A computational study of a ionic liquid and its ability to dissolve cellulose

Abstract

Oppløsningsmekanismen til en cellulosebunt solvatisert i blandinger av vann, Na+ og OH ble analysert gjennom molekylær dynamikksimulering og sammenlignet med den første i sitt slag simulerte ionisk væske som løsningsmiddel. Den ioniske væsken ble sammenlignet med de velkjente vannbaserte systemene for å bestemme dens oppløsningsevne. Cellulosebunten løses ikke helt opp, uavhengig av sammensetningen av løsningsmidler, men viser tegn til kjedebevegelser som ligner på en initialisert oppløsningsprosess. Bunten i den ioniske væsken viser en stor økning i buntvolum og overflateareal sammenlignet med de vannbaserte systemene. Mer betydelig er de løsrevne kjedeendene som beveger seg tydelig i det ioniske væske systemet, mens som beveger seg knapt i noen av de andre. På grunn av det store kationet i den ioniske væsken er antallet løsningsmidler som absorberes av bunten analysert og viser at størrelsen på kationet ikke er til hinder for eventuell oppløsning. Gjennom umbrella sampling er det bevist at den ioniske væsken er like godt egnet som løsningsmiddel som de allerede kjente vannbaserte systemene, noe som oppsummerer funnet i denne oppgaven.

The dissolution mechanism of a cellulose bundle solvated in mixtures of water, Na+ and OH were analysed through molecular dynamics simulation and compared to a first of its kind simulated ionic liquid as solvent. The ionic liquid was compared to the well know water-based systems to determine its dissolution abilities. The cellulose bundle does not dissolve completely, regardless of the solvents, but shows sign of chain movements which resemble that of an initialised dissolution process. The bundle solvated in ionic liquid shows a large increase in bundle volume and surface area compared to that of the water-based system. More significantly are the detached chain ends movements which is clearly seen in the ionic liquid system but barely in any of the others. Due to the large size of the cation in the ionic liquid is the number of solvents which is absorbed by the bundle analysed and shows that the size of the cation is of no hindrance. Through umbrella sampling is it proven that the ionic liquid is as well suited as a solvent as the water-based ones, which sums up the finding of this thesis.