Projekt 26728/01

H2O2-Direktsynthese mit CO2 als Reaktionsmedium im Membran-Mikroreaktor

Projektdurchführung

DECHEMA-Forschungsinstitut (DFI)
Theodor-Heuss-Allee 25
60486 Frankfurt

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

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 benötigten komplexen organischen Lösungsmittel wenig umweltfreundlich. Die Direktsynthese aus H2 und O2 bietet die Möglichkeit zu einer erheblich effizienteren und nachhaltigeren Herstellung von H2O2. Ziel des Vorhabens ist es durch Einsatz von überkritischem oder flüssigem CO2 als Reaktionsmedium für die Direktsynthese von H2O2 in einem mikrostrukturierten Membranreaktor, ein kompaktes, sicheres, effizientes und umweltfreundliches kontinuierliches Verfahren zur Vor-Ort-Herstellung wässriger H2O2 Lösungen zu entwickeln.


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 außerdem eine erste techno-ökonomische Verfahrensbewertung vorgenommen (Microinnova). Parallel zu Konzeption und Aufbau der Versuchsanlage werden verschiedene Katalysatoren präpariert und unterschiedliche Methoden zu deren Einbringung in die Mikrokanäle erprobt (IMM/DECHEMA). Gleichzeitig werden die Katalysatoren mit verschiedenen Analysenmethoden umfassend charakterisiert (DECHEMA). Im zweiten Jahr wird die Reaktion im Labormaßstab getestet und die Bedingungen dafür optimiert (DECHEMA). Eing-schlossen sind ggf. nötige Anpassungen des Reaktordesigns (IMM). Ausgehend von den experimentellen Ergebnissen wird mit dem Design eines Demonstrationsreaktors begonnen (IMM). Die techno-ökonomische 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 Intensität auch die mathematische Simulation gestützt auf die vorliegenden Messdaten hinzukommt (DECHEMA). Zum anderen wird die Entwicklung des Reaktordesigns für den technischen Einsatz vorangetrieben (IMM), so dass gegen Ende des Vorhabens ein Prototyp gebaut und in Betrieb genommen werden kann (IMM, DECHEMA). Alle Ergebnisse, einschließlich des entwickelten Reaktordesigns, fließen am Ende der Projektlaufzeit in die abschließende Bewertung des Verfahrens ein (Universität Jena).


Ergebnisse und Diskussion

Das Projekt hat gezeigt, dass die Direktsynthese realisierbar ist. Die Ökoeffizienzanalyse der Laboruntersuchungen zeigt, dass bereits jetzt gegenüber den industriell realisierten Verfahren ein Vorteil beim humanen Toxizitätspotential erreicht werden kann. Auch die weiteren Indikatoren sind in Anbetracht der Reife und der langjährigen Durchführung des Anthrachinon-Verfahrens nicht unerreichbar. Als größte Herausforderung zeigt sich die Katalysatorentwicklung für den angestrebten kontinuierlichen Betrieb, da Übertragbarkeit der Selektivität und Aktivität und auch allgemeine Trends zum Zusammenhang der Her-stellungsverfahren nicht übertragbar sind. Bemerkenswert ist die Veränderung der Katalysatoreigen-schaften in der Anfahrphase des Prozesses, die sich nicht durch diskontinuierliche Untersuchungen abdecken lässt. Die Interaktion des Katalysatorsystems mit komprimierten Gasen zeigte ein ähnliches Verhalten, dies gilt insbesondere für Kohlendioxid.

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 Prozessführung. Dies bestätigt auch die Ökoeffizienzanalyse. Dies gilt zum einen für die Wärmeübertragung des exothermen Prozesses, als auch den Zugewinn an Sicherheit durch die getrennte Führung 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 für Mikrostrukturreaktoren zulassen. Dies ist auch für andere Anwendungen von hoher Relevanz.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Während der Laufzeit des Vorhabens wurden die folgende Aktivitäten vorgenommen:
Projektvorstellung und Diskussion bei den wissenschaftlichen Seminaren am DFI, 2009, 2010, 2011
Projektvorstellung und Diskussion bei den DBU-Workshops Novel Process Windows 2009,2011
Projektvorstellung und Diskussion beim Jahrestreffen Reaktionstechnik 2010, 2011, 2012
Projektvorstellung und Diskussion beim ProcessNet Jahrestreffen, 2010,2011
Projektvorstellung und Diskussion bei Industrievertretern: Evonik; Solvay/Rhodia, 2011, 2012
Projektvorstellung und Diskussion bei der IMRET 12, 2012
Projektvorstellung und Diskussion bei der Woche der Umwelt Berlin, 2012.
Publikation: Pashkova, Greiner Towards Small-Scale Continuous Chemical Production: Technology Gaps and Challenges, Chemie Ingenieur Technik (2011) 83/9 1-7.
Manuskript zur Veröffentlichung 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


Fazit

Die Direktsynthese von Wasserstoffperoxid hat ein großes Potential zur Umweltentlastung gegenüber den bestehenden Prozessen. Die Durchführung in mikrostrukturierten Apparaten und die Nutzung von Membrantechnologie ist eine viel versprechende Möglichkeit die Selektivität und Aktivität des Katalysators zu erhalten und die Sicherheit des Prozesses zu gewährleisten. Weitere Arbeiten sollten sich daher mit der Wechselwirkung zwischen Katalysatoren und der technischen Durchführung fokussieren. Die Verwendung von Kohlendioxid als Lösemittel hat ebenfalls Potential für die Prozessführung, da es die Sicherheit erhöht 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.