Nanozellulose: Weniger Energie für Produktion

Neues Lösungsmittel erleichtert Spaltung für Nanozellulose (Illustration: Andy Sproles, ornl.gov)

Oak Ridge/Orono (pte003/13.09.2024/06:10) - Forscher des vom US-Energieministerium ( https://www.energy.gov/ )finanzierten Oak Ridge National Laboratory ( https://www.ornl.gov/ ) (ORNL) haben jetzt gemeinsam mit anderen US-Forschungseinrichtungen eine Methode zur Senkung des Energiebedarfs bei der Herstellung von Nanofibrillen aus Zellulose um 21 Prozent entwickelt. Virtuell haben die Experten das Verfahren an acht Lösungsmittelkandidaten getestet, um festzustellen, welche sich am besten für die Vorbehandlung von Zellulose eignen, die Spaltung also erleichtern.

Sieger mit drei Komponenten

Die Experten haben Computermodelle verwendet, die das Verhalten der Atome und Moleküle in den Lösungsmitteln und in der Zellulose nachahmen. Auf diese Weise simulierten sie etwa 600.000 Atome, was den Wissenschaftlern ein Verständnis des komplexen Prozesses ermöglichte, ohne dass sie zunächst zeitaufwendige physikalische Arbeiten im Labor durchführen mussten.

"Diese Simulationen, bei denen jedes einzelne Atom und die Kräfte zwischen ihnen betrachtet werden, geben einen detaillierten Einblick nicht nur in die Frage, ob ein Prozess funktioniert, sondern auch, warum er funktioniert", sagt der ORNL-Molekularbiophysiker Jeremy Smith, der das Projekt leitet. Aus diesem Auswahlverfahren ging als Sieger ein Lösungsmittel aus Natriumhydroxid, Harnstoff und Wasser hervor.

Zwei Haushalte profitieren so

Der Einsatz dieses Lösungsmittels hat ein Stromeinsparpotenzial von etwa 780 Kilowattstunden pro Tonne Zellulose-Nanofasern (CNF), was in etwa der Menge entspricht, die für die monatliche Stromversorgung von zwei Haushalten in Deutschland benötigt werden. Tests der damit hergestellten Fasern am Center for Nanophase Materials Science ( https://www.ornl.gov/facility/cnms ) des ORNL und an der University of-Maine ( https://umaine.edu/ ) haben gezeigt, dass diese ähnliche Eigenschaften haben wie klassisch hergestellte CNF.

"Wir haben uns auf den Abtrennungs- und Trocknungsprozess konzentriert, da dies der energieintensivste Schritt bei der Herstellung von Nanocellulosefasern ist", so Monojoy Goswami von der ORNL-Gruppe Carbon and Composites. "Mithilfe dieser Molekulardynamiksimulationen und unserer Hochleistungsrechner waren wir innerhalb von Wochen am Ziel, das wir bei gängigen Versuch-und-Irrtum-Experimenten vielleicht erst nach Jahren erreicht hätten."

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