Ziel des Forschungsvorhabens war es, Konzepte für die Bereitstellung jener thermophysikalischen und thermochemischen Eigenschaften, die bei Reaktions- und Aufarbeitungsverfahren mit ionischen Fluiden als Hilfsstoffe benötigt werden, zu entwickeln und diese Konzepte an typischen Beispielen zu erproben. Mit Abschluss des Vorhabens sollten Konzepte/Methoden bereitstehen, die auf andere Beispiele übertragbar sind. Damit soll es auch möglich sein, den experimentellen Aufwand bei der Übertragung eines im Labormaßstab entwickelten Verfahrens mit ionischen Fluiden mit Hilfe der computergestützten Verfahrensauslegung in ein technisches Verfahren abzuschätzen.
Als Beispiel für langsame chemische Reaktionen dienten Veresterungen von Alkoholen mit Karbonsäuren in ionischen Fluiden. Es wurden flüssig-flüssig Phasengleichgewichte in 10 ternären, nichtreaktiven Systemen mit Produkten und Edukten der Veresterung eines Alkohols mit Essigsäure in Anwesenheit einer ionischen Flüssigkeit untersucht, wobei das Kation der ionischen Flüssigkeit, der Alkohol und die Temperatur variiert wurden. Weiterhin wurden reaktive Fünfkomponentensysteme, bestehend aus (Alkohol + Essigsäure + Wasser + Acetat + ionischer Flüssigkeit) untersucht. Darüber hinaus wurde auch der Gleichgewichtsumsatz einiger Verestrungsreaktionen und deren Kinetik experimentell bestimmt. Die experimentellen Studien zur homogenen Kinetik beinhalteten die Messung des Umsatzes einer Reaktion als Funktion der Zeit für die Veresterung von Ethanol mit Essigsäure mit einer ionischen Flüssigkeit als Katalysator. An diese Daten wurden die Koeffizienten eines kinetischen Ansatzes angepasst. Literaturangaben, die ionische Flüssigkeiten oft als gute Katalysatoren für Veresterungsreaktionen bezeichnen, konnten nicht bestätigt werden.
Der theoretische Teil umfasste die mathematische Beschreibung der Reaktivextraktion und die Simulation unterschiedlicher Verfahrensvarianten, mit dem Ziel unterschiedliche Einsatzmöglichkeiten der ionischen Flüssigkeiten bei der Veresterung zu demonstrieren. Basierend auf den experimentell gefundenen drei Typen von Verteilungen der Edukte zwischen den zwei Phasen (beide Edukte besser löslich in der organischen Phase, beide Edukte besser löslich in der ionischen Phase, Alkohol in der Oberphase + Essigsäure in der Unterphase) wurden unterschiedliche Konzepte/Verfahrensfließbilder entwickelt. Das größte Potential von allen untersuchten Varianten zeigte sich für die kontinuierliche Veresterung von Ethanol mit Essigsäure in [EMIM][HSO4] in einer Gegenstrom-Reaktivextraktionskaskade. Dort ergaben sich große (theoretische) Umsätze der Reaktion. Dieser Fall wurde deshalb exemplarisch im Detail untersucht.
Die Vorgehensweise bei der Bestimmung und Modellierung von Phasengleichgewichten wurde exemplarisch bei einem Verfahren mit schneller chemischer Reaktion (aus der Patentschrift des BASIL-Verfahrens (Biphasic Acid Scavenging utilizing Ionic Liquids) entwickelt und dokumentiert.
In einem solchen Prozess entsteht aus dem Stoff A und dem Stoff B das Produkt P, wobei als Nebenprodukt eine Säure HX anfällt. Um eine weitestgehende Umsetzung zu erzielen, muss die Säure "abgefangen" werden. Dies geschieht im BASIL-Verfahren durch eine organische Base, die mit der Säure zu einer ionischen Flüssigkeit reagiert. Dabei entsteht ein zweiphasige, flüssige Mischung, bei der eine Phase im Wesentlichen aus dem Produkt, die andere Phase im Wesentlichen aus der ionischen Flüssigkeit (IL) besteht. Als Beispiel wurde die Umsetzung von 1-Butanol mit Acetylchlorid zu Butylacetat und Salzsäure gewählt. Als organische Hilfsbase wird 1-Methylimidazol (1-MIM) verwendet. Die Hilfsbase wird zur ionischen Flüssigkeit 1-Methylimidazolchlorid (HMIMCl) umgesetzt. Die interessierenden flüssig-flüssig-Phasengleichgewichte wurden experimentell bestimmt und modelliert. Ein wesentlicher Schritt ist die Rückgewinnung der organischen Hilfsbase. Dazu wird die IL-reiche flüssige Phase abgetrennt und mit wässriger Natronlauge behandelt. Dabei entsteht eine wässrige Flüssigkeit aus der durch Extraktion die Hilfsbase zurückgewonnen wird. Als typisches Extraktionsmittel wurde 1-Propanol verwendet. Bei der Rückgewinnung ist das Phasengleichgewicht im quaternären System (Wasser + 1-Propanol + Hilfsbase + NaCl) von entscheidender Bedeutung. Dabei treten (nahe Raumtemperatur) zweiphasige flüssige Systeme, zweiphasige (fest-flüssig) Systeme und dreiphasige (flüssig-flüssig-fest) Systeme auf. Diese Phasengleichgewichte wurden vermessen und modelliert.
Bearbeitet wurde das Forschungsthema von 05/07 bis 12/09 an der Technischen Universität Kaiserslautern, Lehrstuhl für Thermodynamik (Erwin-Schrödinger-Straße, 67663 Kaiserslautern, Tel.: 0631/2053497) unter Leitung von Prof. Dr. H. Hasse (Leiter der Forschungsstelle Prof. Dr. H. Hasse) und der Technischen Universität Kaiserslautern, Lehrstuhl für Thermische Verfahrenstechnik (Erwin-Schrödinger-Straße, 67663 Kaiserslautern, Tel.: 0631/2052117) unter der Leitung von Prof. Dr. H.-J. Bart (Leiter der Forschungsstelle Prof. Dr. H.-J. Bart).
Das IGF-Vorhaben Nr. 14995 N der Forschungsvereinigung Forschungs-Gesellschaft Verfahrens-Technik e.V., Theodor-Heuss-Allee 25, 60486 Frankfurt am Main wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.