Hintergrund & Motivation

Wasserstoffperoxid (H2O2) ist ein umweltfreundliches Oxidationsmittel mit Zukunftspotential: Es wird geschätzt, dass die gegenwärtige Jahresproduktion von drei Megatonnen innerhalb der nächsten fünf Jahre auf mehr als fünf Megatonnen weiter ansteigen wird. Der Standardprozess für die industrielle H2O2-Produktion ist das Anthrachinonverfahren. Dieses Verfahren ermöglicht jedoch aufgrund der vielen Prozessstufen und der begrenzten Wiederverwendbarkeit des organischen Anthrachinons keine dezentrale H2O2-Produktion.

Im Gegensatz dazu ist die Direktsynthese von Wasserstoffperoxid ein attraktiver Syntheseweg, bei dem sowohl molekularer Wasserstoff als auch Sauerstoff mit einem heterogenen Katalysator in einem Reaktionsschritt kontaktiert werden. In den letzten Jahren wurde intensiv am Verständnis des Reaktionsmechanismus und an neuen Reaktorkonzepten geforscht, um eine wissensbasierte Erhöhung der intrinsischen und Reaktorselektivität zu erreichen, die derzeit der industriellen Umsetzung im Weg steht. Denn neben Wasserstoffperoxid entsteht, thermodynamisch begünstigt, Wasser als Nebenprodukt in verschiedenen Folge- und Parallelreaktionen.

Abbildung 1: Schema eines Strömungsleitelementes mit katalytisch beschichteten Oberflächen (links) [2], 3D-gedrucktes Strömungsleitelement: REM-Aufnahme einer beschichteten Oberfläche und Nahaufnahme eines unbeschichteten Prototypens [1] (rechts).

Am IMVT wird zur Bewältigung dieser reaktionstechnischen Herausforderungen ein neuartiger Membranmikroreaktor eingesetzt. Eine Polymermembran ermöglicht eine blasenfreie Dosierung der Reaktanden H2 und O2 in das flüssige Reaktionsmedium, das den Reaktionskanal kontinuierlich durchströmt. Durch die alternierende Dosierung der Reaktanden ist die Wasserstoffperoxid-Konzentration nicht durch die Sättigungskonzentration der Gase limitiert, da die verbrauchten Stoffe stets nachgeführt werden können. Gleichzeitig ermöglichen eigens entwickelte 3D-gedruckte Kanaleinbauten, sogenannte Strömungsleitelemente, einen intensivierten Kontakt der Gase mit dem Reaktionsmedium. Gleichzeitig dienen diese Strukturen als Träger des benötigten Katalysators.

Thema und Aufgaben

Im Rahmen von Vorgängerarbeiten und internationalen Kooperationen konnten erfolgreich katalytische Beschichtungen mittels verschiedener Verfahren auf die Strukturen aufgebracht werden. Um die Eignung dieser Beschichtungen bezüglich Aktivität und Adhäsion im Prozess beurteilen zu können, werden Versuche im bestehenden Reaktor durchgeführt. Das erzielte Produkt ist hinsichtlich seiner Zusammensetzung mittels UV-vis-Spektroskopie zu charakterisieren.

Die Stelle richtet sich an Studierende der Fakultäten Chemie oder Chemieingenieurwesen.

Aufgaben im Rahmen der Stelle können sein

• Herstellung von Beschichtungen
• Charakterisierung der Beschichtungen
• Durchführung von Versuchen an der bestehenden Anlage
• Bestimmung der erzielten Konzentrationen an Wasserstoffperoxid

Rahmenbedingungen:

• Studierende der Fachrichtung Chemieingenieurwesen / Verfahrenstechnik / Chemie
• Sprache: Englisch oder Deutsch

Beginn: nach Absprache

Betreuerin: Laura Trinkies (laura.trinkies∂kit.edu)

Institut für Mikroverfahrenstechnik (IMVT)

Leiter: Prof. Dr.-Ing. Roland Dittmeyer
Hermann-von-Helmholtz-Platz 1
76344 Eggenstein-Leopoldshafen
Telefon: 0721-608-23430
E-Mail: laura trinkies ∂does-not-exist.kit edu

Datum: 17.01.2022

Quellen:

[1] Laura L. Trinkies, Benedikt J. Deschner, Edgar Hansjosten, Manfred Kraut, Roland Dittmeyer (2020). 4th Indo-German Workshop on Advances in Materials, Reaction & Separation Processes: Book of Abstracts. Berlin, 2020. Max Planck Institute for Dynamics of Complex Technical Systems; Indian Institute of Technology Madras, p. 90.

[2] L. L. Trinkies, A. Düll, J. Zhang, S. Urban, B. J. Deschner, M. Kraut, B. P. Ladewig, A. Weltin, J. Kieninger, R. Dittmeyer, Chemical Engineering Science 2022, 248, 117145. DOI: 10.1016/j.ces.2021.117145.