Wirbelschichtapparatur
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Katalysatoren sind ein wichtiger Baustein für eine Vielzahl technischer Anwendungen wie der Herstellung von chemischen Produkte, Kunststoffen, Pharmazeutika. Der weltweite Markt für Katalysatoren beträgt mehr als 12 Milliarden € und wächst jährlich mit 4%. 95% aller Produkte der chemischen Industrie kommen während ihrer Herstellung mit mindestens einem Katalysator in Kontakt. Mehr als 80% der Wertschöpfung der chemischen Industrie basiert direkt auf katalytischen Schritten und Verfahren. Am Lehrstuhl CRT der FAU wird intensiv an der Entwicklung neuer Katalysatoren für effizientere technische Prozesse und Energiespeichertechnologien gearbeitet. Zur definierten Herstellung solcher Katalysatoren nutzt der Lehrstuhl die als Forschungsgroßgerät beschaffte Wirbelschichtanlage, in der bis zu 1 kg Katalysator unter Nutzung variabler Beschichtungsparametern hergestellt werden können. Mit dieser Anlage kann die Lücke zwischen der Katalysatorherstellung im Labor und der technischen Katalysatorproduktion der industriellen Partner geschlossen werden und es können entsprechende Produktionsverfahren zur Katalysatorherstellung wissensbasiert entwickelt werden. Das Forschungsgroßgerät wurde bisher vor allem in zwei Projekten des Lehrstuhls eingesetzt: a) der Katalysatorherstellung für die Dehydrierung von Liquid Organic Hydrogen Carrier (LOHC) Systemen und b) der Herstellung von Supported Ionic Liquid Phase (SILP)-Katalysatoren. Die Speicherung erneuerbarer Energien in Form von Elektrolysewasserstoff kann sehr elegant in sogenannten liquid organic hydrogen carrier (LOHC) Molekülen erfolgen, in denen der Wasserstoff durch Hydrierung chemisch gespeichert und mittels Dehydrierung wieder freigesetzt werden kann. Für die Dehydrierung sind aufgrund der Molekülgröße der Wasserstoffspeichermaterialien sehr große Transportporen bzw. kleine Transportwege im Katalysator nötig, um eine effiziente Ausnutzung des Edelmetalls zu gewährleisten. Das LOHC Speichermolekül wird bereits in der äußeren porösen Schale des Katalysators umgesetzt, während im Inneren des Katalysators kaum noch Eduktmoleküle reagieren. Dies macht den Einsatz von Schalenkatalysatoren (engl. egg shell catalysts) nötig, um einen ökonomischen Einsatz der meist teuren aktiven Komponenten (hier in der Regel: Platin auf Aluminiumoxid) zu gewährleisten, die bei Vollkatalysatoren nicht oder nur teilweise genutzt werden können. Durch Variation des Lösungsmittels für den Platin-Präkursor sowie der Imprägnierbedingungen (Temperatur, Imprägnierdauer, Dosierung) konnten in der Wirbelschichtapparatur gezielt Schichtdicken zwischen 60 und 100 µm eingestellt werden. Alle Schalenkatalysatoren konnten reproduzierbar im 300 g Massstab hergestellt werden. Die hergestellten Schalenkatalysatoren erzielten im Vergleich mit kommerziell erhältlichen Katalysatoren leicht verbesserte Resultate in der Dehydrierung des LOHC Speichermoleküls. Außerdem konnte mit Hilfe der gezielt eingestellten Schalendicken wichtige Erkenntnisse zum temperaturabhängigen Wechselspiel von Reaktion und Stofftransport bei der LOHC-Dehydrierung erhalten werden. Eine zweite wichtige Klasse von Katalysatoren, die mit dem Forschungsgroßgerät bearbeitet wurde, sind sogenannte SILP (supported ionic liquid phase) Katalysatoren. Hier werden meist homogene Katalysatorkomplexe in einem dünnen Film nicht flüchtiger ionischer Flüssigkeit gelöst, welcher auf der hohen inneren Oberfläche des porösen Trägers verteilt vorliegt. Dadurch kann ein homogener Katalysator in einer makroskopisch heterogenen Form genutzt werden, z. B. in Festbettreaktoren. Für die Hydroformylierung kurzkettiger Olefine, einer wichtigen Reaktion der chemischen Industrie, wurden bereits erfolgreich SILP Katalysatoren am CRT entwickelt und in der Gasphase getestet. Größere Mengen mit definierter Verteilung der ionischen Flüssigkeit (vollimprägniert vs. Schalenkatalysator) konnten erstmals in der Wirbelschicht des Forschungsgroßgeräts hergestellt werden. Abhängig von den Prozessbedingungen (Temperatur, Lösungsmittel, Strömungsgeschwindigkeit, Düsengeometrie, Dosierung) konnten jeweils 300 g poröser Träger beschichtet werden. Dabei konnten ebenfalls Schalenkatalysatoren hergestellt werden, die es nun ermöglichen, mit deutlich größeren Partikeln (> 1 mm) zu arbeiten. Hier ist der Druckverlust geringer und durch die Verteilung der aktiven Komponente im Randbereich des SILP Katalysators kommt es zu keinen Stofftransportlimitierungen. Die SILP-Schalenkatalysatoren zeigen eine ähnliche Performance wie konventionell hergestellte SILP Katalysatoren in Pulverform. Dies ist einbedeutender Fortschritt auf dem Weg der technischen Nutzung von SILP-Katalysatoren. Aufgrund der hohen Reproduzierbarkeit der Katalysatorherstellung in der Wirbelschichtapparatur sowohl für klassische heterogene (Schalen-)Katalysatoren als auch für Flüssigkeitsfilme auf porösen Trägern (SILP) wird das Forschungsgroßgerät immer dann erfolgreich eingesetzt, wenn Katalysatormengen von größer 200 g hergestellt werden sollen.
