Recycling of cellulose-dissolving ionic liquids
Mantsinen, Vesa (2018)
Diplomityö
2018
School of Engineering Science, Kemiantekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2018112749297
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2018112749297
Tiivistelmä
Production of wood-based cellulosic textile fibres is currently under intensive research. One of the most promising techniques to produce such fibres is the direct dissolution of cellulose by ionic liquid solvents. A crucial part of the process is solvent recycling, but the lack of viable recycling concepts is currently limiting the commercialisation of the process. The aim of this thesis was to find and develop methods to purify and recycle an ionic liquid in a textile fibre production process called Ioncell-F.
General properties of ionic liquids and basic concept of Ioncell-F were introduced in the literature part of this work. Numerous methods to remove impurities and water from ionic liquids were introduced and compared to each other. Water removal from 1,5-diazabicyclo[4.3.0]non-5-enium acetate ([DBNH][OAc]) solutions was chosen as the main focus in the experimental part and an adsorption-based method was developed.
Several commercial organic and inorganic adsorbents were screened by equilibrium batch experiments. The most suitable adsorbents were chosen for dynamic column experiments. The effect of temperature, particle size, flow rate and regeneration procedure on water removal performance was studied in the dynamic experiments.
It was discovered that only adsorbents with small-enough pores and a very narrow pore size distribution could remove water from [DBNH][OAc] solutions. The separation mechanism was concluded to be size exclusion. Water removal capacity of the studied adsorbents was found to be low for the purpose and frequent regeneration was required. Adsorption kinetics were found to be slow, although improved by higher temperature and smaller particle size.
Further development of the method and exploration of new adsorbents was recommended. On the other hand, the separation mechanism was thought to be applicable for other ionic liquids and processes utilising them. It was also noted that other water removal techniques should be studied because they might be more suitable for Ioncell-F. Puupohjaisten tekstiilikuitujen valmistus on tällä hetkellä kiivaan tutkimuksen kohteena. Yksi lupaavimmista prosesseista tällaisten kuitujen valmistukseen on selluloosan suoraliuotus ionisilla nesteillä. Olennainen osa prosessia on ionisen nesteen tehokas kierrätys, minkä kehitys on kuitenkin vielä kesken. Tämän työn tavoitteena oli tutkia ja kehittää keinoja ionisen nesteen puhdistamiseen ja kierrättämiseen tekstiilikuidun valmistusprosessissa nimeltään Ioncell-F.
Työn kirjallisuusosassa esiteltiin ionisten nesteiden yleisiä ominaisuuksia ja Ioncell-F-prosessin toimintaa. Useita tekniikoita epäpuhtauksien poistamiseen ionisista nesteistä käytiin läpi ja verrattiin toisiinsa. Kokeellisessa osassa keskityttiin vedenpoistoon 1,5-diatsabisyklo[4.3.0]non-5-enium asetaatti ([DBNH][OAc]) -liuoksista ja kehitettiin adsorptioon perustuva vedenpoistomenetelmä.
Useita kaupallisia orgaanisia ja epäorgaanisia adsorbenttejä testattiin tasapainokokeissa. Parhaat adsorbentit valittiin dynaamisiin kolonnikokeisiin. Kolonnikokeissa tutkittiin lämpötilan, partikkelikoon, virtausnopeuden ja adsorbentin regeneroinnin vaikutusta vedenpoistoon.
Ainoastaan adsorbentit, joilla oli riittävän pieni huokoskoko ja erittäin kapea huokoskokojakauma kykenivät poistamaan vettä [DBNH][OAc]-liuoksista. Niinpä vedenpoiston pääteltiin perustuvan kokoekskluusioon. Vaikka osa adsorbenteistä kykeni poistamaan veden käytännössä täydellisesti, niiden kapasiteetti oli tarkoitukseen nähden matala, minkä vuoksi niitä jouduttiin regeneroimaan tiheästi. Adsorption kinetiikka oli myöskin hidasta, joskin lämpötilan nosto ja pienempi partikkelikoko nopeuttivat sitä hieman.
Menetelmän todettiin vaativan lisäkehitystä ja -tutkimusta. Toisaalta erotusmekanismin ajateltiin olevan sovellettavissa myös muihin ionisiin nesteisiin ja niitä hyödyntäviin prosesseihin. Lopuksi todettiin, että myös muita vedenpoistotekniikoita tulisi tutkia, sillä ne saattavaisivat soveltua adsorptiota paremmin Ioncell-F-prosessiin.
General properties of ionic liquids and basic concept of Ioncell-F were introduced in the literature part of this work. Numerous methods to remove impurities and water from ionic liquids were introduced and compared to each other. Water removal from 1,5-diazabicyclo[4.3.0]non-5-enium acetate ([DBNH][OAc]) solutions was chosen as the main focus in the experimental part and an adsorption-based method was developed.
Several commercial organic and inorganic adsorbents were screened by equilibrium batch experiments. The most suitable adsorbents were chosen for dynamic column experiments. The effect of temperature, particle size, flow rate and regeneration procedure on water removal performance was studied in the dynamic experiments.
It was discovered that only adsorbents with small-enough pores and a very narrow pore size distribution could remove water from [DBNH][OAc] solutions. The separation mechanism was concluded to be size exclusion. Water removal capacity of the studied adsorbents was found to be low for the purpose and frequent regeneration was required. Adsorption kinetics were found to be slow, although improved by higher temperature and smaller particle size.
Further development of the method and exploration of new adsorbents was recommended. On the other hand, the separation mechanism was thought to be applicable for other ionic liquids and processes utilising them. It was also noted that other water removal techniques should be studied because they might be more suitable for Ioncell-F.
Työn kirjallisuusosassa esiteltiin ionisten nesteiden yleisiä ominaisuuksia ja Ioncell-F-prosessin toimintaa. Useita tekniikoita epäpuhtauksien poistamiseen ionisista nesteistä käytiin läpi ja verrattiin toisiinsa. Kokeellisessa osassa keskityttiin vedenpoistoon 1,5-diatsabisyklo[4.3.0]non-5-enium asetaatti ([DBNH][OAc]) -liuoksista ja kehitettiin adsorptioon perustuva vedenpoistomenetelmä.
Useita kaupallisia orgaanisia ja epäorgaanisia adsorbenttejä testattiin tasapainokokeissa. Parhaat adsorbentit valittiin dynaamisiin kolonnikokeisiin. Kolonnikokeissa tutkittiin lämpötilan, partikkelikoon, virtausnopeuden ja adsorbentin regeneroinnin vaikutusta vedenpoistoon.
Ainoastaan adsorbentit, joilla oli riittävän pieni huokoskoko ja erittäin kapea huokoskokojakauma kykenivät poistamaan vettä [DBNH][OAc]-liuoksista. Niinpä vedenpoiston pääteltiin perustuvan kokoekskluusioon. Vaikka osa adsorbenteistä kykeni poistamaan veden käytännössä täydellisesti, niiden kapasiteetti oli tarkoitukseen nähden matala, minkä vuoksi niitä jouduttiin regeneroimaan tiheästi. Adsorption kinetiikka oli myöskin hidasta, joskin lämpötilan nosto ja pienempi partikkelikoko nopeuttivat sitä hieman.
Menetelmän todettiin vaativan lisäkehitystä ja -tutkimusta. Toisaalta erotusmekanismin ajateltiin olevan sovellettavissa myös muihin ionisiin nesteisiin ja niitä hyödyntäviin prosesseihin. Lopuksi todettiin, että myös muita vedenpoistotekniikoita tulisi tutkia, sillä ne saattavaisivat soveltua adsorptiota paremmin Ioncell-F-prosessiin.