Wasserstoffperoxid - Direktsynthese in Kohlendioxid als Reaktionsmedium im Membran-Mikroreaktor

Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung eines kompakten, sicheren und effizienten, kontinuierlichen Verfahrens zur onsite-Herstellung von wässrigen Wasserstoffperoxid -Lösungen basierend auf der direkten Oxidation von Wasserstoff mit Sauerstoff in flüssigem oder überkritischem Kohlendioxid als Reaktionsmedium an Pd/X-Trägerkatalysatoren (X: Zweitmetall als Dotierung) in einem speziellen mikrostrukturierten Membranreaktor. Wasserstoffperoxid ist ein umweltfreundliches Oxidationsmittel mit breitem Anwendungspotenzial. Der heute dominierende industrielle Prozess zu seiner Herstellung, das Anthrachinon-Verfahren (AO-Verfahren), ist jedoch wegen des hohen Energiebedarfs und der benötigten komplexen organischen Lösungsmittel weit entfernt von hoher Umweltfreundlichkeit. Die Wasserstoffperoxid-Direktsynthese ist eine erheblich effizientere und nachhaltige Alternative, die allerdings bisher noch nicht technisch umgesetzt ist, u.a. wegen der bestehenden Explosionsgefahr und des sich daraus ergebenden Zwangs zur Inertisierung, die sich ungünstig auf die Produktivität und damit auf die Herstellkosten auswirkt.

Abb. 1 Mögliches Design des mikrostrukturierten Reaktors

Diese Probleme können mit einem innovativen Konzept zur Reaktionsführung der Direktsynthese überwunden werden, das im Rahmen des vorgeschlagenen Projektes realisiert werden soll: Durch die Mikrostrukturierung des Reaktionsraumes soll die Sicherheit des Verfahrens (gute Kontrolle der Temperatur, der Verweilzeit und Unterdrückung der Totaloxidation) verbessert werden. Die Auswahl von Kohlendioxid als Lösungsmittel begünstigt die Löslichkeit der Reaktanden, was zu einer höheren Produktivität führen sollte. Über zwei getrennte poröse Membranen werden die beiden Reaktanden, Wasserstoff und Sauerstoff, über der Länge der Reaktionszone gleichmäßig verteilt direkt in die Reaktionskanäle zugeführt, was zu einem gut einstellbaren, über der gesamten Reaktorlänge annährend konstanten H₂ /O₂ -Verhältnis führen soll und dadurch eine hohe Selektivität ermöglicht.
Ließen sich die Probleme der Wasserstoffperoxid-Direktsynthese mit unserem Konzept lösen, entstünde insbesondere die Möglichkeit zum Bau kleinerer, besonders kompakter Anlagen für die onsite-Erzeugung von Wasserstoffperoxid Lösungen für den direkten Gebrauch. Dadurch ließen sich Umweltrisiken verbunden mit Transport, Lagerung und Handhabung konzentrierter Wasserstoffperoxid Lösungen vermeiden. Die Verwendung von Kohlendioxid als Lösungsmittel ist dabei eine besonders umweltfreundliche Alternative. CO₂ ist nicht toxisch, nicht brennbar, bringt keine Umweltgefährdung mit sich und kann nach der Reaktion einfach durch Reduzierung des Druckes von den Produkten getrennt, wieder komprimiert und anschließend weiter verwendet werden. Der Einsatz von CO₂ als Lösungsmittel nutzt bereits vorhandenes CO₂ und trägt daher nicht zur Erhöhung der anthropogenen Kohlendioxidemission bei.