Entwicklung und Optimierung von Verfahren zur technischen Herstellung ionischer Flüssigkeiten

Process development and optimisation for the technical production of ionic liquids

  • Ionische Flüssigkeiten (ILs) bilden eine Stoffklasse mit sehr interessanten Eigenschaften, die einen Zugang zu vielen verschiedenen Anwendungsfeldern bieten. Die Synthese dieser Substanzen erfolgt bislang hauptsächlich im Labormaßstab, da die Synthesewege reaktionstechnisch meist nicht untersucht sind und Daten für die Übertragung in den technischen Maßstab fehlen. Dies beschränkt zum einen die Verfügbarkeit der ILs und zum anderen bedingt dies sehr hohe Produktionskosten. In dieser Arbeit werden daher Wege zur kostengünstigen, nachhaltigen Synthese von unterschiedlichen ionischen Flüssigkeiten anhand zweier potentiell skalierbarer Verfahren, Umesterung und Elektrodialyse mit bipolaren MembrIonische Flüssigkeiten (ILs) bilden eine Stoffklasse mit sehr interessanten Eigenschaften, die einen Zugang zu vielen verschiedenen Anwendungsfeldern bieten. Die Synthese dieser Substanzen erfolgt bislang hauptsächlich im Labormaßstab, da die Synthesewege reaktionstechnisch meist nicht untersucht sind und Daten für die Übertragung in den technischen Maßstab fehlen. Dies beschränkt zum einen die Verfügbarkeit der ILs und zum anderen bedingt dies sehr hohe Produktionskosten. In dieser Arbeit werden daher Wege zur kostengünstigen, nachhaltigen Synthese von unterschiedlichen ionischen Flüssigkeiten anhand zweier potentiell skalierbarer Verfahren, Umesterung und Elektrodialyse mit bipolaren Membranen, aufgezeigt. 1) Herstellung Alkylsulfat-basierter ILs mittels Umesterung Durch säurekatalysierte Umesterung der IL [EMIM][EtOSO3] mit verschiedenen Alkoholen konnten acht funktionalisierte und halogenidfreie Alkylsulfat-basierte Schmelzen hergestellt und charakterisiert werden. Damit wurde das Potential dieser Methode zur Struktur- und Eigenschaftsoptimierung von ILs gezeigt. Weiterhin wurde durch kinetische und thermodynamische Untersuchungen die Basis für die Übertragung der Synthese in den technischen Maßstab geschaffen. Die Reaktionsordnung wurde zu 2 und die Aktivierungsenergie zu 74,42 kJ/mol (Umesterung mit Butanol) bestimmt. Weiterhin wurde der Einfluss von Temperatur, Katalysatorkonzentration und Edukt-Molverhältnis auf die Geschwindigkeit der Reaktion beschrieben. Die Reaktionsenthalpie HR wurde zu 0,72 kJ/mol (Umesterung mit Butanol) bestimmt. Die reaktionstechnischen Parameter konnten anhand eines formalkinetischen Ansatzes sehr gut durch Iteration nach Levenberg-Marquardt beschrieben werden. In einem Scale-Up-Schritt wurde die Reaktion im Rotations- bzw. Dünnschichtverdampfer mit Ausbeuten bis 99% in weniger als drei Stunden durchgeführt. 2) Elektrodialyse mit bipolaren Membranen (EDBM) Mittels Elektrodialyse mit bipolaren Membranen wurden wässrige Lösungen von [EMIM]OH aus der IL [EMIM][EtOSO3] erzeugt und mit verschiedenen Säuren (HX) durch Säure-Base-Reaktion zu [EMIM]X umgesetzt. Mit der eingesetzten Laboranlage wurden Stromausbeuten von bis zu 70% erreicht und die Edukt-IL [EMIM][EtOSO3] stets mit vollständigem Umsatz in die Base [EMIM]OH und die Säure EtOSO3H umgewandelt. Eine Langzeitstabilität der Membranen von über acht Monaten konnte gezeigt werden. Die Produktionskapazität lag bei 28 kg/d m² [EMIM]OH (220 mol/d m²) in Form einer 5%igen wässrigen Lösung mit Produktqualitäten bis zu 99,5%. Außerdem wurde die Zeitabhängigkeit des Ionenaustausches bestimmt sowie der Anlagenaufbau durch Implementierung weiterer Membranen optimiert. Abschließend wurden beide Verfahren, Umesterung und EDBM, anhand der Synthese der ionischen Flüssigkeit [EMIM][BuOSO3] in Bezug auf Komplexität, Skalierbarkeit, Wirtschaftlichkeit und Ökologie verglichen und bewertet.show moreshow less
  • Ionic liquids (ILs) represent a novel class of solvents with interesting properties and give access to a variety of different applications. Currently ILs are mainly synthesized in lab or mini-plant scale as kinetic and thermodynamic data for scale-up are inexistent. This fact on the one hand limits the availability of ILs and on the other hand leads to high production costs. Hence, in this work methods for the cost effective and sustainable synthesis of different ILs are discussed and two different scalable processes are presented, the transesterification reaction and electrodialysis with bipolar membranes (EDBM). 1) Production of alkylsulfate-based ionic liquids via transesterification EighIonic liquids (ILs) represent a novel class of solvents with interesting properties and give access to a variety of different applications. Currently ILs are mainly synthesized in lab or mini-plant scale as kinetic and thermodynamic data for scale-up are inexistent. This fact on the one hand limits the availability of ILs and on the other hand leads to high production costs. Hence, in this work methods for the cost effective and sustainable synthesis of different ILs are discussed and two different scalable processes are presented, the transesterification reaction and electrodialysis with bipolar membranes (EDBM). 1) Production of alkylsulfate-based ionic liquids via transesterification Eight functionalized and halogen-free alkylsulfate-based melts were synthesized via acid-catalyzed transesterification of [EMIM][EtOSO3] with different alcohols and characterized. With that, the potential of this method for structure- and property-optimization of ILs was demonstrated. Furthermore, kinetic and thermodynamic investigations that form the basis for the technical production of ILs were carried out. The order of the reaction was determined to be 2, the activation energy to be 74,42 kJ/mol and the reaction enthalpy to be 0,72 kJ/mol for the transesterification with butanol. The influence of the temperature, the catalyst concentration and the ratio of reactants on the reaction rate is also discussed in this work. The kinetic parameters could be described via iteration according to Levenberg-Marquardt. A scale-up of the reaction was realized in a rotary evaporator and a thin-film evaporator and yields up to 99% could be reached within three hours. 2) Electrodialysis with bipolar membranes (EDBM) Aqueous solutions of [EMIM]OH were produced from [EMIM][EtOSO3] via EDBM. Acid-base reactions were carried out between [EMIM]OH and different acids to form new ILs that were characterized. Current efficiencies up to 70% were reached with the lab-scale plant set-up whereat [EMIM][EtOSO3] was always converted fully into the products [EMIM]OH and EtOSO3H. A long term stability of the implemented membranes higher than 8 month was reached and the production capacity was about 28 kg/d m² [EMIM]OH (220 mol/d m²) in form of a 5% aqueous solution with product qualities up to 99,5%. The time dependency of the ion exchange was also determined and the set-up of the plant was optimized by implementation of additional membranes. Finally the two processes, transesterification and EDBM, were compared and assessed with the synthesis of the Alkylsulfate-based IL [EMIM][BuOSO3] with regard to complexity, scalability, economy and ecology.show moreshow less

Download full text files

Export metadata

  • Export Bibtex
  • Export RIS

Additional Services

Share in Twitter Search Google Scholar
Metadaten
Author:Simone Himmler
URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus-6491
Advisor:Peter Wasserscheid
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Year of Completion:2007
Publishing Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Granting Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Technische Fakultät
Date of final exam:2007/06/29
Release Date:2007/07/10
Tag:ionic liquid; membran technique; process development; transesterification
SWD-Keyword:Ionische Flüssigkeit; Membranverfahren; Prozessentwicklung <Technik>; Umesterung
Institutes:Technische Fakultät / Technische Fakultät -ohne weitere Spezifikation-
Dewey Decimal Classification:Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / Chemische Verfahrenstechnik / Chemische Verfahrenstechnik
open_access (DINI-Set):open_access

$Rev: 13581 $