Nutzbarmachung von Nanoblasen für die heterogen katalysierte Hydrierung von 2-Ethyl-9,10-anthrachinon

• Antragstellerin: Dr.-Ing. Kristin Hecht, seit 6/2024
• Fachliche Zuordnung: Chemische und Thermische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 441298178

Nanoblasen sind nach ISO 20480-1:2017 Blasen mit einem Durchmesser kleiner als 1000 nm. Die Eigenschaften von Nanoblasen werden seit vielen Jahren wissenschaftlich untersucht, speziell in Wasser und wässrige Lösungen, sowie vereinzelt auch in anderen flüssigen Medien. Inzwischen sind Nanoblasengeneratoren kommerziell erhältlich und Nanoblasensuspensionen finden eine vielfältige technische Anwendung in den Bereichen Landwirtschaft, Gesundheit und Ernährung.Die kleinen Durchmesser der Nanoblasen legen einen hohen Innendruck der Blasen, eine große volumenspezifische Gas-Flüssig-Grenzfläche, sowie eine sehr kleinen Aufstiegsgeschwindigkeit nahe. Aufgrund dieser Eigenschaften sollten Nanoblasensuspensionen auch für die Durchführung chemischer Prozesse interessant sein. Der Nachweis, dass Nanoblasensuspensionen erfolgreich für chemische Reaktionen eingesetzt werden können wurde bisher nur in wenigen Beispielen der Arbeitsgruppe um N. Mase in Japan erbracht. Diese Beispiele, die Hydrierung eine C-C-Doppelbindung, die Hydrierung von Nitrogruppen, sowie die Oxidation von Aldehyden zu Alkoholen zeigen eine wesentliche Beschleunigung der chemischen Reaktionsgeschwindigkeit durch den Einsatz von Nanoblasensuspensionen.Die Hydrierung eines Alkyl-Anthrachinons ist ein wesentlicher Schritt im Anthrachinon-Verfahren, einem volkswirtschaftlich bedeutenden Verfahren zur Herstellung von Wasserstoffperoxid aus Wasserstoff und Sauerstoff. Im Rahmen der beantragten Arbeiten soll die Hydrierung von 2-Ethyl-9,10-anthrachinon mit Wasserstoffnanoblasensuspensionen durchgeführt werden und mit einer Begasung über einem Tauchrohr als Modellfall der klassischen Begasung verglichen werden. Aufgrund der charakteristischen Eigenschaften von Nanoblasen wird eine signifikant schnellere Reaktionsgeschwindigkeit im Vergleich zu einer Begasung über ein Tauchrohr erwartet. Das Anthrachinon-Verfahren wird in der technischen Praxis oft in Mischungen aus Alkoholen und methylsubstituierter Benzole durchgeführt. Um für die Hydrierungsreaktion eine maximale Gaskonzentrationen in den Reaktionsmedien zu gewährleisten wird die Lebensdauer von Nanoblasen in Lösungsmittelmischungen aus Alkoholen und methylsubstituierter Benzole und in den reinen Mischungskomponenten bei verschiedenen Temperaturen ermittelt. Um möglichst hohe Gaskonzentrationen in den Reaktionsmedien zu erreichen wird mit Hilfe eines künstlichen, neuronalen Netzwerks die Zusammenhänge zwischen den Medien und den Prozessparametern und der Blasengrößenverteilungen und -konzentrationen ermittelt.Im Fall einer wesentlichen Beschleunigung der chemischen Reaktion durch den Einsatz von Nanoblasen-Suspensionen kann die Begasung in der industriellen Praxis gegebenenfalls bei kleineren Prozessdrücken erfolgen. Daraus resultieren hohe Kosten- und Sicherheitsvorteile.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Großgeräte: Anlage zur Hydrierung mit kleinsten Blasen ; Nanoparticle Tracking Analysator
• Gerätegruppe: 1040 Dispergierer, Zerstäuber, Homogenisatoren ; 1950 Partikelzählgeräte und -klassiergeräte (optisch, elektronisch, außer 35
• Ehemaliger Antragsteller: Dr. Klas Meyer, von 1/2023 bis 6/2024