Ratkaisuja selluteollisuudelle tai litiumpariston sidosaineeksi? Perustutkimusta syväeutektisista liuottimista

Riina Häkkinen on kemian väitöskirjassaan tarkastellut uusia, ympäristöystävällisempiä liuotinmenetelmiä, joita voitaisiin hyödyntää muun muassa biomassan fraktioinnissa, paristoissa tai yleisesti öljypohjaisten kemikaalien korvaajiksi. Väitöstilaisuus oli Helsingin yliopistossa 28.2.2020.

Järkevä luonnonvarojen hyödyntäminen ja vihreämpien teknologioiden kehittäminen ovat tällä hetkellä kovassa nousussa. Erityisesti selluloosaa, joka on luonnon yleisin polymeeri, on käytetty monissa sovelluskohteissa, mutta selluloosan liukenemattomuus moniin liuottimiin rajoittaa sen hyödyntämistä. Nykyiset käytössä olevat menetelmät eivät ole ympäristöystävällisiä, ja niiden käyttöä vaikeuttaa monet muut ongelmat. Uusia menetelmiä kehitellään jatkuvasti, ja eräs uusista tehokkaista selluloosan sekä muun biomassan liuottajista ovat ioniset nesteet.

– Valitettavasti monet ioniset nesteet eivät kuitenkaan täytä vihreän kemian kriteerejä, sillä useimmat niistä ovat myrkyllisiä sekä hyvin kalliita, sanoo VTT:llä tutkijana työskentelevä Riina Häkkinen.

Syväeutektiset liuottimet eli tuttavallisemmin DES:it (engl. Deep Eutectic Solvent) ovat ovat uudenlaisia liuottimia moniin käyttökohteisiin sekä hyvin samankaltaisia kuin ioniset nesteet, mutta koostuvat kahdesta edullisesta ja usein myös biohajoavasta lähtöaineesta. Vahva vetysitoutuminen lähtöaineiden välillä mahdollistaa seoksen alhaisen sulamispisteen. Tunnetuin esimerkki on ”Reliini” eli koliinikloridin ja urean seos moolisuhteessa 1:2. Reliini on neste, jonka sulamispiste on 12 °C, mikä on huomattavasti alhaisempi kuin korkean sulamispisteen omaavat lähtöaineet koliinikloridi (302 °C) ja urea (133 °C). Vaikka ioniset nesteet ja syväeutektiset liuottimet ovat ominaisuuksiltaan samankaltaisia, ioniset nesteet pystyvät liuottamaan selluloosaa, mutta syväeutektiset liuottimet erittäin huonosti. Siten väitöskirjassa on tarkasteltu myös näiden liuottimien välisiä eroavaisuuksia.

Riina Häkkinen keskittyi väitöstutkimuksessaan hiilihydraattien ja syväeutektisten liuottimien välisten vuorovaikutuksien ymmärtämiseen sekä aineiden faasikäyttäytymiseen kyseisissä liuottimissa. Tutkimuksessa perehdyttiin myös uuden syväeutektisen liuottimen fysikaalis-kemikaalisten ominaisuuksien analysointiin sekä ominaisuuksien räätälöimiseen lähtöaineiden mooliosuuksia, vesipitoisuutta sekä lämpötilaa vaihtelemalla. Myös selluloosan liukoisuutta kyseiseen liuottimeen tutkittiin. Lisäksi syväeutektisten liuottimien erikoislaatuisia ominaisuuksia on hyödynnetty täysin uudessa käyttökohteessa: litiumionipariston sidosaineena.

Syväeutektiset liuottimet ovat lupaavia liuottimia, mutta isoja kysymyksiä on vielä ratkaisematta, ennen niiden teollisista käyttöönottoa. Suurimpana haasteena on liuosten vaikea kierrätettävyys ja korkeahko viskositeetti. Myös liuosten happamuus saattaa aiheuttaa ongelmia erityisesti hiilihydraattien parissa. Lisätutkimusta aiheeseen kaivataan, jotta syväeutektiset liuottimet tulisivat laajempaan käyttöön.

Lisätietoja:

Tutkija Riina Häkkinen, riina.hakkinen@vtt.fi, +358 40 1502642

Väitöskirja sähköisenä: Riina Häkkinen, Carbohydrates in Deep Eutectic Solvents 28.2.2020