Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Ionische Fl\u00fcssigkeiten sind Salzschmelzen mit Schmelzpunkten unter 100\u00b0C, die vor allem auf Grund ihrer sehr geringen Fl\u00fcchtigkeit und ihrer sehr variablen, oft ungew\u00f6hnlichen L\u00f6slichkeitseigenschaften neue Aspekte f\u00fcr die Entwicklung neuer Verfahren und Produkte bieten. Heute werden ionische Fl\u00fcssigkeiten weltweit intensiv beforscht (alleine im Jahr 2005 wurden mehr als 2200 Publikationen und Patente ver\u00f6ffentlicht) und eine Reihe von technischen Anwendungsbeispielen sind mittlerweile bekannt geworden.<\/p>\n
Ionische Fl\u00fcssigkeiten, die mit Wasser eine Mischungsl\u00fccke aufweisen, besitzen zahlreiche interessante Anwendungsgebiete mit z. T. erheblichem Umweltentlastungspotential. Als Beispiele f\u00fcr solche Anwendungen seien an dieser Stelle nur exemplarisch genannt:
\n(1)\tDie selektive Extraktion von Schwermetallionen (auch radioaktiven Metallionen) aus Wasser;
\n(2)\tdie Gewinnung hochpolarer Reaktionsprodukte durch Extraktion; ein solcher
\n Aufarbeitungsschritt ist insbesondere im Rahmen der nachhaltigen Bioproduktion in ionischen
\n Fl\u00fcssigkeiten von hoher Bedeutung, da hier die Isolierung der meist polaren und sehr
\n hochsiedenden Produkte am einfachsten durch Extraktion in Wasser gelingt.
\n(3)\tdie Reinigung ionischer Fl\u00fcssigkeiten von ionischen oder hochpolaren Nebenprodukten durch
\n W\u00e4sche mit Wasser zur Regeneration und Reinigung der ionischen Fl\u00fcssigkeit. <\/p>\n
Leider sind die bisher bekannten und bereits vielfach eingesetzten nicht-Wasser-mischbaren (hydrophoben) ionischen Fl\u00fcssigkeiten aus Umweltgesichtspunkten und praktischen Erw\u00e4gungen wenig befriedigend. Es handelt sich dabei ausschlie\u00dflich um Ionenkombinationen, die stark fluorhaltige Anionen tragen. Dadurch sind die Substanzen zum einen sehr teuer (auf Grund der sehr teuren Einsatzstoffe f\u00fcr ihre Synthese), zum anderen werden wichtige Entsorgungsoptionen (Verbrennung, Abbau in biologischen Kl\u00e4ranlagen) erheblich erschwert. Einige der wichtigsten Vertreter, insbesondere Salze mit den Anionen [PF6]- und [BF4]- zeigen zudem eine recht deutliche Neigung zur Zersetzung in Anwesenheit von Wasser. Bei dieser Zersetzung wird das hochtoxische und au\u00dferordentlich korrosive Gas HF freigesetzt, was eine erhebliche, zus\u00e4tzliche Umweltgef\u00e4hrdung darstellt. Daher besteht ein dringender Bedarf an halogenfreien, hydrophoben ionischen Fl\u00fcssigkeiten mit mittlerer bis niedriger Viskosit\u00e4t, die eine wesentlich bessere Umweltvertr\u00e4glichkeit zeigen, als die heutigen bekannten.<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenIn diesem Projekt soll es in einer Zusammenarbeit des Lehrstuhls f\u00fcr Chemische Reaktionstechnik (Prof. Peter Wasserscheid) der Universit\u00e4t Erlangen-N\u00fcrnberg mit der Firma Solvent Innovation GmbH K\u00f6ln (KMU, 12 Mitarbeiter) gelingen, halogenfreie und damit deutlich umweltfreundlichere ionische Fl\u00fcssigkeiten zu entwickeln und herzustellen, die eine Mischungsl\u00fccke mit Wasser aufweisen und dabei eine Viskosit\u00e4t bei Raumtemperatur von 1000 mPas nicht \u00fcberschreiten. Im Projekt sollen innerhalb der ersten 12 Monate die synthetischen Ans\u00e4tze getestet und validiert werden (Meilenstein 1). Die vielversprechenden Ans\u00e4tze werden im zweiten Jahr in die halbtechnische Produktion (30 Liter-Ma\u00dfstab) \u00fcberf\u00fchrt und die entsprechende Anwendungstechnik rund um die neuen Stoffklassen intensiv entwickelt, so da\u00df zeitnah nach Projektende dem Markt die neuen, umweltfreundlichen Alternativen zur Verf\u00fcgung stehen sollten.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Aufbauend auf den ersten Arbeiten zur Alkylierung mit Alkylphosphaten wurde \u00fcber verschiedene Zugangsrouten wurde im ersten Projektjahr eine Bibliothek von insgesamt 33 verschiedenen Phosphat-ILs synthetisiert und physikalisch-chemisch als auch nach den wichtigsten anwendungstechnischen Gr\u00f6\u00dfen wie Langzeitstabilit\u00e4t und Korrosionsverhalten charakterisiert. Es zeigte sich das alle Phosphat-ILs mit Wasser mischbar sind. Mit steigender Kettenl\u00e4nge nimmt zwar die Mischungsl\u00fccke zu, aber im gleichen Ma\u00dfe auch der tensidische Charakter, so dass immer eine Mischbarkeit erhalten bleibt. Verglichen mit der kommerziell bereits im Tonnenma\u00dfstab vertriebenen IL, EMIM EtSO4, weisen die kurzkettigen Phosphate ein verbessertes Eigenschaftsprofil wie h\u00f6here Dauertemperaturstabilit\u00e4t und Hydrolysestabilit\u00e4t sowie besseres Korrosionsverhalten auf. Das L\u00f6sungsverhalten dieser IL-Klasse f\u00fcr z.B. Cellulose oder Holz ist au\u00dferordentlich, so dass weitere Untersuchungen zur Verf\u00fcgbarkeit von Biomasse sinnvoll sind. Das \u00d6kotoxische Potential wurde im Unterauftrag an der FH Neubrandenburg mit den Methoden des Leuchtbakterientestes, Ames-Test mit Salmonella Zelllinien und dem roten Blutk\u00f6rperchen nach Invittox Protocol No. 37 untersucht. Es zeigte sich, dass die hier synthetisierten kurzkettigen Phosphate ein besseres wie \u00f6kotoxisches Potential aufweisen als die nicht kennzeichnungspflichtig eingestufte IL EMIM EtSO4.<\/p>\n
Basierend auf den Arbeiten von Cavell wurde das Konzept des Austausches der aciden Protonen fortgef\u00fchrt und neuartige Kationenstrukturen synthetisiert deren weitere Charakterisierung zeigte, dass es sich um eine hochtemperaturstabile Modifikation handelt.
\nEs gelang eine Bibliothek von 35 Substanzen zu synthetisieren. Durch geschickte Symmetrieerniedrigung konnten auch niedrig schmelzende Verbindungen, beispielhaft von -34\u00b0C bzw. -42\u00b0C bei gleichzeitig hoher thermischer Stabilit\u00e4t von bis zu 436\u00b0C erhalten werden. Leider wiesen alle nicht Fluor enthaltenden Verbindungen nur sehr geringe Hydrophobizit\u00e4t auf, so dass sie alle mit Wasser mischbar sind. Somit sind auch keine Extraktionen aus w\u00e4ssrigen Medien mit diesen m\u00f6glich. Erstmals bittet sich mit dieser neuen Kationenklasse ein Zugang zu sehr temperaturstabilen ILs f\u00fcr Anwendungstemperaturen bis zu 300\u00b0C wie sie die nicht-chemische Industrie (Maschinenbau, Automobil, etc.) fordert.<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
E. Kuhlmann, S. Himmler, H. Giebelhaus, P. Wasserscheid Green Chem. 2007, 9, 233.
\nE. Kuhlmann, Dissertation 2008, Universit\u00e4t Erlangen
\nM. Uerdingen, Presentation, DBU-Veranstaltung Osnabr\u00fccker Gespr\u00e4che zu ionischen Fl\u00fcssigkeiten 2008<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
Die enge Kooperation im Projekt zwischen den langj\u00e4hrigen Partnern hat zu einer raschen Analyse der drei Synthesestrategien beigetragen und zu einem effizienten Aufbau der Phosphat-IL Substanzbibliothek. Die \u00f6kotoxikologische Analyse als auch die Untersuchung der Anwendungsparameter zeigte, dass es sich um eine wirtschaftlich sehr interessante Substanzklasse handelt, deren Eigenschaftsprofil wie h\u00f6here Dauertemperaturstabilit\u00e4t, Hydrolysestabilit\u00e4t und besseres Korrosionsverhalten sowie \u00f6kotoxikologisches Potential, verglichen mit der als nicht kennzeichungspflichtig eingestuften Substanz EMIMEtSO4 verbessert ist. Leider konnten mit dieser nicht alle Kriterien des ersten Meilensteins erf\u00fcllt werden, da diese Phosphat-ILs alle wasserl\u00f6slich sind. Alle anderen Kriterien des ersten Meilensteins wurden erf\u00fcllt.
\nBasierend auf vorhergehenden Arbeiten von Cavell wurde eine neuartige Kationenstruktur synthetisiert und charakterisiert. Es zeigte sich, dass diese gegen\u00fcber den bekannten Sytemen zu stabilisierten Kationen f\u00fchrt, so dass hochtemperatur stabile Systeme erhalten werden. Es gelang eine Bibliothek von 35 Substanzen zu synthetisieren und durch Strukturmodifikation die Symmetrie so zu beinflussen, dass niedrig schmelzende von bis zu -42\u00b0C als auch hoch Temperatur stabile von bis 436\u00b0C zu erhalten. Somit steht eine neue Kationenklasse f\u00fcr hochtemperatur Anwendungen oberhalb von 300\u00b0C, wie sie beispielsweise die nicht-chemische Industrie (Maschinenbau, Automobil, etc.) fordert, zur Verf\u00fcgung.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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