Ein neues, umweltfreundliches Verfahren zur Herstellung von Propylenoxid (PO) – einem wichtigen Bestandteil in Alltagsgegenständen wie Sofas, Matratzen und Wasserflaschen – wurde entwickelt. Das Besondere an dieser Innovation ist die Möglichkeit, ohne externe Energiequellen wie Strom oder Sonnenlicht auszukommen.
Das Problem mit der traditionellen PO-Produktion
Propylenoxid entsteht durch Oxidation von Propylen. In der Vergangenheit basierte dieser Prozess auf Wasserstoffperoxid (H₂O₂), das typischerweise aus dem Anthrachinon-Prozess stammte. Diese Methode ist problematisch, da sie stark von fossilen Brennstoffen abhängt und erhebliche Kohlendioxidemissionen (CO₂) erzeugt, die zum Klimawandel beitragen.
Ein Durchbruch: Eigene H₂O₂-Erzeugung
Forscher unter der Leitung der Professoren Ja Hun Kwak und Ji-Wook Jang von der UNIST haben zusammen mit Professor Sung June Cho von der Chonnam National University ein selbstfahrendes System entwickelt, das PO mit selbst erzeugtem Wasserstoffperoxid produzieren kann. So funktioniert es:
- Autonome H₂O₂-Erzeugung: Das System erzeugt H₂O₂ durch eine elektrochemische Reaktion unter Beteiligung von Sauerstoff und Formaldehyd. Diese Reaktion wird durch ein chemisches Potenzial – die Energiedifferenz zwischen den Reaktanten und Produkten – angetrieben, wodurch das System spontan und ohne externe Energie arbeiten kann.
- Integrierte PO-Synthese: Das erzeugte H₂O₂ reagiert dann mit Propylen im System und synthetisiert direkt Propylenoxid.
- Katalysatorinnovation: Das Team verbesserte die Struktur des Katalysators erheblich und überwand damit eine Einschränkung herkömmlicher Zeolithkatalysatoren (TS-1), die in alkalischen Umgebungen weniger wirksam werden. Dieser Fortschritt erhöht die Effizienz der Propylenoxidation und steigert die PO-Ausbeute.
Leistungs- und wirtschaftliche Vorteile
Das neue System zeigt beeindruckende Leistung:
- Hohe Leistung: Innerhalb von 24 Stunden produzierte das System 1.657 Mikromol (μmol) PO pro Quadratzentimeter (cm²), etwa achtmal mehr als frühere umweltfreundliche Produktionsmethoden auf H₂O₂-Basis.
- Sauberes Energie-Koppelprodukt: Der Prozess kann gleichzeitig auch Wasserstoff (H₂) erzeugen, eine saubere und wertvolle Energiequelle.
- Reduzierte Kosten: Wirtschaftsanalysen deuten darauf hin, dass dieses neue System die PO-Produktionskosten um etwa 8 % senken und den Preis auf etwa 2,168 US-Dollar pro Kilogramm senken kann – ein Wettbewerbsvorteil gegenüber herkömmlichen Methoden.
Dezentrale und zugängliche Produktion
Über die Kosteneinsparungen hinaus bietet das System erhebliche betriebliche Vorteile:
- Vereinfachtes Design: Es macht komplexe Vorbehandlungsschritte und energieintensive Hochtemperatur- und Hochdruckgeräte überflüssig.
- Erzeugung vor Ort: Die Produktion von H₂O₂ vor Ort minimiert Transport- und Lagerkosten sowie logistische Herausforderungen.
- Skalierbarkeit und Flexibilität: Das modulare Design ermöglicht eine einfache Installation an verschiedenen Standorten, erleichtert die maßgeschneiderte Produktion in kleinem Maßstab und fördert eine Verlagerung weg von der zentralisierten Fertigung hin zu stärker verteilten Systemen.
„Dieser modulare Prozess lässt sich problemlos an verschiedenen Standorten installieren, ermöglicht eine maßgeschneiderte Produktion in kleinem Maßstab und fördert den Wandel von der zentralisierten Großserienfertigung hin zu dezentralen, verteilten Systemen“, sagt Professor Jang.
„Diese Arbeit stellt einen bedeutenden Fortschritt bei der Überwindung der seit langem bestehenden Einschränkungen von Zeolithkatalysatoren dar und ebnet den Weg für eine viel nachhaltigere und umweltfreundlichere chemische Industrie“, fügt Professor Kwak hinzu.
Diese Innovation stellt einen bedeutenden Schritt hin zu einer nachhaltigeren chemischen Industrie dar und könnte die Art und Weise, wie wesentliche Kunststoffbestandteile hergestellt werden, revolutionieren, indem sie den Prozess effizienter, kostengünstiger und umweltfreundlicher macht. Es unterstreicht das Potenzial der Nutzung des chemischen Potenzials zur Förderung nachhaltiger Industrieprozesse.
