có khả năng chịu nhiệt cao. Các chất xúc tác cần thiết cho sản xuất acrylonitrile cũng tương đối đắt và cơ chế hoạt động của chúng vẫn chưa được hiểu rõ.

Những mối quan tâm về môi trường và tài chính chính là những vấn đề mà các nhà nghiên cứu đang cố gắng giải quyết. Nghiên cứu của họ đã chỉ ra rằng chuyển đổi sinh khối lignocellulosic - một thuật ngữ khoa học liên quan đến các vật chất thực vật được tạo thành từ cellulose, hemicellulose và lignin thành acrylonitrile có thể ngày nào đó sẽ trở thành một quá trình lành mạnh về môi trường và tài chính trong việc sản xuất sợi cacbon.

Quá trình do các nhà nghiên cứu phát triển bao gồm việc lấy đường từ các chất thải thực vật và chuyển đổi chúng thành một hợp chất được gọi là axit 3-hydroxypropionic, hoặc 3-HP. Một chất xúc tác đơn giản được sử dụng để thực hiện quá trình nitrat hóa, chuyển đổi 3-HP thành acrylonitril.

Chất xúc tác được sử dụng trong quá trình này ít tốn kém hơn chất xúc tác được sử dụng trong tổng hợp acrylonitrile truyền thống. Ngoài ra, phương pháp mới không yêu cầu các dẫn xuất dầu mỏ để sản xuất, sản xuất hydrogen cyanide hoặc tạo ra nhiệt quá mức, làm cho nó có khả năng thân thiện với môi trường hơn so với phương pháp truyền thống.

Beckham cho biết: "Chúng tôi cho rằng đây là một lựa chọn thay thế cho việc sản xuất sợi cacbon và các vật liệu dựa trên acrylonitril khác như các loại sợi acrylic cho quần áo, lego, vv, từ nguồn gốc sinh học thay vì dầu mỏ. "Chúng tôi hy vọng rằng công nghệ nitrilation có thể đưa ra cách tiếp cận thay thế với một số lợi ích tiềm tàng (không có sản phẩm phụ độc hại, sản lượng cao hơn, và các chất xúc tác đơn giản hơn) liên quan đến quá trình sản xuất dầu hỏa acrylonitrile ngày nay."

Các nhà nghiên cứu mất gần hai tháng và vài triệu giờ CPU trên Stampede1, một siêu máy tính được triển khai và duy trì bởi Trung tâm Máy Tính Tiên Tiến Texas tại Đại học Texas ở Austin, để minh hoạ hóa học của quá trình xúc tác mới này.

"Sau khi phát hiện thử nghiệm ban đầu, chúng tôi muốn có được công việc này ra nhanh chóng", Beckham nói trong một tuyên bố. "Stampede1 cung cấp rất nhiều băng thông để thực hiện các tính toán lý thuyết hàm lượng mật độ cao, tốn kém tính toán. Nó đã được nhanh chóng và sẵn có và chỉ là một máy tuyệt vời để làm những loại tính toán trên, cho phép chúng tôi quay lại công việc cơ khí chỉ trong vài tháng. "

Cái gì tiếp theo?

Beckham và đội của ông dự định mở rộng công việc của mình để sản xuất 50 kg acrylonitrile ở quy mô thí điểm. Họ sẽ làm điều này trong sự hợp tác với ngành công nghiệp, ông nói.

Beckham cho biết: "Điều đó sẽ cho phép chúng tôi kiểm tra thành phần sợi carbon sinh học để hiểu được liệu các tạp chất trong acrylonitrile có nguồn gốc từ sinh khối sẽ ảnh hưởng đến đặc tính vật liệu quan trọng hay không.

Các nhà nghiên cứu cũng muốn mở rộng hoạt động của họ bằng cách sử dụng quá trình họ phát triển để sản xuất các hợp chất khác ngoài acrylonitril cho các ứng dụng công nghiệp. Họ cũng đang làm việc để phát triển các phương tiện sinh học mới dựa trên cơ sở tổng hợp acrylonitrile.

"Ví dụ, chúng tôi đang cố gắng sử dụng axit lactic (đã là một sản phẩm dựa trên sinh học công nghiệp) thay vì axit 3-hydroxypropionic (vẫn đang trong giai đoạn mở rộng) như là một hợp chất trung gian có thể được sinh ra từ phương pháp sinh học" Beckham nói.