{"id":76775,"date":"2020-08-13T06:41:35","date_gmt":"2020-08-13T04:41:35","guid":{"rendered":"https:\/\/rss.nova-institut.net\/public.php?url=https%3A%2F%2Fwww.chemie.de%2Fnews%2F1167176%2Fionische-fluessigkeit-sprengt-holzfasern-in-wenigen-minuten.html%3FWT.mc_id%3Dca0065%26pk_campaign%3Dca0065"},"modified":"2020-08-11T15:07:40","modified_gmt":"2020-08-11T13:07:40","slug":"ionische-fluessigkeit-sprengt-holzfasern-in-wenigen-minuten","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/ionische-fluessigkeit-sprengt-holzfasern-in-wenigen-minuten\/","title":{"rendered":"Ionische Fl\u00fcssigkeit sprengt Holzfasern in wenigen Minuten"},"content":{"rendered":"

Aus Holz lassen sich hochwertige Biopolymere gewinnen, die fossile Rohstoffe als Ausgangsmaterial f\u00fcr eine Vielzahl von Produkten ersetzen k\u00f6nnten. Dazu sind jedoch mildere Verfahren n\u00f6tig als etwa bei der Zellstoffgewinnung zur Papierherstellung. Sogenannte ionische Fl\u00fcssigkeiten eignen sich, um in einem schonenden ersten Behandlungsschritt Holz aufzuschlie\u00dfen und seine Bestandteile zug\u00e4nglich zu machen f\u00fcr eine weitere Verarbeitung. Dies gelingt bereits im Laborma\u00dfstab, doch die Fl\u00fcssigsalze sind teuer, wodurch sich eine industrielle Nutzung derzeit nicht rentiert. Neue Erkenntnisse von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern des Forschungszentrums J\u00fclich und der RWTH Aachen sollen dabei helfen, den nachhaltigen Prozess zu optimieren und g\u00fcnstiger zu machen. Die Forscher zeigen nun in einem Zeitrafferfilm, wie eine ionische Fl\u00fcssigkeit Holzfasern innerhalb weniger Minuten aufsprengt. Zus\u00e4tzlich kl\u00e4rten sie mithilfe von Neutronenstreuung, was dabei auf Nanometer-Ebene abl\u00e4uft und wo sich der Prozess verbessern l\u00e4sst.<\/strong><\/p>\n

\"Dr.
Dr. Henrich Frielinghaus in der Detektorr\u00f6hre der J\u00fclicher Kleinwinkelstreuanlage KWS-1
Copyright: Andreas Heddergott \/ TUM<\/figcaption><\/figure>\n

Holz ist ein wertvoller Rohstoff und sein Nutzen geht weiter \u00fcber die Herstellung von M\u00f6beln oder Papier hinaus. In dem Pflanzenmaterial finden sich zwei der weltweit h\u00e4ufigsten organischen Verbindungen: Zellulose und Lignin. Die Biomolek\u00fcle besitzen gro\u00dfes Potenzial als nachhaltige Alternative zu fossilen Rohstoffen. Denn aus Zellulose und Lignin lassen sich zahlreiche Grundchemikalien herstellen, wie Zucker oder aromatische Verbindungen. Daraus wiederum k\u00f6nnen hochwertige Produkte entstehen, beispielsweise biologisch abbaubare Kunststoffe, leichte und widerstandsf\u00e4hige Verpackungen, Aromastoffe oder Klebstoffe und Harze, etwa f\u00fcr den Bau von Windturbinen oder Fahrzeugen.<\/p>\n

Zellulose und Lignin in geeigneter, hochwertiger Form aus Holz zu isolieren ist jedoch nicht einfach: Die Molek\u00fcle liegen in Form langer und teils verzweigter Ketten vor, die miteinander verwoben sind und sich kaum in Wasser und anderen \u00fcblichen L\u00f6semitteln l\u00f6sen. Die energie- und wasserintensiven Kochverfahren, die in der Papierherstellung genutzt werden, um Zellulose zu gewinnen, sind vergleichsweise aggressiv und erzeugen Mischungen, die nicht geeignet sind. Sie enthalten zum Teil zu kleine Polymerbausteine, aber auch R\u00fcckst\u00e4nde aus den Kochlaugen und -basen. Wissenschaftler des J\u00fclich Centre for Neutron Science am Forschungszentrum J\u00fclich nahmen deshalb zusammen mit Kollegen an der RWTH Aachen ein nachhaltiges und schonendes Verfahren “unter die Lupe”, und dies im wahrsten Sinne des Wortes.<\/p>\n

Dabei werden ionische Fl\u00fcssigkeiten genutzt, Salze, die sich bei Temperaturen unter etwa 100\u00b0C verfl\u00fcssigen und sowohl polare als auch unpolare Eigenschaften besitzen. Die Fl\u00fcssigkeiten lassen Holz aufquellen und sich teilweise aufl\u00f6sen. Bei einem hauchd\u00fcnnen Schnipsel Buchenholz und der Fl\u00fcssigkeit EMIMAc dauert dies nur wenige Minuten, wie die Forscher mit einem Lichtmikroskop zeigten. Zellulosefasern, Ligninmolek\u00fcle und Hemizellulose sind dann zug\u00e4nglich f\u00fcr weitere Verarbeitungsschritte, etwa durch Enzyme.<\/p>\n

Ionische Fl\u00fcssigkeiten sind teuer, k\u00f6nnen jedoch weitgehend wiederverwendet werden. Durch eine Optimierung etwa der Einweichzeit oder der Temperatur k\u00f6nnte ihr Einsatz g\u00fcnstiger und industriell interessant werden. Um genauer zu verstehen, wie Fl\u00fcssigkeit und Holz wechselwirken, war eine wesentlich leistungsf\u00e4higere Lupe vonn\u00f6ten als ein Lichtmikroskop, die sogenannte Neutronenstreuung. Dabei kamen Neutronen zum Einsatz, Bausteine der Atomkerne, die am Heinz Maier-Leibnitz Zentrum in Garching zu Forschungszwecken produziert werden. Dort betreibt das Forschungszentrum J\u00fclich an seiner Au\u00dfenstelle ein Instrument zur Messung von Strukturen im Nanometer-Bereich.<\/p>\n

An der Neutronenkleinwinkelstreuapparatur KWS-1 verfolgten die Forscher den Prozess erstmals durchgehend und konnten ihn so in einzelne Stadien aufteilen und r\u00e4umlich und zeitlich vermessen. Zun\u00e4chst dringt die ionische Fl\u00fcssigkeit durch Poren und Kan\u00e4le in das trockene Holz ein und benetzt es. Danach beginnt das molekulare Flechtwerk aus Lignin und Zellulose aufzuquellen, was sich an nanometergro\u00dfen L\u00f6chern im Material zeigt. Schlie\u00dflich wird es regelrecht aufgesprengt, wodurch die Fl\u00fcssigkeit weiter vordringen kann. Durch diesen Prozess wird die Zellulose schlie\u00dflich zug\u00e4nglich f\u00fcr Enzyme, die sie in leicht l\u00f6sliche und gut weiterzuverarbeitende, mittelgro\u00dfe sogenannte “Oligomer”-Molek\u00fcle zerlegen k\u00f6nnen. Zudem k\u00f6nnen nun auch das Lignin und weitere Stoffe, wie Hemizellulose, separiert werden.<\/p>\n

“Die Effizienz des Prozesses erwies sich als bereits gut”, berichtet Dr. Henrich Frielinghaus, Instrumentwissenschaftler an der KWS-1. “Aber da wir nun genau wissen, wie lange die einzelnen Stadien dauern, l\u00e4sst sich der Prozess beschleunigen und dadurch g\u00fcnstiger machen. Auch hinsichtlich der Temperatur zeigte sich noch Optimierungspotenzial.” Die Forscher planen als N\u00e4chstes genauer zu untersuchen, welche chemischen Ver\u00e4nderungen w\u00e4hrend des Prozesses ablaufen. Hierzu kombinieren sie Neutronenstreuung mit einer spektroskopischen Methode. J\u00fclicher und Aachener Wissenschaftler erforschen innerhalb der J\u00fclich Aachen Research Alliance \u2013 Sektion JARA-SOFT in einem multidisziplin\u00e4ren Ansatz neben Biopolymeren auch weitere Materialien und Ph\u00e4nomene der sogenannten “Weichen Materie”.<\/p>\n

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