Katalyse mit hochaciden ionischen Flüssigkeiten im Fallfilmreaktor
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Zusammenfassend ist festzustellen, dass das ursprüngliche Anliegen des Projekts, die kinetische Durchdringung von Mehrphasenreaktionen mit ionischen Flüssigkeiten bedeutend durch den Einsatz eines Fallfilmreaktors voranzubringen, nur in einem begrenzten Umfang realisiert werden konnte. Allerdings konnten eine Reihe sehr interessanter Stoffdaten zu den technisch durchaus relevanten Chloroaluminat-Schmelzen und zum grundsätzlichen Einsatz von Fallfilmreaktoren mit reaktiven Salzfilmen erhalten werden. Insofern ist die wissenschaftliche Ausbeute des Projekts durchaus reichhaltig. Im Nachhinein muss die Auswahl der untersuchten ionischen Flüssigkeit und der betrachteten Beispielreaktion kritisch gesehen werden. Die Auswahl war erfolgt, weil eine Reaktion mit schneller chemischer Kinetik betrachtete werden sollte, zu der bereits umfangreiche Vergleichsdaten aus der flüssig-flüssig-Mehrphasen- und SILP-Katalyse verfügbar waren. Der Wunsch eine schnelle Reaktion zu untersuchen war dadurch getrieben, dass trotz Untersuchung im dünnen Film noch Stofftransporteinflüsse venmessbar sein sollten. Es offenbarten sich jedoch mit den eingesetzten Chloroaluminaten im Fallfilmreaktor eine große Zahl praktischer Schwierigkeiten: Die Flüssigfilme zeigten Benetzungsprobleme, mit den gebildeten Produkten stellte sich je nach ausgewähltem System mehrphasiges Verhalten im Film ein. Zudem erschwerte Feststoffbildung durch Nebenprodukte und die starke Viskositätsänderung beim Einlösen von Gasen oder Produkten die Ausbildung homogener Reaktionsfilme. Zudem waren die reinen Chloroaluminatschmelzen unter den untersuchten Bedingungen so reaktiv, dass das als Alkylierungsmittel eingesetzte Propengas vollständig abreagierte und eine thermodynamische Produktverteilung der Alkylierungsprodukte bereits nach kürzesten Verweilzeiten erhalten wurde. Eine Moderation dieser hohen Aktivität mit Aluminiumalkylen war möglich, allerdings besitzen diese eine gewisse Flüchtigkeit, so dass sich ihr Gehalt im Falllfilm über die Reaktorlänge verändern kann. Alle genannten Aspekte werden zusätzlich durch die extreme Hydrolyselabilität und starke Hygroskopie der Chloroaluminat-Schmelzen überlagert, die zu weiteren Schwierigkeiten in Handhabung und Reproduktion der Versuche führten. Aus heutiger Sicht würden wir für zukünftige Arbeiten zu kinetischen Experimenten mit ionischen Flüssigkeitsfilme im Fallfilmreaktor empfehlen, zunächst auf Modellreaktionen mit einfacheren und robusteren katalytisch-aktiven ionischen Flüssigkeiten zurückzugreifen. Hier würden sich zum Beispiel protisch katalysierte Reaktionen anbieten, wie die Hydratisierung von Alkenen oder Umesterungsreaktionen,. Als ionische Flüssigkeiten würden wir Brönsted-saure Systeme, wie Schmelzen mit Hydrogensulfat- oder Imidazoliumalkylsulfonsäure-Ionen für reizvoll erachten. Leider war wegen der vielfältigen praktischen und apparativen Schwierigkeiten (und durch die dadurch ausgelösten Verzögerung) zu Beginn des Projekts die Untersuchung solcher Alternativsysteme aus zeitlichen Gründen nicht mehr möglich. Die grundlegenden Ergebnisse dieses Projekts legen aber nahe, dass eine solche Fortsetzung der Arbeiten sinnvoll und ertragreich sein könnte.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- "Physical properties of Lewis acid ionic liquids for catalytic propylation of toluene". Poster Euchem (2012), Newport (Wales)
D. Schmitt, F. Tenbrink, P. Wasserscheid
- "Isopropylation of toluene with buffered chloroaluminate ionic liquids using a continuous falling film reactor concept", Poster Jahrestreffen Deutscher Katalytiker (2013), Weimar (Germany)
D. Schmitt, P. Schulz, W. Schwieger, P. Wasserscheid
