Zielsetzung und Anlass des Vorhabens: Chemische Reaktionen bedürfen in der Regel des Einsatzes signifikanter Mengen an Lösungsmitteln. Eine Reduzierung der Menge bzw. der Anzahl im Verlaufe einer chemischen Synthese kann zur Steigerung der Nachhaltigkeit des Prozesses und zur Reduzierung der Umweltlast beitragen. Insbesondere Reaktionen zwischen Feststoffen stellen eine Herausforderung an die Verfahrenstechnik dar, da diese in der Regel zuerst gelöst werden müssen. Kugelmühlen haben sich in diesem Zusammenhang als Werkzeug für die Realisierung von Reaktionen zwischen Feststoffen bewährt (DBU-Projekt AZ 27281-31). Die Kombination von hoher Mischeffizienz und der in situ Energieerzeugung führt zu einer Überwindung von Transportlimitierungen und ermöglicht entsprechende Reaktionen. Bisher wurden derartige Synthesen in der Regel in Planeten- oder Schwingkugelmühlen im Labormaßstab durchgeführt. Für eine Abschätzung des technologischen Potentials sind maßstabsvergrößerte Reaktionen in Rührwerkskugelmühlen mit der Möglichkeit eines aktiven Wärmemanagements sinnvoll.
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten Methoden: Im Mittelpunkt dieses Projektes stehen Untersuchungen zur Maßstabsvergrößerung organisch-chemischer Reaktionen in Kugelmühlen sowie die Erstellung von Skalierungskriterien für einen Übergang von Planetenkugelmühlen für Laboruntersuchungen hin zu Rührwerkskugelmühlen für den Einsatz im Technikum oder für kleinen Produktionskampagnen. An ausgewählten Beispielen soll gezeigt werden, inwieweit dieses Ziel erreicht werden kann. Als Ausgangspunkt für eine Maßstabsvergrößerung sind detaillierte Reaktionsstudien in Planetenkugelmühlen notwendig. Auf Basis dieser Daten ist eine Übertragung der Reaktionen auf Rührwerkskugelmühlen geplant. Über entsprechende Versuchsreihen mit unterschiedlich großen Mühlen sollen Parameter identifiziert und Kriterien festgelegt werden, welche die Übertragung einer Reaktion vom Labor- in den Pilotmaßstab gewährleisten. In diesem Zusammenhang ist die Modellierung der Mahlkörperbewegungen in beiden Typen von Kugelmühlen notwendig. Anhand dieser Modellierung können Aussagen zum globalen Energieeintrag als auch zur Energieübertragung bei einzelnen Mahlkörperkollisionen getroffen werden, welche mit kinetischen Daten von Reaktionen zu koppeln sind, um die Prozesse des reaktiven Vermahlens in ihrer Gesamtheit abbilden zu können. Darüber hinaus ist ein Ziel dieser Studie, reaktive Prozesse in Kugelmühlen in Form von Energiebilanzen zu bewerten, um derartige Systeme mit klassischen Syntheserouten in Lösungsmitteln vergleichen zu können.
Fazit: Innerhalb des Projektes konnte gezeigt werden, dass eine Maßstabsvergrößerung mechanochemischer Reaktion in Planetenkugelmühlen und im Simoloyer® ohne Lösungsmittel unter Beibehaltung von Ausbeute und Reaktionszeit möglich ist.
Zielsetzung und Anlass des Vorhabens: Die Durchführung von chemischen Synthesen unter den Gesichtspunkten Nachhaltigkeit, Ressourcenschonung und Energieeinsparung ist eines der wichtigsten Betätigungsfelder der modernen organischen aber auch anorganischen Chemie. In diesem Zusammenhang ist die Durchführung von lösungsmittelfreien Reaktionen unter mechano-chemischen Bedingungen eine interessante Methode um Ressourcen einzusparen oder die Energieübertragung effizienter zu gestalten. Das Ziel dieses Projektes soll darin liegen, das allgemeine Verständnis von mechano-chemisch initiierten organisch-chemischen Reaktionen in Planetenkugelmühlen zu festigen und offenzulegen, welchen Einfluss verschiedene apparative Parameter einer ausgewählten Planetenkugelmühle auf organisch-chemische Reaktionen ausüben.
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten Methoden: Anhand vorangegangener Arbeiten hat sich gezeigt, dass für eine erfolgreiche Reaktion unter mechanochemischen Bedingungen mindestens ein, besser alle Reaktionspartner fest sind. Da die Energieübertragung auf die Reaktanden (und damit die Initiierung der Reaktion) in diesen Fällen durch Schlag, Prall oder Reibung erfolgt, ist diese Übertragung im Falle von flüssigen Reaktionspartnern wenig effektiv. Des Weiteren haben jüngste Arbeiten gezeigt, dass neben chemischen Faktoren auch technische Parameter (z.B. Mahlmaterial, Mahldauer, Anzahl von Mahlkugeln, Umdrehungszahl) den Fortgang von mechanochemisch induzierten Reaktionen maßgeblich beeinflussen. Aus diesem Grund soll innerhalb dieses Vorhabens der Einfluss diverser technischer Parameter einer Planetenkugelmühle auf Beispielreaktionen zwischen festen Reaktionspartnern untersucht werden, mit dem Ziel diese Parameter hinsichtlich ihres Einflusses zu klassifizieren. Dazu sollen in einer ersten Phase geeignete Reaktionen ausgewählt werden unter der Maßgabe, dass sie ohne Lösungsmittel und in Kugelmühlen durchführbar sind. Im Anschluss daran ist geplant, am Beispiel einer Zweikomponentenreaktion und im Weiteren für eine Dreikomponentenreaktion den Einfluss unterschiedlicher apparativer Einflussfaktoren zu untersuchen. Daneben soll die Effizienz der Energieübertragung im Vergleich zu andern Methoden des nicht-klassischen Energieeintrages (Mikrowelle, Ultraschall) überprüft werden.
Fazit: Innerhalb des Projektes konnte gezeigt werden, dass organisch-chemische Reaktionen in Kugelmühlen erfolgreich durchführbar sind. Durch einen Verzicht von Lösemitteln während der Reaktionsstufe und der systembedingten Bereitstellung von Energie im Reaktor sowie der hohen Mischeffizienz werden Feststoffsynthesen ermöglicht. Darüber hinaus kann die Energie- und Stoffintensität solcher Prozesse signifikant verbessert werden. Hinsichtlich des Einsatzes der Technologie für maßstabsvergrößerte Synthesen unter kontinuierlichen Betriebsbedingungen sowie in Bezug auf eine umfassende ökologische und ökonomische Bewertung ergibt sich weiterer Forschungsbedarf.