Einfluss von N- und O-haltigen Heteroatomen auf die kontinuierliche oxidative Entschwefelung von flüssigen Kraftstoffen

Stand der Technik

Basierend auf der aktuellen Debatte bezüglich Schadstoffausstoß werden immer strengere Umweltschutzbestimmungen für die Verbrennung flüssiger Kraftstoffe beschlossen. So auch für den Stickoxid- und Feinstaubausstoß von Kraftfahrzeugen. Einerseits müssen höhere Verbrennungstemperaturen erreicht werden, um Feinstaub zu reduzieren, andererseits wird dadurch aber mehr NO_x produziert. Um speziell den NO₂ Grenzwert von 34 ppbw in der Außenluft einzuhalten, ist eine weitestgehend vollständige Stickstoffentfernung aus flüssigen Kraftstoffen unumgänglich.

Die derzeitig verwendete Technologie zur Stickstoffentfernung basiert auf der Hydrierung von Stickstoffverbindungen mittels NiMo- oder CoMo- Festbett-Katalysatoren (Hydrodenitrification, HDN).

Für die HDN sind Temperaturen von 300 °C – 400 °C und Wasserstoffdrücke von 40 bar – 170 bar notwendig. Diese harschen Reaktionsbedingungen werden benötigt, um auch die schwer zu entfernenden N-Verbindungen wie Pyridin, Pyrrol und deren Derivate zu hydrieren. Da solche harschen Reaktionsbedingungen sowie große Mengen an Wasserstoff (90 % der gesamten Produktionsmenge an Wasserstoff, werden aktuell mittels Dampfreformierung aus fossilen Rohstoffen gewonnen!) unerwünscht sind, besteht seit Langem das Interesse an einem alternativen, möglichst wasserstofffreiem Verfahren zur Stickstoffentfernung.

Oxidative Stickstoffentfernung

Eine Alternative zu der aufwendigen HDN bietet die oxidative Stickstoffentfernung (Oxidative Denitrification, ODN). Dabei werden die organischen Stickstoffverbindungen mittels eines geeigneten Oxidationsmittels und dem entsprechenden Katalysator zu CO₂ und N₂ oxidiert. Katalysatorsysteme die sich hierfür eignen sind Polyoxometallate. Die Reaktionstemperaturen für die ODN liegen bei 30 °C – 120 °C und sind somit signifikant niedriger als bei der HDN. Als Oxidationsmittel findet üblicherweise Wasserstoffperoxid Einsatz, jedoch zeigen erste Versuche mit elementarem Sauerstoff gute Ergebnisse, wodurch dies eine kostengünstigere und grüne Alternative bietet.

Unser Ziel in der Arbeitsgruppe „Biomasse und nachhaltige Erzeugung von Plattformchemikalien“ ist es, das bereits etablierte System der Extractive Oxidative Desulfurization (EODS) mit dem wasserlöslichen Polyoxometallat-Katalysatorsystem HPA-5 (H₈PV₅Mo₇O₄₀), um die oxidative Entfernung von Heteroatomen wie Stickstoff und Sauerstoff zu erweitern. Hierfür werden speziell Indole und Furane, sowie deren Derivate als Modellverbindungen verwendet. Dabei soll neben der Charakterisierung der Reaktionsprodukte auch Einflüsse wie Matrixeffekte oder Kraftstoffgemische untersucht werden. Zudem soll eine Vereinfachung des Katalysatorsystems bestehend aus HPA‑1/VOSO₄ untersucht werden.

Dieses Projekt wird gemeinsam mit der Arbeitsgruppe von Prof. Jess am Lehrstuhl für Chemische Verfahrenstechnik der Universität Bayreuth bearbeitet. Des Weiteren kooperieren wir eng mit der Arbeitsgruppe von Dr. Skiborowski der TU Dortmund im Bereich der Produktaufreinigung. Das Projekt wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) unter dem Förderkennzeichen AOBJ: 655412 über einen Zeitraum von drei Jahren großzügig gefördert.