Katalytische Reaktionen mithilfe nanoskaliger Kanäle
Die Katalyse, bei der eine Verbindung (Katalysator) die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion erhöht, ohne dabei selbst verändert zu werden, ist das Herzstück von unzähligen industriell relevanten chemischen Produktionsprozessen. Im Rahmen des Projekts INCAS (Integration of nanoreactor and multisite catalysis for a sustainable chemical production) haben EU-finanzierte Wissenschaftler einen bahnbrechenden neuen Nanoreaktor und eine Prozesskette entwickelt, um die Durchsatzgeschwindigkeit zu erhöhen, Kosten zu reduzieren und die Sicherheit zu steigern. Das Konzept geht über moderne Mikroreaktoren hinaus, die Mikrokanäle verwenden, um chemische Reaktionen zu beschränken und Geschwindigkeit, Ertrag und Sicherheit zu verbessern. Es verwendet nanoskalige Kanäle und eine geordnete Folge von katalytischen Stellen entlang der axialen Richtung der Kanäle in einer Membran und bietet einen vektoriellen Weg für mehrstellige katalytische Reaktionen. Der neuartige Aufbau ermöglicht eine zehnfache Steigerung der Prozessverstärkung im Vergleich zu herkömmlichen Mikroreaktoren und eine hundert- bis tausendfache Steigerung im Vergleich zu herkömmlichen Reaktoren. Das Verfahren führt zu einer Steigerung von 25 bis 30% bei der Energieeffizienz und damit zu einer deutlichen Verringerung der Kosten. Zusätzlich werden toxischen Reaktanten, die als Folge von Transformationen erzeugt werden, sofort in unschädliche Einheiten umgewandelt, um die Lagerung vollständig zu eliminieren. Der Fokus lag auf einem sicheren Weg zur Herstellung von Diphenylcarbonat (DPC) und auf der Direktsynthese von Wasserstoffperoxid (H2O2) und dessen in situ-Verwendung bei der Propenoxid-Synthese. Beide Reaktionen sind von großer technischer Bedeutung. Die Ergebnisse bestätigten die Anwendbarkeit und die Eignung einer neuen katalytischen Technologie für diese Zielanwendungen und ihr Potenzial für die Verbesserung von Prozessintensivierung, Nachhaltigkeit und Sicherheit. Während die Verfahren für die H2O2-Reaktion weitere Entwicklung und Optimierung erfordern, wurden alle Ziele im Hinblick auf die DPC-Produktion erfüllt. Das Team lieferte eine neue Art eines skalierten Reaktors mit einem sicheren Design, neuartigen aktiven und stabilen Katalysatoren und innovativen katalytischen Nanomembranen. Die Materialien und neuen Prozesskonfigurationen führten zu zwei Patenten. INCAS lieferte wichtige neue Werkzeuge für die Prozessintensivierung und erhöhte die Selektivität durch den Einsatz eines fortschrittlichen, mehrstelligen Entwurfskonzepts. Darüber hinaus erleichtern die Methoden sichere und energieeffiziente Produktionswege. Höherer Ertrag, eine sauberere und ressourceneffiziente Synthese großer Mengen von Chemikalien wird ein Vorteil nicht nur für die Verfahrenswege sein, sondern auch für Anwendungen wie die Produktion feiner Chemikalien und die Umweltsanierung.
Schlüsselbegriffe
Nano, Nanomaßstab, katalytische Reaktoren, chemische Produktion, Nanoreaktoren, Multisite-Katalyse
