Forscher entwickeln eine sauberere und effizientere Produktion wichtiger Rohstoffe für Waschmittel

Herkömmliche Techniken zur Erzeugung von Alkylbenzol, einem wichtigen Ausgangsstoff bei der Herstellung von Waschmitteln, erzeugen giftige Halogennebenprodukte. Forscher haben jedoch eine neue Technik entwickelt, die einen effizienteren, billigeren und saubereren Herstellungsprozess des Stoffes ermöglicht.

Ein Papier, das den Prozess beschreibt, war veröffentlicht im Tagebuch ACS-Katalyse am 6. September.

Auf der Suche nach effizienteren und nachhaltigeren chemischen Produktionsverfahren haben Forscher innovative Wege erforscht, um das Potenzial von Alkanen zu nutzen – Verbindungen, die vollständig aus Kohlenstoff- und Wasserstoffatomen bestehen, die durch Kohlenstoff-Kohlenstoff- und Kohlenstoff-Wasserstoff-Einfachbindungen miteinander verbunden sind.

Methan, Ethan, Propan und Butan sind übliche Alkane, und die Hauptquelle für Alkane ist Rohöl und Erdgas. Den Forschern zufolge ist der direkte Einsatz von Alkanen für hochselektive chemische Umwandlungen meist schwierig, da ihre Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindungen sehr stabil und mühsam aufzubrechen sind.

Seifen, Zahnpasta, Waschmittel und Industriereiniger haben ein schmutziges Geheimnis: Sie werden alle mit Alkylbenzolen hergestellt. Normalerweise sind für die Herstellung von Alkylbenzolen zwei bis drei Schritte erforderlich, da noch weitere Verbindungen, sogenannte Alkylierungsmittel, vorhanden sind. Diese Mittel werden in mehreren Schritten aus Alkanen hergestellt und sind für die Alkylierung des Benzols – den Prozess des Anheftens an die Alkylgruppe – erforderlich.

Um die Effizienz dieses Prozesses zu steigern und die Kosten zu senken, indem die Anzahl der erforderlichen Schritte reduziert wird, untersuchten die Forscher die Möglichkeit, einfache Alkane direkt als Alkylierungsmittel für die Alkylbenzolsynthese zu verwenden.

„Es dürfte nicht nur die Kosten senken, sondern auch die Abfallerzeugung verringern und die Produktion rationalisieren und eine umweltfreundlichere Alternative zu herkömmlichen Methoden bieten“, sagte Professor Ken Motokura, Hauptautor der Studie und Chemiker am Fachbereich Chemie und Biowissenschaften an der Yokohama National University.

Traditionell erfolgte die Herstellung von Alkylbenzolen über klassische Friedel-Crafts-Reaktionen, die häufig zur Bildung unerwünschter Nebenprodukte führten, die giftige Halogene enthielten. Herkömmliche Alkylierungsmittel sind Alkylhalogenide, daher entstehen äquimolare Mengen an Nebenprodukten, die Halogenide enthalten.

„Indem wir die zusätzlichen Schritte reduzieren, können wir die Entstehung dieser Nebenprodukte reduzieren“, sagte Motokura.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Methoden erzeugt die direkte Alkylierung mit Alkanen als Alkylierungsmittel als einziges Nebenprodukt harmlosen molekularen Wasserstoff – Wasserstoffgas.

Um diesen Effizienzgewinn zu erzielen, war jedoch die Entwicklung neuartiger Katalysatoren erforderlich – der Schlüsselbestandteil einer chemischen Reaktion, die diese in Gang setzt oder beschleunigt. Die Forscher hatten zuvor herausgefunden, dass Palladium-Nanopartikel (Materiepartikel mit einem Durchmesser von nur 1–100 Nanometern) zu hocheffizienten Katalysatoren für die direkte Alkylierung werden, wenn sie sich auf der Außenfläche von H-ZSM-5-Zeolithen befinden – einer Art kristallinem Material aus Aluminium und Silizium mit vielen mikroskopisch kleinen Poren.

Diese winzigen Poren sind die Stellen, an denen die chemische Reaktion aktiviert wird.

Der Prozess beginnt mit der Aktivierung eines Alkans an den Stellen innerhalb der Zeolithporen, wodurch das Alkan für die Addition eines Benzols, einer organischen Verbindung in Form eines Rings, vorbereitet wird. Dadurch entsteht das Ziel: Alkylbenzol.

Dabei werden zwei Wasserstoffatome (H) aus Alkan und Benzol entfernt. Um die im Zeolith vorhandenen aktiven Zentren zu regenerieren, sollten diese Wasserstoffatome wieder zu einem Wasserstoffmolekül (H2) kombiniert werden. Ein „Wasserstoff-Spillover“-Phänomen tritt auf, wenn Wasserstoffatome von den Aktivierungsstellen zu den Palladium-Nanopartikeln auf der Außenoberfläche wandern, die die Rekombination zu H2 unterstützen.

Den Forschern zufolge liegt die Schönheit der direkten Alkylierung nicht nur in ihrer Effizienz, sondern auch in ihrer Selektivität – der Möglichkeit, einen bestimmten gewünschten Output-Typ gegenüber anderen, weniger gewünschten möglichen Outputs zu erzeugen. Den Forschern gelang es, eine Selektivität von 95,6 % für die gewünschten alkylierten Produkte zu erreichen.

Trotz der Effizienzsteigerungen sei die Gesamtausbeute des Prozesses für industrielle Anwendungen immer noch zu niedrig, sagten die Forscher, weshalb das Team nun darauf abzielt, seine Technik zu optimieren, um die Produktivität zu steigern.