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Einfluss von Betriebsbedingungen und Rezyklierkonzept auf Energieeffizienz, Selektivität und Stabilität in der kontinuierlichen elektrochemischen Synthese

Baumgarten, Nils (2023)
Einfluss von Betriebsbedingungen und Rezyklierkonzept auf Energieeffizienz, Selektivität und Stabilität in der kontinuierlichen elektrochemischen Synthese.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00023182
Ph.D. Thesis, Primary publication, Publisher's Version

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Item Type: Ph.D. Thesis
Type of entry: Primary publication
Title: Einfluss von Betriebsbedingungen und Rezyklierkonzept auf Energieeffizienz, Selektivität und Stabilität in der kontinuierlichen elektrochemischen Synthese
Language: German
Referees: Etzold, Prof. Dr. Bastian J. M. ; Rose, Prof. Dr. Marcus
Date: 2023
Place of Publication: Darmstadt
Collation: xiv, 117, VII Seiten
Date of oral examination: 24 April 2023
DOI: 10.26083/tuprints-00023182
Abstract:

Elektroorganische Chemie ermöglicht die Entwicklung neuer und umweltfreundlicher Syntheserouten. Zur Durchführung der Elektrosynthesen sind geeignete Flussreaktoren nötig, welche die Entwicklung und das Screening der Synthesen im Labormaßstab ermöglichen und gleichzeitig die Überführung in den Pilotmaßstab erlauben. Dazu wurde ein modulares und flexibles Reaktorkonzept entwickelt. Ziel dieser Arbeit war die Evaluierung des elektrochemischen Mikroreaktors in einer Testreaktion sowie Aufbau und Integration in eine Pilotanlage zur Entwicklung eines kontinuierlichen Elektrolyseprozesses. Als Modellreaktionen wurde zum einen die aromatische C-C-Kopplung von 2-Naphthol im sauren organischen Elektrolyten durchgeführt. Durch die Reduktion der Verweilzeit konnte die Überoxidation des Substrates und die daraus folgende Bedeckung der Bor-dotierten Diamantanode mit einer organischen Schicht deutlich reduziert werden. Innerhalb von Rezyklierungsversuchen konnten Ausbeuten von bis zu 50 % bei fast vollständigem Umsatz erreicht werden, wobei sich die Gesamtselektivität und -produktivität aufgrund zunehmender Elektrodenbedeckung und abnehmender Substratkonzentration reduzierten. Es konnte eine Korrelation der Stromdichte- und Umsatzkurven in Abhängigkeit der Reaktionszeit gefunden werden. Aufgrund der zunehmenden Elektrodenbedeckung und einer generell aufwendigeren Prozessführung zur Trennung und Elektrolyt-Aufarbeitung des einphasigen Systems, wurde die Elektrolyse nicht in den kontinuierlichen Betrieb überführt. Weiterhin wurde die Kolbe Elektrolyse von n-Oktansäure im wässrigen Elektrolyten unter basischen Bedingungen durchgeführt. Für Stromdichten von 0,3-0,5 A cm 2 wurde durch die Reduktion der Verweilzeit hohe Selektivität der Fettsäure zu Kolbe Produkten erhalten (bis 96 %). Die Modularität und Flexibilität des Reaktorkonzepts wurde durch die Synthese in einer geteilten Zelle, das Anlegen eines Gegendrucks (bis 25 bar) und den parallelen Betrieb von bis zu 4 Zellen aufgezeigt. Durch die Weiterentwicklung des Anodenmaterials (platiniertes Titan) konnte eine bessere Langzeitstabilität der Elektroden erreicht werden. Aufgrund der spontanen Phasentrennung der Reaktionsmischung konnte die wässrige Phase isoliert, mit Fettssäure und KOH versetzt und wieder als Startelektrolyt verwendet werden. Um diesen Prozess zu realisieren und durchzuführen, wurde eine Pilotanlage aufgebaut. Im kontinuierlich betriebenen Prozess reduzierte sich der Umsatzgrad an Fettsäure von 62 % auf 26 % und die Kolbe Selektivität von 92 % auf 84 % innerhalb einer Reaktionszeit von 4 Stunden. Die Untersuchungen weisen darauf hin, dass die Akkumulation von Carbonaten im Elektrolyten durch die Reaktion von KOH und CO2 hierfür verantwortlich ist. Durch halkontinuierliche Elektrolyseversuche mit CO2-Stripping vor der KOH- und Fettsäurezugabe zeigte sich, dass hauptsächlich die steigende KHCO3 Konzentration die Kolbe Elektrolyse negativ beeinflusst.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Electroorganic chemistry enables the development of new and sustainable synthesis routes. To carry out electrosyntheses, suitable flow reactors are needed which allow the development and screening of the syntheses on a laboratory scale and at the same time allow the transfer to pilot scale. For this purpose, Fraunhofer IMM developed a modular and flexible reactor concept. The aim of this work was to evaluate the electrochemical microreactor and integrate it into a pilot plant for the development of a continuous electrolysis process. As first model reaction to evaluate the reactor the aromatic C-C coupling of 2-Naphthol in acidic organic electrolyte was carried out. By reducing the residence time, the overoxidation of the electroactive substrate and the resulting coverage of the Boron-doped diamond anode with an organic layer could be significantly reduced. Within recycle experiments, yields of up to 50% could be achieved with almost complete conversion, although overall selectivity and productivity were reduced due to increasing electrode coverage and ongoing consumption of the electroactive substrate. Moreover, a correlation between current density- and conversion-curves as a function of reaction time was detected. Due to the increasing electrode coverage and a generally more complex process for separation and electrolyte work-up of the single-phase system, the electrolysis was not transferred into continuous operation. Furthermore, Kolbe electrolysis of n-octanoic acid was carried out in aqueous electrolyte under basic conditions. For current densities of 0.3-0.5 A cm 2 and reduced residence times high selectivity for Kolbe products was obtained (up to 96%). The modularity and flexibility of the reactor concept was demonstrated by a synthesis in a divided cell setup, application of back pressure (up to 25 bar) and parallel operation of up to 4 cells. By further developing the anode material to platinized titanium, better long-term stability of the electrodes could be achieved. Due to the spontaneous phase separation of the reaction mixture, the aqueous phase could be isolated and reconcentrated with fatty acid and KOH. The made up electrolyte was used again as educt feed. A pilot plant was set up to realize and carry out this process. In the continuously operated process, the degree of conversion of fatty acid reduced from 62% to 26% and the Kolbe selectivity from 92% to 84% within a reaction time of 4 hours. The studies indicate that the accumulation of carbonates in the electrolyte due to the reaction of KOH and CO2 is responsible for the observed effect. By semi-continuous operation with CO2-stripping before KOH and fatty acid addition it was shown that mainly the increasing KHCO3 concentration deteriorates the electrolysis performance.

English
Status: Publisher's Version
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-231825
Classification DDC: 500 Science and mathematics > 540 Chemistry
Divisions: 07 Department of Chemistry > Ernst-Berl-Institut > Fachgebiet Technische Chemie > Technische Chemie I
Date Deposited: 28 Apr 2023 12:06
Last Modified: 09 May 2023 11:26
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/23182
PPN: 507602137
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