Doppelrolle für CO2

Um den Verbrauch fossiler Rohstoffe zu reduzieren und gleichzeitig die CO2-Bilanz von Kraftstoffen und chemischen Produkten zu verbessern könnte die Verwendung von Kohlendioxid als Kohlenstoffquelle eine attraktive Option sein.

Deutsche Wissenschaftler stellen in der Zeitschrift Angewandte Chemie nun eine neue Methode vor, mit der Kohlendioxid katalytisch zu Ameisensäure hydriert wird. Dabei ist Kohlendioxid nicht nur Ausgangsstoff, sondern dient, in überkritischem Zustand, gleichzeitig als Lösungsmittel für die Abtrennung des Produkts. Mit diesem integrierten Verfahren lässt sich erstmals in einem einzigen Prozessschritt freie Ameisensäure direkt als Produkt gewinnen.

Die Hydrierung von CO2 zu Ameisensäure (HCO2H) wird intensiv erforscht, denn sie eröffnet einen direkten Zugang zu chemischen Produkten auf der Basis von Abfallstoffen aus der energetischen Nutzung fossiler Brennstoffe. Ameisensäure ist ein wichtiges Produkt der chemischen Industrie mit vielfältigen Anwendungen z.B. in der Landwirtschaft, der Lebensmitteltechnologie und der Lederwarenindustrie. Zudem wird sie als möglicher Wasserstoffspeicher in Erwägung gezogen. So könnten mit Brennstoffzellen betriebene Fahrzeuge Ameisensäure tanken, aus der dann Wasserstoff katalytisch freigesetzt würde.

Bereits seit Mitte der 1970er Jahre wird an homogenen Katalysatoren für die Herstellung von Ameisensäure aus CO2 geforscht. Die Tücke liegt darin, dass es sich um eine Gleichgewichtsreaktion handelt, deren Gleichgewicht deutlich auf der Seite der Edukte liegt. Um die ständig ablaufende Rückreaktion zu unterdrücken, muss die Ameisensäure abgefangen werden – in Form von Salzen, Addukten oder Derivaten – um sie aus der Gleichgewichtsbilanz zu entfernen. Damit schließlich die gewünschte freie Ameisensäure erhalten werden kann, sind zusätzliche Verfahrensschritte nötig, um die Addukte vom Katalysator zu trennen und anschließend die Ameisensäure wieder freizusetzen und zu isolieren.

Das Team um Walter Leitner von der RWTH Aachen hat nun ein neues Konzept entwickelt, mit dem reine Ameisensäure in einem kontinuierlichen Verfahren produziert werden kann: Reaktion und Abtrennung laufen dabei integriert in einer einzigen Prozesseinheit ab.

Der Trick liegt in einem zweiphasigen Reaktionssystem mit überkritischem CO2 als mobiler Phase und einem flüssigen Salz – einer ionischen Flüssigkeit – als stationärer Phase: Die ionische Flüssigkeit löst den Katalysator und die Base zum Stabilisieren der Ameisensäure und hält beide im Reaktorraum zurück. Das CO2 strömt bei Drücken und Temperaturen oberhalb der kritischen Daten (74 bar, 31 °C) durch den Reaktor und löst die gebildete Ameisensäure selektiv aus der Mischung heraus. Die Doppelrolle von CO2 sowohl als Reaktant als auch als extraktive Phase hat entscheidende Vorteile: Das Produkt wird kontinuierlich extrahiert und aus dem Reaktor geschleust, somit kann sich das Gleichgewicht immer wieder neu einstellen. Außerhalb des Reaktors lässt sich die freie Ameisensäure durch Druckabsenkung oder Auswaschen direkt aus dem CO2-Strom in reiner Form gewinnen. Ionische Flüssigkeiten lösen sich nicht in überkritischem CO2, ebensowenig wie der Katalysator und die Base, sodass sie das Produkt nicht verunreinigen. Das Verfahren kann so kontinuierlich laufen. In Laborversuchen wurde ein stabiler Betrieb über mehr als 200 Stunden demonstriert.

„Unsere Ergebnisse zeigen am Beispiel der Ameisensäure, dass der gezielte Einsatz von modernen Lösungsmittelkonzepten in kontinuierlichen Reaktoranlagen Stoffumwandlungen ermöglicht, die unter konventionellen Bedingungen nicht durchgeführt werden können“, sagt Leitner. „Natürlich kann die Thermodynamik damit nicht 'besiegt' werden – aber es ergeben sich vielfältige Möglichkeiten der Integration von Reaktion und Stofftrennung, die neue Wege zu effizienteren und nachhaltigeren Verfahren eröffnen können“.

Angewandte Chemie: Presseinfo 30/2012

Autor: Walter Leitner, RWTH Aachen University (Germany), http://www.tc.rwth-aachen.de/aw/cms/TC/Zielgruppen/~vft/prof_leitner/?lang=de

Angewandte Chemie, Permalink to the article: http://dx.doi.org/10.1002/ange.201203185

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