Zur Auswahl und Entwicklung ionischer Flüssigkeiten für spezielle Anwendungen der Energieerzeugung, Energiespeicherung und zur Nutzung in energieeffizienten Trenn- und Kompressionsverfahren

Towards the selection and development of ionic liquids for application in the field of energy generation and storage, and efficient separation- and compression-processes

  • Ziel der vorliegenden Dissertation ist es, eine geeignete Auswahlmethodik zu entwickeln und anhand von vier unterschiedlichen Anwendungsbeispielen zu testen. Die gewählten Anwendungen betreffen die Bereiche der Energieerzeugung, Energiespeicherung und sowie energieeffiziente Trenn- und Kompressionsverfahren. Die dargestellte Herangehensweise soll ein aussagekräftiges und schnelles Screening verschiedenster ionischer Flüssigkeiten und eine gezielte Strukturoptimierung ermöglichen, um so in Zukunft das Potential ionischer Flüssigkeiten im Hinblick auf Anwendungen in der Verfahrenstechnik schneller abschätzen zu können. Folgende Anwendungen sollen betrachtet werden: Anwendungsbeispiel 1: FarbstZiel der vorliegenden Dissertation ist es, eine geeignete Auswahlmethodik zu entwickeln und anhand von vier unterschiedlichen Anwendungsbeispielen zu testen. Die gewählten Anwendungen betreffen die Bereiche der Energieerzeugung, Energiespeicherung und sowie energieeffiziente Trenn- und Kompressionsverfahren. Die dargestellte Herangehensweise soll ein aussagekräftiges und schnelles Screening verschiedenster ionischer Flüssigkeiten und eine gezielte Strukturoptimierung ermöglichen, um so in Zukunft das Potential ionischer Flüssigkeiten im Hinblick auf Anwendungen in der Verfahrenstechnik schneller abschätzen zu können. Folgende Anwendungen sollen betrachtet werden: Anwendungsbeispiel 1: Farbstoffsolarzellen Farbstoffsolarzellen wandeln eingestrahltes Licht mit Hilfe eines komplexen Farbstoffes in elektrische Energie um. Die dabei häufig verwendeten Elektrolyte weisen jedoch aufgrund des organischen Lösungsmittels, meist Acetonitril, eine geringe Langzeitstabilität auf.[3] Durch den Einsatz von Elektrolyten auf Basis ionischer Flüssigkeiten wurde bereits eine deutliche Steigerung der Stabilität der Zelle beobachtet.[4] Grund hierfür ist der geringe Dampfdruck der IL, wodurch ein Verlust des Lösungsmittels durch Verdampfen und damit ein Austrocknen verhindert werden kann. Ziel der vorliegenden Arbeit war die Entwicklung und Optimierung neuartiger ILs als Medien für Elektrolyte der Farbstoffsolarzellen. Anwendungsbeispiel 2: Sauerstoffkompression Komprimierter Sauerstoff wird für viele Anwendung sowohl in der chemischen Industrie als auch in nicht chemischen Bereichen, wie Medizin oder Stahlverarbeitung, verwendet. Aufgrund der Brand- und Explosionsgefahr bei der Kompression wird das Gas mit trockenlaufenden Kompressoren auf den benötigten Druck verdichtet. Es wird auf den Einsatz eines Schmieröls verzichtet, da dieses den Sauerstoff verunreinigen oder sich im schlimmsten Fall unter den Betriebsbedingungen entzünden könnte. Im Vergleich zu geschmierten Systemen weist diese trockenlaufende Bauform jedoch geringere Wirkungsgrade und damit einen erhöhten Energieverbrauch bei der Kompression auf. Gleichzeitig steigt der Grad der Abnutzung. Dies erhöht sowohl Investitions- als auch laufende Kosten. Der Einsatz von ionischen Flüssigkeiten als nichtentzündliches Schmiermedium könnte die Verwendung effizientere Bauformen ermöglichen und somit den Wirkungsgrad der Verdichtung erhöhen. ILs weisen zudem einen sehr geringen Dampfdruck auf und können so nicht den komprimierten Sauerstoff verunreinigen. Anwendungsbeispiel 3: Wasserstoffspeicherung Die Speicherung von Wasserstoff stellt die Wissenschaft nicht erst seit der Kommerzialisierung der Brennstoffzellentechnologie vor eine große Herausforderung. Sofern der Anwender nicht Teil eines Wasserstoffnetzwerkes, wie zum Beispiel in der chemischen Industrie ist, muss der Wasserstoff vom Produzenten zum Verbraucher transportiert werden. Bekannte Transportformen wie die tiefkalte Speicherung oder der Transport unter hohem Druck weisen große Nachteile im Bezug auf Speicherkapazität und Handhabung auf. Für den mobilen Einsatz, beispielsweise in Automobilen, müssen daher neue Speicherformen entwickelt werden, die ein höhere gravimetrische Speicherdichte als konventionelle Systeme aufweisen und gleichzeitig einfacher in der Bedienung sind. Ionische Flüssigkeiten eignen sich besonders als Bestandteile solcher neuartigen Speichersysteme, da sie aufgrund ihrer sehr geringen Flüchtigkeit Vorteile bei der Entnahme des Wasserstoffs zeigen. So verdampfen sie unterhalb ihrer Zersetzungstemperatur nicht, wodurch eine Kontamination des Gases vermieden werden kann. Im Rahmen dieser Arbeit sollte untersucht werden, ob sich ionische Flüssigkeiten als Speichermedium für Wasserstoff eignen und welche Strukturen sich für eine solche Anwendung besonders eignen könnten. Anwendungsbeispiel 4: Trennung engsiedender Stoffe Gemische engsiedender Stoffe, gerade von Alkanen und Alkenen, fallen bei chemischen Prozessen wie dem Steam-Cracken oder der Fischer-Tropsch-Synthese in großem Maßstab an. Die Trennung des jeweiligen Produktgemisches in einzelne Fraktionen, deren Siedepunkte sich nur wenig unterscheiden, ist in der Regel sehr energieintensiv und stellt eine besondere Herausforderung dar. Dabei steigen der Trennaufwand und damit die verbundenen Kosten mit der physikalisch-chemischen Ähnlichkeit der zu trennenden Stoffe stark an. Ziel dieser Arbeit war es daher, die Verwendung von ionischen Flüssigkeiten zur Trennung von Propan/Propen und n-Hexan/1-Hexen zu untersuchen. Das erstgenannte Gemisch sollte dabei durch selektive Absorption einer der beiden Komponenten getrennt werden. Zur Trennung von n-Hexan und 1-Hexen wurde das Trennkonzept der Extraktivrektifikation ausgewählt.show moreshow less
  • The aim of this work is the development of a suitable methodology for the selection of ionic liquids. This approach should be tested for four different applications; the generation and storage of energy, compression and separation. This approach should allow a meaningful and rapid screening of different ionic liquids in order to evaluate the potential of such material in a more efficiently way. The following projects were chosen: Application 1: Dye sensitized solar cells When light irradiates the dye sensitized solar cell it is absorbed by the dye. The electrons that are excited by the extra energy the light provides, can escape from the dye into the TiO2 and diffuse through the TiO2 to the The aim of this work is the development of a suitable methodology for the selection of ionic liquids. This approach should be tested for four different applications; the generation and storage of energy, compression and separation. This approach should allow a meaningful and rapid screening of different ionic liquids in order to evaluate the potential of such material in a more efficiently way. The following projects were chosen: Application 1: Dye sensitized solar cells When light irradiates the dye sensitized solar cell it is absorbed by the dye. The electrons that are excited by the extra energy the light provides, can escape from the dye into the TiO2 and diffuse through the TiO2 to the electrode. They are eventually returned to the dye through the electrolyte. The most commonly used electrolyte are based on organic solvents like acetonitrile and often exhibit poor long-term stability.[3] By using electrolytes based on ionic liquids an increase of stability was already reported.[3] The pronounced low vapour pressure of such electrolytes are considered as one reason for this improvement because of the reduced loss of solvent due to evaporation. The aim of this work was the development and optimization of novel ionic liquid based electrolytes for dye sensitized solar cells. Application 2: Compression of Oxygen Compressed oxygen is used for different applications. Beside its common utilization in chemical industry it is used in medicine and steel treatment. Due to the high risk of fire and explosion during the compression the gas is compressed to the desired pressure by using so-called dry running compressors. No lubricant is used in such devices since contamination or ignition of the pure oxygen can occur under operation condition. Compared to lubricated systems the dry running compressors show a lower degree of efficiency and therefore higher energy consumption. In addition there is an increased degree of abrasion. This leads to higher investments and currents costs. The usage of ionic liquids as non-flammable lubricants may allow the design of more efficient types of compressor and so enhance their efficiency. Additionally ILs show a very low vapour pressure and thus cannot contaminate the compressed oxygen. Application 3: Storage of hydrogen The storage of hydrogen is a very challenging task for scientists. As long as the user is not part of a hydrogen network, as in chemical industry, hydrogen has to be transported from the producer to the customer. Known delivery systems based on storage under high pressure or at very low temperatures show major disadvantages in terms of handling and storage capacity. Especially for mobile applications like fuel-cells new storage devices have to be developed in order to fulfil requirements set by society, customers and gouvernments. In this work the utilization of ionic liquids as storage media for hydrogen has been evaluated. Application 4: Separation of close boiling substances Chemical processes like steam cracking or the Fischer-Tropsch synthesis produce mixtures of close boiling products, e. g. alkanes and alkenes, on a large scale. The isolation of a single product in high purity is very cost intensive and sophisticated because of almost identical boiling points. In this work an evaluation of ionic liquids as adjuvants/entrainers for the separation of propane/propene and n-hexane/1-hexene should has been undertaken.show moreshow less

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Metadaten
Author:Dirk Gerhard
URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus-8507
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:2007/12/21
Release Date:2008/04/03
Tag:ionische Flüssigkeiten
ionic liquid; ionic liquids
SWD-Keyword:Elektrochemische Solarzelle; Energieerzeugung; Farbstoffsolarzelle; Kompression; Solarzelle; Trennverfahren; Wasserstoff; Wasserstoff-Speicher
Institutes:Technische Fakultät / Technische Fakultät -ohne weitere Spezifikation-
Dewey Decimal Classification:Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / Ingenieurwissenschaften / Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
open_access (DINI-Set):open_access

$Rev: 13581 $