Untersuchung der direkten katalytischen Umsetzung von Methanol und Ethanol zu Propen

• Antragsteller: Professor Dr. Jan J. Weigand
• Fachliche Zuordnung: Technische Chemie
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 498384863

In Anbetracht des Klimawandels, sinkender Ethanolpreise und steigender Preise für Ethylen und Propylen ist die Entwicklung neuer nachhaltiger Methoden zur Umwandlung von Ethylen, (Bio-) Ethanol und Methanol in „grünes“ Propylen und andere Olefine eine zentrale Aufgabe dieses Jahrzehnts. Neben der Produktion von „grünem“ Ethylen durch Braskem für die Polymerindustrie stehen neue Verfahren zur Herstellung von Propylen und Folgeprodukten für PP, PEG usw. dabei zentral im Mittelpunkt.Aus dem derzeitigen Kenntnisstand zur Umwandlung von Alkoholen mittels Zeolithkatalysatoren ergeben sich zwei wirtschaftliche Fragen: (i) Welche Umwandlungswege fördern bei unterschiedlichen Prozessbedingungen die gewünschte Bildung von Propylen aus Methanol oder Ethanol? (ii) Welche Katalysatoreigenschaften fördern die gewünschten selektiven Umwandlungswege hin zu Propylen aus Methanol, Ethanol oder Mischungen aus beiden?Aus wissenschaftlicher Sicht werden speziell die folgenden Fragen fokussiert: (iii) Welche Oberflächenreaktionen und welche voneinander abhängigen Kinetiken sind für eine selektive Propylenbildung erforderlich? (iv) Welche Prozesswege werden aus thermodynamischer Sicht vorwiegend durch Enthalpie-, Entropieänderungen und welche durch die Porengeometrie und -morphologie gesteuert?Das resultierende Arbeitsprogramm gliedert sich in die Zeolithsynthese und -charakterisierung, katalytische Tests und weitere Experimente zur Beurteilung des zugrundeliegenden Umwandlungsmechanismus. Neben der Festkörpercharakterisierung (XRD, NMR, IR, SEM, EDX, ICP-OES, TPD) werden katalytische Tests (konti) mit modernen mechanistischen Untersuchungen zur Adsorptionskinetik (z.B. Howarth-Kinetik) und detaillierten Analysen des Produktbildungsnetzwerkes kombiniert (Zwischenprodukte). Als Spezialität werden aktuelle Schlussfolgerungen zum Reaktionskettenmodell durch neue Experimente zur gemischten Isotopenmarkierung mit D6-Ethanol und 13C-Methanol sowie GC/MS-Analyse untersucht. Entgegen der aktuellen Meinung sollte sich eine dynamische Konkurrenz verschiedener direkter Wege und Poolbildungsrouten zu Propylen zeigen. Darüber hinaus zeigen die Experimente hochselektive Parameterfelder mit dem jeweiligen Deaktivierungsverhalten der eingesetzten Katalysatoren. Eine wissensbasierte Steuerung der Umwandlungswege ist die Grundlage für die Entwicklung geeigneter Industriekatalysatoren.In Bezug auf die aktuelle Preisentwicklung besteht bereits heute ein ökonomischer Bedarf an MTP-Technologien (Methanol-to-Propylene) und innerhalb der nächsten 5-10 Jahre werden auch ETP-Technologien (Ethanol / Ethylen-to-Propylene) wirtschaftlich relevant werden. Darüber hinaus deuten neueste Untersuchungen hin zu einer kombinierten Umwandlung von Methanol und Ethanol (oder Ethylen) zu Olefinen wie Propylen (METO), wobei sich synergistische Effekte in Produktselektivität und Katalysatorendesaktivierung zeigen. Ein derart selektiver Prozess wäre ein wissenschaftlicher und wirtschaftlicher Durchbruch.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen