Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
H2O2 ist ein umweltfreundliches Oxidationsmittel mit breitem Anwendungspotenzial. Der heute dominierende industrielle Prozess zu seiner Herstellung, das Anthrachinon-Verfahren, ist jedoch wegen des hohen Energiebedarfs und der ben\u00f6tigten komplexen organischen L\u00f6sungsmittel wenig umweltfreundlich. Die Direktsynthese aus H2 und O2 bietet die M\u00f6glichkeit zu einer erheblich effizienteren und nachhaltigeren Herstellung von H2O2. Ziel des Vorhabens ist es durch Einsatz von \u00fcberkritischem oder fl\u00fcssigem CO2 als Reaktionsmedium f\u00fcr die Direktsynthese von H2O2 in einem mikrostrukturierten Membranreaktor, ein kompaktes, sicheres, effizientes und umweltfreundliches kontinuierliches Verfahren zur Vor-Ort-Herstellung w\u00e4ssriger H2O2 L\u00f6sungen zu entwickeln.<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDas Vorhaben ist in sechs Arbeitspakete unterteilt und auf drei Jahre angelegt. Im ersten Jahr wird das Design des Laborreaktors entwickelt (IMM), der Reaktor und die Versuchsanlage werden aufgebaut und in Betrieb genommen (DECHEMA). Auf der Basis des Verfahrenskonzeptes wird au\u00dferdem eine erste techno-\u00f6konomische Verfahrensbewertung vorgenommen (Microinnova). Parallel zu Konzeption und Aufbau der Versuchsanlage werden verschiedene Katalysatoren pr\u00e4pariert und unterschiedliche Methoden zu deren Einbringung in die Mikrokan\u00e4le erprobt (IMM\/DECHEMA). Gleichzeitig werden die Katalysatoren mit verschiedenen Analysenmethoden umfassend charakterisiert (DECHEMA). Im zweiten Jahr wird die Reaktion im Laborma\u00dfstab getestet und die Bedingungen daf\u00fcr optimiert (DECHEMA). Eing-schlossen sind ggf. n\u00f6tige Anpassungen des Reaktordesigns (IMM). Ausgehend von den experimentellen Ergebnissen wird mit dem Design eines Demonstrationsreaktors begonnen (IMM). Die techno-\u00f6konomische Bewertung wird unter Einbeziehung der Ergebnisse eines Basic Engineering auf der Basis der Daten aus den Laborexperimenten aktualisiert (Microinnova). Im dritten Jahr werden zum einen die Laboruntersuchungen fortgesetzt, wobei mit steigender Intensit\u00e4t auch die mathematische Simulation gest\u00fctzt auf die vorliegenden Messdaten hinzukommt (DECHEMA). Zum anderen wird die Entwicklung des Reaktordesigns f\u00fcr den technischen Einsatz vorangetrieben (IMM), so dass gegen Ende des Vorhabens ein Prototyp gebaut und in Betrieb genommen werden kann (IMM, DECHEMA). Alle Ergebnisse, einschlie\u00dflich des entwickelten Reaktordesigns, flie\u00dfen am Ende der Projektlaufzeit in die abschlie\u00dfende Bewertung des Verfahrens ein (Universit\u00e4t Jena).<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Das Projekt hat gezeigt, dass die Direktsynthese realisierbar ist. Die \u00d6koeffizienzanalyse der Laboruntersuchungen zeigt, dass bereits jetzt gegen\u00fcber den industriell realisierten Verfahren ein Vorteil beim humanen Toxizit\u00e4tspotential erreicht werden kann. Auch die weiteren Indikatoren sind in Anbetracht der Reife und der langj\u00e4hrigen Durchf\u00fchrung des Anthrachinon-Verfahrens nicht unerreichbar. Als gr\u00f6\u00dfte Herausforderung zeigt sich die Katalysatorentwicklung f\u00fcr den angestrebten kontinuierlichen Betrieb, da \u00dcbertragbarkeit der Selektivit\u00e4t und Aktivit\u00e4t und auch allgemeine Trends zum Zusammenhang der Her-stellungsverfahren nicht \u00fcbertragbar sind. Bemerkenswert ist die Ver\u00e4nderung der Katalysatoreigen-schaften in der Anfahrphase des Prozesses, die sich nicht durch diskontinuierliche Untersuchungen abdecken l\u00e4sst. Die Interaktion des Katalysatorsystems mit komprimierten Gasen zeigte ein \u00e4hnliches Verhalten, dies gilt insbesondere f\u00fcr Kohlendioxid. <\/p>\n
Es wurden einige vielversprechende Katalysatorsysteme identifiziert, mit denen die Machbarkeit erfolgreich demonstriert werden konnte. Die Kombination mit den Methoden zur Mikroreaktionstechnik und die Membrandosierung haben das Potential zu einer alternativen umweltfreundlicheren Prozessf\u00fchrung. Dies best\u00e4tigt auch die \u00d6koeffizienzanalyse. Dies gilt zum einen f\u00fcr die W\u00e4rme\u00fcbertragung des exothermen Prozesses, als auch den Zugewinn an Sicherheit durch die getrennte F\u00fchrung der im Gemisch explosiven Gase Wasserstoff und Sauerstoff. Es konnte ein Testsystem etabliert werden. Auf Basis der Auswahl geeigneter Membranen konnte auch ein Prototyp konzipiert und realisiert werden. Im Rahmen des Projektes konnten weiterhin neuartige Fertigungsprozesse realisiert werden, die neue Geometrien f\u00fcr Mikrostrukturreaktoren zulassen. Dies ist auch f\u00fcr andere Anwendungen von hoher Relevanz.<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
W\u00e4hrend der Laufzeit des Vorhabens wurden die folgende Aktivit\u00e4ten vorgenommen:
\n\tProjektvorstellung und Diskussion bei den wissenschaftlichen Seminaren am DFI, 2009, 2010, 2011
\n\tProjektvorstellung und Diskussion bei den DBU-Workshops Novel Process Windows 2009,2011
\n\tProjektvorstellung und Diskussion beim Jahrestreffen Reaktionstechnik 2010, 2011, 2012
\n\tProjektvorstellung und Diskussion beim ProcessNet Jahrestreffen, 2010,2011
\n\tProjektvorstellung und Diskussion bei Industrievertretern: Evonik; Solvay\/Rhodia, 2011, 2012
\n\tProjektvorstellung und Diskussion bei der IMRET 12, 2012
\n\tProjektvorstellung und Diskussion bei der Woche der Umwelt Berlin, 2012.
\n\tPublikation: Pashkova, Greiner Towards Small-Scale Continuous Chemical Production: Technology Gaps and Challenges, Chemie Ingenieur Technik (2011) 83\/9 1-7.
\n\tManuskript zur Ver\u00f6ffentlichung der Ergebnisse: A.Pashkova, L.Greiner, U.Krtschil, C.Hofmann, R.Zapf, D.Ott, D.Kralisch Direct synthesis of hydrogen peroxide over supported Pd catalysts: turn-ing to dense CO2 as an alternative solvent<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
Die Direktsynthese von Wasserstoffperoxid hat ein gro\u00dfes Potential zur Umweltentlastung gegen\u00fcber den bestehenden Prozessen. Die Durchf\u00fchrung in mikrostrukturierten Apparaten und die Nutzung von Membrantechnologie ist eine viel versprechende M\u00f6glichkeit die Selektivit\u00e4t und Aktivit\u00e4t des Katalysators zu erhalten und die Sicherheit des Prozesses zu gew\u00e4hrleisten. Weitere Arbeiten sollten sich daher mit der Wechselwirkung zwischen Katalysatoren und der technischen Durchf\u00fchrung fokussieren. Die Verwendung von Kohlendioxid als L\u00f6semittel hat ebenfalls Potential f\u00fcr die Prozessf\u00fchrung, da es die Sicherheit erh\u00f6ht und die Aufarbeitung vereinfachen kann. Allerdings hat das Projekt auch gezeigt, dass die Interaktion von Kohlendioxid und Edelmetallkatalysatoren noch nicht verstanden ist und so einer technischen Realisierung entgegensteht.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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