Recycling Strategien
Thermomorphe Mehrphasensysteme (TMS)
Eine Strategie zur Trennung von Katalysator und Produkt sowie zur Überwindung der Grenzen des Stofftransports ist die Verwendung thermomorpher Mehrkomponenten-Lösungsmittelsysteme (TMS), die gegenüber anderen Verfahrensvarianten einige entscheidende Vorteile aufweisen:
- Thermomorphes Phasenverhalten: Die Reaktionsführung erfolgt ohne Massentransportbeschränkungen zwischen Katalysator und Substrat
- Katalysator und Produkt werden nach der Reaktion durch einfaches Dekantieren getrennt
- Preiswerte und handelsübliche Lösungsmittel können ohne zusätzliche Tenside etc. verwendet werden.
Die Technik des TMS-Systems nutzt die Temperaturabhängigkeit der Mischungslücke zwischen zwei Lösungsmitteln: einem polaren, katalysatorhaltigen Lösungsmittel und einer unpolaren Substratphase. Dieses System ist bei Raumtemperatur zweiphasig und bildet bei Erwärmung ein Einphasensystem. Dadurch wird die Einschränkung des Massentransports minimiert.
Angew. Chem. Int. 2016, Int. 55, 2924-2928 DOI: 10.1002/anie.201510738
Biphasische Immobilisierung
Kernstück des Verfahrens ist die Trennung des Katalysators von den Reaktionsprodukten durch Erzeugung zweier praktisch nicht mischbarer flüssiger Phasen, die durch einfache Phasentrennung getrennt werden können. Die Phasen bestehen aus einer wässrigen Phase, in der der Katalysator gelöst ist, und einer organischen Phase, die aus den Reaktionsprodukten n- und iso-Butanal gebildet wird. Dieses Konzept der Zweiphasen-Immobilisierung wird auf andere Reaktionen in unserer Arbeitsgruppe übertragen, um den Katalysator vom Produkt zu trennen.
Appl.Cat. A Gen. 2017, 539, 90-96, DOI: 10.1016/j.apcata.2017.03.037.
MWE / Membran
Das Grundprinzip der Membrantrennung ist recht einfach (siehe Abbildung): Ein Zulauf, der Substrate, Produkte und den Katalysator enthält, fließt über eine Membran. Im Idealfall können nur die kleinen Produkte durch die Membran in den Permeatstrom gelangen, der Rest bleibt im Retentat, das in den Reaktor zurückgeführt wird. Membrantrennverfahren arbeiten ohne Heizung und verbrauchen daher weniger Energie als herkömmliche thermische Trennverfahren wie Destillation oder Kristallisation.
Vorteile:
- Keine Einschränkungen durch Phasengleichgewichte und thermische Behandlung
- Recycling des Katalysators ist ohne thermische Belastung möglich
- Geringer Energieverbrauch und einfache Nummerierung der Membranen auf die gewünschte Prozessspezifikation
An unserem Lehrstuhl arbeiten wir mit verschiedenen Arten von Membranen wie Keramik- oder Polymermembranen in unterschiedlichen Reaktorstrukturen, um deren Verhalten zu untersuchen.
Chem. Eng. Process 2016, 99, 124 –131, DOI: 10.1016/j.cep.2015.07.019
Kristallisation
Eine Strategie des Katalysatorrecyclings ist die Produktkristallisation zur selektiven und einfachen Trennung von Katalysator und Produkt. Bei der Produktkristallisation wird die Reaktionslösung mit Hilfe eines Kristallisators und eines Kryostaten langsam in Temperaturintervallen abgekühlt. Durch das Auskristallisieren des Produkts kann die Reaktionslösung abfiltriert und das Produkt gewonnen werden. Dieses Verfahren ist sowohl für das Produkt als auch für den Katalysator und die verwendeten Liganden schonend.
ChemCatChem 2017, 9 (23), 4319-4323, DOI: 10.1002/cctc.201700965
