Ionisten nesteiden tehokas kierrättäminen kromatografisen erotuksen avulla

Abstract

Biomassat ovat laajasti saatavilla olevia uusiutuvia resursseja, joiden merkitys kemikaalien ja polttoaineiden valmistuksessa kasvaa jatkuvasti. Puupohjaiset biopolymeerit, kuten selluloosa, hemiselluloosa ja ligniini, on mahdollista muuttaa hyödyllisiksi tuotteiksi joko suoraan funktioimalla polymeerit, tai pilkkomalla ne monomeereiksi ja edelleen jalostamalla tuotteiksi. Selluloosan ja hemiselluloosan hydrolyysissä muodostuu esimerkiksi sokereita, joita voidaan hyödyntää bioetanolin valmistuksessa. Ennen puupohjaisten polymeerin käyttöä niitä täytyy esikäsitellä. Esikäsittelyyn ja hydrolysointiin voidaan käyttää ionisia nesteitä. Ioniset nesteet ovat arvokkaita kemikaaleja, joten ne täytyy puhdistaa hydrolyysituotteista siten, että niitä on mahdollista käyttää uudelleen. Tämän työn tavoitteena oli erottaa ioninen neste (1-etyyli-3-metyyli-imidatsoliumasetaatti) glukoosista kromatografisen erotuksen avulla ja löytää erotukseen sopiva hartsin silloitusaste. Eri silloitusasteisilla hartseilla selvitettiin latausasteen ja virtausnopeuden vaikutus erotukseen. Kokeet tehtiin 50 °C lämpötilassa ja eluenttina käytettiin puhdasta vettä. Analyysimenetelmänä käytettiin HPLC:a. Glukoosin ja ionisen nesteen erotukseen vaikutti kolme pääasiallista mekanismia: ioniekskluusio, kokoekskluusio ja ligand exchange.. Kokeissa käytettiin kolmea eri silloituasteen omaavaa polystyreenidivinyylibentseenirunkoista vahvaa kationinvaihtohartsia (CS16GC, CS11GC, CS9,6GC) sekä yhtä heikkoa polyakrylaattirunkoista kationinvaihtohartsia (CA16GC). Kaikki hartsit olivat [Emim]+ -muodossa. Parhain ionisen nesteen ja glukoosin erotus saatiin CA16GC:llä. Tämä johtui hydrofiilisen glukoosin vahvasta sorptiosta hydrofiiliseen CA -hartsiin ja hydrofobisemman ionisen nesteen heikosta sorptiosta hartsiin. Vahvat kationinvaihtohartsit olivat hydrofobisempia kuin CA -hartsi, minkä johdosta ionisen nesteen ja glukoosin erotus ei ollut läheskään yhtä tehokas kuin heikolla kationinvaihtohartsilla. CA -hartsilla parhaimmat olosuhteet erotukselle olivat virtausnopeus 2 Vpeti/h ja latausaste 10 til-% pedin tilavuudesta.

Biomasses are widely available renewable resources which are increasingly used in fuel and chemical production. Wood-based biopolymers such as cellulose, hemicellulose and lignin can be converted into useful products by functioning the polymers or converting them into monomers. Ionic liquids can be used in pretreatment and hydrolysis of biomasses. When cellulose and hemicellulose are hydrolysed, they are converted into sugars, which can be applied in bioethanol manufacturing. Wood-based polymers need to be pretreated. Ionic liquids are suitable in hydrolysing and pretreating wood-based polymers. Ionic liquids are valuable chemicals, so efficient recycling and recovery is essential. The goal of this study was to separate ionic liquid (1-ethyl-3-methylim-imidazoliumacetate) from glucose with chromatographic separation and to find a suitable crosslinking degree of cation exchange resin for the separation. Separation efficiency was tested with different flowrates and column loads using differently crosslinked resins. Experiments were made in 50 °C and pure water was used as mobile phase. Collected fractions were analysed with HPLC. The separation between glucose and ionic liquid was mainly based in three different mechanisms: ionexclusion, size-exclusion and ligand exchange. Three differently crosslinked polystyrene-divinylvinylbenzene based strong cationexhange resins (CS16GC, CS11GC, CS9,6GC) and one weak polyacrylate based cation exchange resin were tested (CA16GC). All resins were used in [Emim]+ form. The most efficient separation was with CA16GC resin. This was due to the hydrophilic acrylic matrix of this resin. The strong cation exchange resins were more hydrophobic than CA-resin and thus, the separation between ionic liquid and glucose was not as efficient as with the weak cation exchange resin. Most efficient flowrate and column loading for separation with CA-resin were flowrate 2 Vbed/h and column loading 10 % of bed volume.