Microfluidic reactor for the electrochemical oxidation of HMF to FDCA

Abstract

Polimerler üretim ve kullanım kolaylığı açısından sürekli olarak gelişmeye devam ederek vazgeçilmez bir hale gelmektedir. Ancak, ticari olarak üretilen birçok polimerin petrol türevli olması doğal kaynakların azalmasına ve önemli çevresel sorunlara neden olmaktadır. Bu nedenle çevre dostu biyobazlı alternatif polimerlere olan ilgi gün geçtikçe artmaktadır. Biyobazlı bir polimer olan polietilen 2,5-furandikarboksilat (PEF), polietilen tereftalat'a (PET) kıyasla daha gelişmiş bariyer ve mekanik özellikler göstermesi nedeniyle umut verici bir polimer olarak görülmektedir. PEF olarak isimlendirilen bu biyobazlı polimerin monomeri olan 2,5-furan dikarboksilik asit (FDCA) olan 5-(hidroksimetil) furfural'ın (HMF) oksidasyonu ile elde edilebilmektedir. Bu tez elektrokimyasal oksidasyon sisteminin uygulama potansiyeli, ortam pH'sı, sistemde kullanılabilir elektrot ve homojen katalizör (TEMPO) hakkında detaylı bir çalışma sunmaktadır. Belirlenen parametreler tasarlanmış olan mikro-akışkanlı bir elektrokimyasal hücre sistemine entegre edilerek difüzyon yolunun kısalması, yüksek yüzey/hacim oranı ile hızlı enerji ve kütle aktarımının sağlanması amaçlanmıştır. Bu amaç doğrultusunda farklı akış hızlarında (10, 15, and 20 mL/dk) oksidasyon işlemi gerçekleştirilmiştir. Maksimum verim %99,3 olarak minimum sürede 20 mL/dk akış hızında elde edilmiştir. Mikroakışkan sistem tasarımı ile oksidasyon prosesinin sürekliliğinin sağlanması ve optimum sürede yüksek verimin elde edilmesi tez kapsamında hedeflenen sonuca ulaşıldığını göstermektedir.The polymer industry is constantly growing and becoming indispensable due to the ease of production and usage. However, the fact that many commercially produced polymers are derived from petroleum leads a depletion of natural resources and significant environmental problems. As a result, there is a growing increase in the demand for environmentally friendly bio-based polymers as an alternative to conventional plastics. A bio-based polymer called polyethylene 2,5-furan dicarboxylate (PEF) is considered as a promising polymer due to its improved barrier and mechanical properties compared to polyethylene terephthalate (PET). The monomer of PEF is the 2,5-furan dicarboxylic acid (FDCA) which can be obtained by oxidation of bio-based 5-(hydroxymethyl) furfural (HMF). This thesis presents a detailed study of the oxidation potential, usable electrode, ambient pH, and homogeneous catalyst (TEMPO) of the electrochemical oxidation system. The determined parameters have been integrated into a designed microfluidic electrochemical cell system with the aim of shortening the diffusion path, facilitating fast energy and mass transfer, and achieving a high surface-to-volume ratio. In accordance with this purpose, the oxidation process was carried out at different flow rates (10, 15, and 20 mL/min) in a microfluidic reactor. The maximum product yield 99.3% was obtained at a flow rate of 20 mL/min with the minimum time. Ensuring the continuity of the oxidation process with the design of a microfluidic system and achieving high yield in optimal time indicates that the desired result has been achieved within the scope of the thesis.