Konversion von Ethanol zu Butanol an heterogenen Katalysatoren

Mit einer Jahresproduktion von mehr als 3,6 Millionen Tonnen zählt n-Butanol (Butanol) zu einer der wichtigsten Commodities weltweit. Es wird großtechnisch aus Propylen mittels der Oxo-Synthese gewonnen. Demgegenüber steht Ethanol mit einer Produktionsmenge von 85 Mio. t/a, im größten Fermentationsprozess der Welt hergestellt, kostengünstig und in großen Mengen zur Verfügung. Aufgrund schwindender fossiler Ressourcen und der zusätzlichen Verknappung von Propylen durch Schiefergas-Fracking werden alternative Herstellungsmethoden für Butanol immer wichtiger. Einer dieser Methoden stellt die Guerbet-Reaktion dar, bei der Ethanol an heterogenen Katalysatoren zu Butanol kondensiert. In dieser Arbeit wurden heterogene Katalysatoren für eine diskontinuierliche sowie kontinuierliche Reaktionsführung der Guerbet-Reaktion von Ethanol zu Butanol entwickelt. Dafür wurden zunächst infolge der Ergebnisse von Screeningversuchen, unter vorher etablierten Standardbedingungen, Hydroxyapatite (HAP), Hydrotalcite (HT), Magnesiumoxide (MgO) und Aluminiumoxide (Al2O3) intensiver studiert. Vor allem HT (SBuOH=55-68%) und selbst-hergestellte MgO (SBuOH = 72%) erzielten vielversprechende Ergebnisse. Anschließend wurden die Trägermaterialien HAP, HT-Mg70, MgO-425°C und Al2O3 zur Herstellung von Metallträgerkatalysatoren verwendet, die dann umfassend getestet wurden. Die Ergebnisse der Versuche verdeutlichten, dass mit geringen Mengen eines Metalls im Vergleich zu den reinen Trägermaterialien höhere Umsätze und Butanol-Selektivitäten erreicht werden können. Des Weiteren wurde exemplarisch die Langzeitstabilität für 1% Co/Al2O3 und 10% Ni/Al2O3 in Repeated-Batches sowie im Konti-Reaktor untersucht, die sich mit konstanten Umsätzen und Selektivitäten im Konti-Reaktor für beide Katalysatoren als sehr gut herausstellte. Infolgedessen erfolgte mit den Katalysatorsystemen eine Optimierung, die besonders die große Auswirkung der Katalysatorreduktion auf die Ergebnisse der Reaktion zeigte. Anschließend wurde der Einfluss verschiedener Reaktionsparameter im Batch- und Konti-Reaktor auf die Reaktion studiert, um den Umsatz sowie die Butanol-Selektivität zu steigern. Zusätzlich wurden auch Versuche zum Mechanismus und des Reaktionsnetzwerkes der Guerbet-Reaktion durchgeführt, wofür verschiedene Intermediate, Nebenprodukte und Butanol als Edukte im Batch-Reaktor eingesetzt wurden. Die Ergebnisse der Experimente deuteten auf einen mehrstufigen Mechanismus der Reaktion von Ethanol zu Butanol hin.