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Untersuchung des Phasenverhaltens von Mikroemulsionen aus ausgewählten chemischen Reaktionsmischungen im Rahmen der Prozessentwicklung
Kasaka, Yasemin
Durch die Nutzung der Eigenschaften von Mikroemulsionen können umweltschonende Verfahren für die Wiederverwendung von Katalysatoren und Lösungsmitteln realisiert werden. Bei katalytischen Prozessen ist die Rückführung der wertvollen Edelmetallkatalysatoren für die Wirtschaftlichkeit von entscheidender Bedeutung. Eine detaillierte Analyse der Mikroemulsionssysteme ist der Schlüssel für eine erfolgreiche Umsetzung in den technischen Prozessen. Insbesondere sind die Kenntnis des Phasenverhaltens und der Trenndynamik wichtige Informationen, die benötigt werden, um ein stabiles Trennverfahren innerhalb eines Prozesses zu gewährleisten. Ein Verfahren, bei dem das Mikroemulsionssystem als Reaktionsmedium verwendet wird, wird nämlich ineffizient, wenn dieses System in den nachgeschalteten Verfahrensschritten in herkömmlicher Weise behandelt wird. Das Phasenverhalten der Mikroemulsionssysteme für die ausgesuchten Reaktionen hängt stark von der Temperatur und der Zusammensetzung der Mischung ab. Diese Abhängigkeiten werden in dieser Arbeit untersucht. Bei der Hydroformylierungsreaktion von 1-Dodecen ist das Dreiphasengebiet sowohl für die Reaktion als auch für die anschließende Produkttrennung am besten geeignet. Allerdings besteht eine große Herausforderung darin, in dieser Region zu bleiben. Während der Reaktion wird ein hydrophiles Produkt gebildet, und demzufolge werden die Phasengrenzen zu tieferen Temperaturen verschoben. Zur Beibehaltung des gewünschten 3ϕ-Bereiches wurde das Temperaturprofil über den gesamten Umsatzbereich aufgezeichnet. Basierend auf diesen Ergebnissen wurden Recycling-Experimente bis zu vier Durchläufen erfolgreich durchgeführt. Die Rh-Konzentration in der organischen Phase nach der Phasentrennung lag etwa bei 0,05 ppm. Im Falle der Heck-Kupplungsreaktion ist der gewünschte Zustand eine einphasige Öl-in-Wasser (o/w) Mikroemulsion. Es wurde festgestellt, dass die Reaktion mit K2CO3 als Base den besten Umsatz hat. Aber bei höheren Edukt-konzentrationen wird eine stöchiometrische Menge der Base benötigt, die das Reaktionsgemisch in ein Zweiphasensystem überführt. Es wurde untersucht, ob die Reaktion mit K2CO3 als Base im 2ϕ-Gebiet durchgeführt werden kann. Aus den Un-tersuchungen der Reaktion in einer Mischung mit >75 Gew.-% Wasser ergibt sich, dass die Reaktion mit K2CO3 den höchsten Umsatz von 80% nach 5h hat. Der heterogene Sol-Gel-Katalysator konnte mit sehr geringerem Katalysatorverlust (>0,1%) zurückgeführt werden.
Due to the properties of microemulsions, more environmentally friendly processes can be realized for reusing of catalysts and solvents. The recycling of the valuable noble metal catalysts is crucial for the economic feasibility of an overall process as well. Cata-lytic reactions in substrate–surfactant-water systems enable realisation of these advan-tages. A detailed analysis of microemulsion systems is the key for a successful imple-mentation in technical processes. Especially, the knowledge of the phase behaviour and the phase separation dynamics are important informations, which are needed to ensure a stable separation procedure within a process. A process where the microemulsion system is only optimized for the reaction will be highly inefficient, if this system is further treated in conventional manner in the downstream process steps. The phase behaviour of microemulsion systems, which are used as reaction media for hydroformylation and Heck coupling reactions, strongly depends on the temperature and the composition of the mixtures. These dependencies are investigated in this work. For the hydroformylation of 1-dodecene in a microemulsion system, the desired phase state is the three-phase region, because of the higher reaction rates and the subsequent catalyst recycling step. However, the major challenge is to stay within this region. During the reactions hydrophilic product is formed and the phase boundaries are shifted to lower temperatures. To keep the desired 3-phase state, a temperature profile was necessary. Based on the results of this analysis recycling experiments were done successfully up to four runs. The Rh-concentration in the organic phase was found to be about 50 ppb after the phase separation. In case of the Heck coupling reaction, the desired state is an oil-in-water (o/w) one-phase microemulsion. It was found that the best reaction performance is obtained with K2CO3 as the base, but at higher reactant concentrations with the same base only two-phase systems are obtained. Heck reaction was successfully performed at higher reactant concentrations in the two-phase system consisting of >75 wt% water. The applied heterogeneous sol–gel supported palladium catalyst could be easily recycled with minor catalyst leaching (>0.1%).
