研究为可再生生物质的具有成本竞争力的可持续丙烯腈和碳纤维铺平了道路。

NREL研究除了生产可再生丙烯腈的新方法-复合材料网

图为从左至右分别是Adam Bratis,VioletaSàncheziNogué,Todd Eaton,Gregg Beckham,Vassili Vorotnikov和Eric Karp,他们是NREL团队的一员,致力于通过可再生生物质生产丙烯腈和碳纤维的成本竞争力,可持续发展流程。(摄影:Dennis Schroeder / NREL)

能源部国家可再生能源实验室(NREL)的一项新研究建立了一种使用3-羟基丙酸(3-HP)生产可再生丙烯腈的新型催化方法,该方法可以从糖生物生产。这种混合生物催化方法提供了传统石化生产方法的替代方案,并实现了前所未有的丙烯腈收率。

丙烯腈是一种石油衍生的商品化学品,是化学工业中使用最广泛的单体之一,具有许多商业应用。如今,丙烯腈用于生产地毯,衣服和织物的丙烯酸纤维,以及食品容器和包装材料等塑料。最重要的是,对于这个项目,丙烯腈也是碳纤维复合材料的主要构件,用于汽车和航空运输中的轻量化应用。丙烯腈目前在工业上通过能量密集和化学危险的方法生产。

丙烯价格波动和环境可持续性促使人们寻求使用生物衍生原料如甘油和谷氨酸的替代途径。然而,在成本和产量方面,没有一个能够与传统工艺竞争。现在,新的NREL研究显示了实现这一目标的希望。

最新发表于“科学”杂志的“可再生丙烯腈生产”展示了一条通往具有成本效益的生物基丙烯腈生产工艺的道路。研究人员使用新的强大催化工艺,能够实现98%的丙烯腈收率。仅基于产量,这是一个非常重要的发现:相比之下,经过六十年的商业规模改进和优化,传统的丙烯腈生产工艺实现了约80%-83%的产率。

“高丙烯腈收率使我们能够提出将木质纤维素生物质转化为可再生丙烯腈和碳纤维的潜在工业流程,”NREL集团负责人,该研究的高级作者Gregg Beckham说。“从历史上看,由于与丙烯价格的关系,丙烯腈价格一直在波动。这种替代制造工艺依赖于可再生来源的原料,可以帮助稳定丙烯腈价格并导致碳纤维基材料的更广泛的市场采用。这是轻量化运输应用的重要一步,从而为运输节省了大量成本,同时减少了对环境的影响。“

除了高产量外,这种新方法与目前的石油基丙烯腈生产工艺相比具有多重优势。新工艺消除了氰化氢的产生 - 一种有毒的副产品 - 使用更简单和更便宜的催化剂,并且可以在更简单的反应器配置中完成。此外,这种新的高产率方法可以利用非食品生物质(例如农业废弃物)作为原料代替丙烯。

“我们对这种新型丙烯腈生产化学的前景感到兴奋,最终能够生产可再生碳纤维,”NREL协会实验室主任Adam Bratis和NREL领导的可再生碳纤维联盟的首席研究员表示。这项开创性的研究是化学工程,生物学和计算机模拟研究人员跨学科合作的结果,包括NREL作者Eric Karp,Todd Eaton,VioletaSàncheziNogué和Vassili Vorotnikov,以及NREL,大学的其他贡献者。科罗拉多州博尔德,庄信万丰,以及大西洋中部技术研究与创新中心。

NREL估计新工艺可能使生物质衍生丙烯腈的销售价格低于每磅1美元的纤维素生物质或淀粉基糖。每磅1美元的目标被认为是传统生产丙烯腈的成本竞争力所必需的。

部分由于碳纤维用于轻型车辆和飞机的兴趣,这将节省燃料成本,碳纤维的需求预计每年增加11%至18%。鉴于碳纤维行业对其基础化学丙烯腈的价格波动特别敏感(大约需要2磅丙烯腈才能生成1磅碳纤维),因此显然需要开发替代成本竞争性流程。过去,丙烯价格波动和复合材料生产中的环境可持续性促使人们寻求丙烯氨氧化生产丙烯腈的替代方法。通过这项工作中描述的过程,NREL研究人员向这一目标迈进了一步。

科学报道的工作由能源部的生物能源技术办公室资助。已经就此研究提交了一份国际专利申请,NREL技术转让办公室将与研究人员合作,以确定该技术的潜在被许可人。

NREL是美国能源部可再生能源和能源效率研究与开发的主要国家实验室。NREL由可持续能源联盟有限责任公司为能源部运营。