Ziel der Entwicklung

Katalytische Verfahren spielen in der chemischen Industrie eine Schlüsselrolle und werden in einer Vielzahl von Prozessen eingesetzt. Aufgrund des Wandels der chemischen Industrie von der linearen zur Kreislaufwirtschaft besteht gegenwärtig ein hoher Entwicklungsbedarf, sodass sich die Katalyse rasant entwickelt hat. Es wurden Katalysatoren neu entwickelt, in ihrer Leistungsfähigkeit verbessert und neue katalytische Prozesse, insbesondere für die Nutzung von Nachwachsenden Rohstoffen und Produktchargen aus der Recyclingtechnik, entwickelt. Sowohl die Trägermaterialien als auch die Aktivkomponenten der Katalysatoren wurden gezielt verbessert, um die Selektivität und Aktivität weiter zu erhöhen. Andererseits vollzieht die Chemische Industrie einen Wandel von der Petrochemie mit Erdöl, Erdgas und Kohle als Ausgangsmaterialien hin zur Kreislauf- und Recyclingwirtschaft.

Bei den dafür zu entwickelnden neuen Transformationstechnologien ergeben sich eine Vielzahl neuer Herausforderungen, da die eingesetzten Stoffströme aufgrund der Nutzung neuer Edukte und Eduktgemische, insbesondere aus dem Bereich der nachwachsenden Rohstoffe, als auch aus Recyclingströmen, neuartige Spurenkomponenten enthalten, deren Wirkung auf die bewährten und neu entwickelten Katalysatoren detailliert untersucht werden muss. Um die Prozesse stabil gestalten zu können, ist insbesondere die Alterung der Katalysatoren zu prüfen, sodass diese über Monate hinweg eingesetzt werden können. Da bisher verfügbare Einsatzstoffe durch nachwachsende Rohstoffe oder Recyclinggemische ersetzt werden müssen, besteht die Notwendigkeit der Entwicklung neuartiger katalytischer Syntheserouten. Beispielsweise sind für die Umsetzung von Kohlendioxid zu Methan neue Prozesse zu entwickeln, die Katalysatoren mit teilweise hochspezialisierten Eigenschaften erfordern. Aufgrund dieser Herausforderungen besteht im Bereich der anwendungsnahen Charakterisierung der Bedarf an neuen Messmethoden und Messkonzepten, die die bewährten Charakterisierungsmethoden der Katalysatorentwicklung sinnvoll ergänzen.

Das Ziel des Vorhabens bestand deshalb in der Entwicklung von Messverfahren und der entsprechenden Messanordnung für die Untersuchung von Vergiftungs- und Alterungsprozessen in der Katalyse sowie zur Testung von Möglichkeiten der Entfernung der Katalysatorgifte aus entsprechenden Stoffströmen.

Vorteile und Lösungen

Mithilfe der entwickelten Messverfahren und neuen Messanordnungen können die Alterungserscheinungen und Vergiftungseffekte bei katalytischen Prozessen in der Gasphase und in der Flüssigphase insbesondere unter anwendungsnahen Bedingungen untersucht werden. Diese Methoden stellen eine wesentliche Ergänzung zu den etablierten Messmethoden zur Charakterisierung von Katalysatoren dar.
Dabei können einerseits neue Edukte, die beispielsweise auf nachwachsenden Rohstoffen basieren, eingesetzt werden, um den Einfluss von bisher unbekannten Spurenkomponenten auf die Katalyse zu identifizieren, um so die lineare Wirtschaft durch die Kreislaufwirtschaft in der chemischen Industrie abzulösen.
Andererseits können neu entwickelte Katalysatoren in diesen Anordnungen für die unterschiedlichsten Prozesse getestet werden, um Alterungs- bzw. Vergiftungserscheinungen zu identifizieren.
Ebenso sind Untersuchungen zur Verhinderung der Vergiftung bzw. der Alterung der Katalysatoren möglich, indem die identifizierten Katalysatorgifte gezielt durch Opferkatalysatoren oder Adsorbentien aus dem Fluid entfernt werden.

Zielgruppe und Zielmarkt

Aufgrund der stetig steigenden Anforderungen an die Katalyse, die u. a. auf dem gestiegenen Umweltbewusstsein, auf einer strengeren Gesetzgebung im Umweltschutz und auf den Zielvorgaben aus der chemischen Industrie basieren, ist mit der Entwicklung hochleistungsfähiger Katalysatoren insbesondere unter ökonomischen und ökologischen Gesichtspunkten ständig ein hoher Bedarf und ein entsprechender Markt zu verzeichnen.

In der chemischen Industrie sind die Mehrzahl der Umsetzungen Katalysen. Katalysatoren eröffnen neue Syntheserouten. Derzeit wird geschätzt, dass etwa 80 % aller chemischen Erzeugnisse eine katalytische Stufe in ihrer Wertschöpfungskette durchlaufen. Deshalb sind Katalysatoren heutzutage aus der Chemietechnik nicht wegzudenken. Die ständig neu entwickelten Katalysatoren zeichnen sich durch immer höhere Reaktivitäten und Selektivitäten aus, was diese effektiver und damit auch ökonomischer macht. Diese Vorteile werden jedoch durch eine komplexe Struktur der Katalysatoren und eine höhere Empfindlichkeit gegenüber Drittkomponenten und Katalysatorgiften erkauft.
Durch die Umstellung der chemischen Industrie von linearer auf Kreislaufwirtschaft und auf den Ersatz petrolbasierter Edukte durch nachwachsende Rohstoffe treten neue Komponenten, die als Katalysatorgift wirken, in den Fokus. Für die Entwicklung neuer oder verbesserter Katalysatorsysteme sind primär die Kenntnisse zu ablaufenden Vergiftungsreaktionen essenziell, um diese bei neuen Katalysatoren durch gezielte Rezepturanpassung möglichst zu vermeiden oder zu minimieren.

Das zweite große Anwendungsfeld der Katalysatoren liegt im Bereich des Umweltschutzes, in der Luftreinhaltung. Hier werden hochbelastete Luftströme, die aus industriellen Prozessen stammen, mittels katalytischer Abgasreinigung von den Schadstoffen befreit. Ein deutlich gestiegenes Umweltbewusstsein und vor allem eine strengere Gesetzgebung haben dazu geführt, dass Abluftströme einer entsprechenden Reinigung unterzogen werden müssen. Der Einsatz von Abluftreinigungsanlagen ist für die meisten Betriebe und Einrichtungen zwingend notwendig. Anlagen zur Abgasreinigung gewinnen insbesondere durch neue gesetzliche Rahmenbedingungen weiterhin weltweit zunehmend an Bedeutung. Im Bereich der Abgasbehandlung werden von den Behörden und aus Sicht der ökologischen Verantwortung der Firmen zunehmend höhere Anforderungen an die Reinheit der Abgase gestellt. Die dafür entwickelten und zu entwickelnden Katalysatoren müssen eine ganze Bandbreite an chemischen Verbindungen aus unterschiedlichen Stoffklassen gleichzeitig zu den entsprechenden nicht oder weniger umweltschädlichen Mineralisierungsprodukten umsetzen, ohne dass sie an Aktivität verlieren.

Besondere Bedeutung kommt den Kohlendioxid-Nutzungstechnologien (englisch Carbon Capture and Utilisation (CCU) für Kohlenstoffabscheidung und -nutzung genannt) für den Klimaschutz zu. Diese sind Technologien und Prozesse, die Kohlenstoffdioxid nach chemischer Umwandlung als Teil einer Kohlenstoffverbindung in Materialien oder Energieträgern verwenden. Solche katalytischen Prozesse sind die Umsetzungen von Kohlendioxid mit Wasserstoff. Je nach Katalysator und Reaktionsbedingungen können in Power-to-X-Verfahren Ameisensäure, Methanol oder höhere Alkohole und Benzin (Fischer-Tropsch-Verfahren) synthetisiert werden. Durch die momentan vorherrschende politische Situation mit der temporären Verknappung der Erdöl- und Erdgasmengen als Energieträger, die mit einem extremen Preisanstieg gekoppelt ist, und der perspektivischen Umstellung der Wirtschaft auf nachhaltige Energieträger ist in diesem Bereich ein enormes Entwicklungs- und Wachstumspotenzial gegeben.

Folgende konkrete Adressaten finden sich für die Anwendung des Messverfahrens:
– Hersteller von Katalysatoren
– Ingenieurbüros und Anlagenbauer, die großtechnische Anlagen für katalytische Prozesse projektieren bzw. bauen.