Einfluss funktioneller Gruppen auf die Oxidation von aromatischen Strukturen
Energieverfahrenstechnik
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In Anbetracht des ständig steigenden weltweiten Energiebedarfs ist die Reduzierung der Verbrennung fossiler Brennstoffe eine der größten Herausforderungen dieses Jahrhunderts. Die Verbesserung der Verbrennungssysteme und die Ersetzung konventioneller Kraftstoffe durch nachhaltige Energieträger können dazu beitragen, dieses Ziel zu erreichen. In diesem Zusammenhang können biobasierte Komponenten, d.h. sauerstoffhaltige Aromaten, welche die Oktanzahl erhöhen, eine wichtige Rolle spielen. Diese Verbindungen können aus nicht verwertbarem Lignin hergestellt werden und eignen sich aufgrund ihrer physikalisch-chemischen Eigenschaften ideal als Kraftstoffbeimischung mit verbessertem Klopffestigkeitsverhalten. Darüber hinaus spielen sauerstoffhaltige Aromaten auch eine wichtige Rolle bei der Verbrennung von fester Biomasse, z. B. bei der Energieerzeugung, aber auch bei Waldbränden und Sicherheitsanwendungen. In diesem Projekt wurde die Oxidation repräsentativer Moleküle durch experimentelle Untersuchungen der Zündverzögerungszeiten (IDT) in einem Stoßrohr (ST) und einem Einhubtriebwerk (RCM), quantenmechanische Berechnungen kritischer thermodynamischer Daten und Reaktionen sowie kinetische Modellierung untersucht, um daraus ein Verständnis des Verbrennungsverhaltens sauerstoffhaltiger, ligninbasierter Strukturen zu erhalten. Insbesondere wurden die sauerstoffhaltigen Aromaten Anisol, Phenol, die drei Methylanisol-Isomere, Benzaldehyd und Benzylalkohol experimentell in einem Druckbereich von 10 - 40 bar, bei Äquivalenzverhältnissen zwischen 0,5 - 2,0 und bei Temperaturen von ca. 800 - 1200 K untersucht. Alle diese Komponenten zeigen ein Zündverhalten vom Arrhenius-Typ und sind daher Kandidaten für die Verbesserung der Oktanzahl herkömmlicher Kraftstoffe, wobei Phenol die am wenigsten reaktive und Benzylalkohol die reaktivste Komponente ist. Die Analyse der entwickelten kinetischen Modelle ergab, dass die Reaktivität der untersuchten Moleküle durch die funktionellen Seitengruppen bestimmt wird. Dabei sind die relevanten Reaktionswege durch den gemeinsamen Phenoxy-Teilmechanismus stark miteinander verknüpft. Insgesamt lieferte das Projekt wichtige Einblicke in die Verbrennungschemie von sauerstoffhaltigen Aromaten, die dazu beitragen werden, das Verbrennungsverhalten von Brennstoffen auf Ligninbasis oder die Verbrennung von Holzbiomasse in Bioreaktoren oder sogar bei Waldbränden in Zukunft besser zu verstehen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Characterization of oxygenated aromatics in a rapid compression machine, Bunsentagung 2018, 10th - 12th May 2018, Hannover, Germany
R.D. Büttgen & K.A. Heufer
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Combustion of oxygenated aromatic hydrocarbons - A RCM study of Benzene, Toluene, Phenol and Anisole -, 9th European Combustion Meeting, 14th – 17th April 2019, Lisboa, Portugal
R.D. Büttgen, L. Pratali Maffei, M. Pelucchi, T. Faravellil, A. Frassoldati & K.A. Heufer
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An experimental, theoretical and kinetic modelling study on the reactivity of a lignin model compound anisole under engine-relevant conditions. Fuel, 269, 117190.
Büttgen, R.D.; Tian, M.; Fenard, Y.; Minwegen, H.; Boot, M.D. & Heufer, K.A.
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Rate constants for H-atom abstraction reactions from mono-aromatic hydrocarbons by H, CH3, OH and 3O2: A systematic theoretical investigation. Combustion and Flame, 257, 112421.
Pratali, Maffei Luna; Pelucchi, Matteo; Büttgen, René D.; Heufer, Karl A.; Faravelli, Tiziano & Cavallotti, Carlo
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Auto-ignition characteristics of oxygenated aromatic compounds: Benzyl alcohol, benzaldehyde, and phenol. Proceedings of the Combustion Institute, 40(1-4), 105252.
Heufer, Karl Alexander; Büttgen, Rene Daniel; Pratali, Maffei Luna & Pelucchi, Matteo
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Relative reactivity of methyl anisole isomers: An experimental and kinetic modelling study. Combustion and Flame, 266, 113533.
Heufer, Karl Alexander; Büttgen, Rene Daniel; Pratali, Maffei Luna & Pelucchi, Matteo
