Detaillierte Reaktionskinetik der thermo-katalytischen Direktsynthese von Wasserstoffperoxid in einem CSTR als Grundlage für Scale-up und Prozessbewertung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Jörg Sauer
• Fachliche Zuordnung: Chemische und Thermische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 525028514

H2O2 ist eine Spezialchemikalie mit einer sehr großen Breite an Anwendungen in den Bereichen Wasserbehandlung, Reinigungs-, Bleich und Desinfektionsmittel und der chemischen Industrie. Anders als bei den meisten anderen Spezialchemikalien unterscheiden sich die Anwendungen sehr stark hinsichtlich des Bedarfs je Ort der Anwendung. Das klassische Anthrachinon-Autoxidationsverfahren ist zwar technisch sehr aufwendig und kann nur in sehr komplexen Produktionsanlagen realisiert werden, hat aber den Vorteil, dass die Dosierung von Wasserstoff und Sauerstoff im Prozess räumlich getrennt und nur durch die Arbeitslösung verbunden ist, in der das Anthrachinon gelöst ist. Dies führt zu sehr großen Ausbeuten an H2O2 bezogen auf Wasserstoff (> 95%). Die thermo-katalytische Direktsynthese (t-HP) bietet das Potential, dass die industrielle Umsetzung erheblich weniger aufwendig sein sollte, allerdings stellt die Dosierung von H2 und O2 in einen Reaktor Anforderungen an die Sicherheitstechnik und an das Design von Katalysator und Reaktortechnik. Für die gezielte Entwicklung des Katalysators und des Reaktors ist die genaue Kenntnis, ortsaufgelöste Reaktionskinetik unter stationären und transienten Bedingungen notwendig. Diese Informationen können in einem kontinuierlich betriebenen ideal betriebenen Laborreaktor (CSTR) ermittelt werden. Zu diesem Zweck soll eine am IKFT geplante CSTR-Versuchsanlage für die Untersuchung der t-HP genutzt werden. Aufbauend auf den Versuchsergebnissen im CSTR sollen Ansätze für die Kinetik der t-HP-Reaktion in Zusammenarbeit mit der Gruppe Studt entwickelt und experimentell parametriert werden. Diese Arbeiten dienen als Grundlage für den Vergleich der Kinetik der Reaktionsführung unter Bedingungen der thermo-Katalyse und der Elektrokatalyse. Neben dem Einfluss des Lösungsmittels und des Gehalts an Ionen, sollen Untersuchungen zur Stabilität der Katalysatoren bei unterschiedlichen Reaktionsbedingungen untersucht werden. Die im CSTR ermittelte Reaktionskinetik wird für ein Scale-up des Prozesses auf industriellen Maßstab genutzt. Die im Scale-up gewonnenen Betriebsdaten bilden die Grundlage für techno-ökonomische Analysen (TEA), wie z.B. eine Lebenszyklusanalyse (LCA) der Direktsynthese im Vergleich zum konventionellen AO-Prozess. Diese Arbeiten werden federführend von der Gruppe um Dr. Amit Kumar von der University of Alberta in Zusammenarbeit mit meiner Gruppe durchgeführt. Die Unterschiede in den Rohstoff-, Investitions- und Logistikkosten in Abhängigkeit von Standortfaktoren sind ein interessanter Anwendungsfall für LCA und TEA. Für die Grundlagenforschung zu Katalysatoren und Reaktortechnik der Direktsynthese werden diese Untersuchungen eine wichtige Basis bilden.

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen
• Teilprojekt zu: FOR 5715: Entwicklung gemeinsamer Konzepte in der Thermo- und Elektrokatalyse zur Wasserstoffperoxid-Direktsynthese (HyPerCat)
• Internationaler Bezug: Kanada
• Mitverantwortliche: Dr. Karla Herrera Delgado; Dr. Stephan Pitter
• Kooperationspartner: Professor Amit Kumar, Ph.D.