Jakob Jörissen

Environmental protection and economization of resources by electroorganic and electroenzymatic syntheses

The electrochemical methodology is an intrinsically environmentally friendly technique. It is especially excellently suited for preventive environmental protection because the practically mass-free electrons are used as reagents. Therefore, it allows the production of organic compounds without the formation of ecologically critical waste which has to be disposed. In addition, toxic waste formation can be prevented by continuous in situ or two-step electrochemical regeneration of heavy metal redox reagents. By using solid polymer electrolytes (ion-exchange membranes), even the use of a supporting electrolyte can be avoided. Thus, product formation can take place in pure methanol without any other chemical present. The consumption of resources can be economized by generating high-value products on both electrodes, anode and cathode (paired electrosynthesis). In certain cases, the same product may be formed on the anode and the cathode (200%-cell). Finally, in electroenzymatic syntheses, two environmentally friendly methods can be combined for the regeneration of the cofactors or the prosthetic groups of redox enzymes.

The behaviour of ion exchange membranes in electrolysis and electrodialysis of sodium sulphate

There is an increasing interest in the electro-chemical splitting of sodium sulphate into caustic soda solution and sulphuric acid by means of ion exchange membranes. Adaptation of the product properties to the demands of recycling requires the use of cation exchange membranes, anion exchange membranes or a combination of both. Application of available membranes results in product concentrations which are below usual industrial standards. Extensive measurements prove that the current efficiency is either dependent on concentrations of the anode region (sulphuric acid, sodium sulphate) or on the concentrations of the cathode region (caustic soda, sodium sulphate) with regard to the range of concentrations. In order to explain these phenomena a model of an “acid” and an “alkaline” state of the membrane has been developed, which can be applied both for cation and anion exchange membranes. This model is a valuable help in optimizing the concentrations of sodium sulphate, sulphuric acid and caustic soda.

Analysis and minimization of cell voltage in electro-organic syntheses using the solid polymer electrolyte technology

Using an ion exchange membrane as a solid polymer electrolyte (SPE technology) electro-organic syntheses are possible in non-conductive fluids. In order to expand the application limits in non-aqueous media the methoxylation of p-methoxytoluene was investigated as an example of commercial interest. By means of specially adapted equipment, the electrode potentials and the membrane voltage drop have been determined. Via analysis of current interruption measurements, additional information about the electrode behaviour was available. On this basis, a combination of methods has been developed which enables a stationary operation with a minimized cell voltage. The remarkable result of the experiments is that the membrane achieves sufficient conductivity and that too high cell voltages, observed at the beginning of the investigations, are caused mainly by polymer layers on the anode. Ways to lessen their influence have been realized. The results demonstrate that the SPE technology could be extended to new applications in non-aqueous media.

Thermische Trennverfahren II (Absorption, Extraktion u. a.)

Nach einer Ubersicht uber thermische Trennverfahren, die haufig unter Einsatz thermischer Energie arbeiten, wird zunachst die Absorption, die als Gaswasche grose industrielle Bedeutung hat, vorgestellt. Die Flussig-flussig-Extraktion dient in der Industrie als Alternative bzw. Erganzung destillativer Trennverfahren. Ihre graphische Berechnung, industrielle Extraktionsapparate und Verfahrensbeispiele sowie Kriterien fur die Losungsmittelauswahl werden erlautert. Die Adsorption wird einschlieslich der Sonderfalle Ionenaustauscher und chromatografische Verfahren dargestellt. Es folgen kurze Hinweise zur Kristallisation, zur Trocknung und zu Membranverfahren.

Fossile Rohstoffe und Basischemikalien

In diesem Kapitel wird die derzeitige Rohstoffbasis der chemischen Industrie, die fossilen Rohstoffe, wie Erdgas, Kohle und Erdol vorgestellt. Erdol stellt derzeit die groste Saule im Rohstoffmix der chemischen Industrie. Als entscheidende Prozesse zur weiteren Umsetzung werden in diesem Kapitel Schlusselprozesse zur Nutzung des Erdols, wie Cracker, Hydrocracker und Reformer vorgestellt. Ebenfalls wird das Steamcracking beschrieben, das in der chemischen Industrie zur Herstellung von Ethen, Propen und den Aromaten eine besonders bedeutende Stellung einnimmt.

Wertschöpfung in der chemischen Industrie

Im Kapitel 20 werden die wirtschaftlichen Zusammenhange zwischen der Produktion von chemischen Produkten und der Betriebswirtschaft vorgestellt. Zu diesem Zweck wird eingangs der zentrale Begriff der Wertschopfung definiert und die Gewinn- und Verlustrechnung und Bilanzierung eines Unternehmens beschrieben. In einem nachsten Schritt werden die Zusammenhange der Strategiefindung von Unternehmen vorgestellt, die auf die Wertschopfung zielt. Abschliesend wird der gestufte Entscheidungsprozess in der chemischen Industrie fur neue Projekte vorgestellt. Als Werkzeuge werden hierfur die Kostenschatzungen fur eine neue Anlage und fur Herstellungskosten einer Chemikalie am Beispiel der Acrylsaure gezeigt.

Physikalisch-chemische Grundlagen II: Kinetik und Transportprozesse

Kapitel 5 wird der Reaktionskinetik und den physikalischen Transportprozessen gewidmet. Die ausschlaggebende Reaktionsgeschwindigkeit, die von den Temperatur- und Konzentrationsverhaltnissen bestimmt wird und eine Schlusselrolle bei der Reaktorauslegung einnimmt, wird vorgestellt. Die Konzentrationsverlaufe bei einfachen und vernetzten Reaktionen sowie die Wechselwirkung zwischen Kinetik und Gleichgewicht werden dargelegt. Wie man eine Kinetik anhand mechanistischer Vorstellungen erhalt, wird am Beispiel der heterogenen Katalyse verdeutlicht. Die verschiedenen Grundarten der Stoff- und Warmetransportprozesse werden beschrieben. An-schliesend wird der Stoffdurchgang zwischen zwei verschiedenen Phasen, auch mit gleichzeitig auftretender chemischer Reaktion, ein.

Thermische Trennverfahren I (Destillation und Rektifikation)

In der organisch-praparativen Chemie kommt die Destillation als universelles Reinigungsver fahren fur verdampfb are Flussigkeiten bevor zugt zum Einsatz. Auch in der chemischen In dustrie sind destillative Verfahren die bei Wei tem am haufi gsten eingesetzten Trennoperatio nen, wie es die Beispiele ab ► Kapitel 14 zeigen.

Vom Laborversuch zur chemischen Anlage

Im chemischen Labor werden Experimente oft in einem sehr kleinen Masstab durch gefuhrt: In 100 mL- oder 1 L-Glaskolben werden – verdunnt in relativ viel Losungs mittel – haufig nur mehrere Gramm einer Wertsubstanz synthetisiert. Fur manche ana lytische Zwecke reicht es manchmal auch aus, eine chemische Fallung oder einen Farbumschlag in einem Reagenzglas oder die Verschiebung eines Signals im NMR-Rohrchen zu beobachten. Die fur praparative Synthesen zur Verfugung stehenden La borge rate sind jedem Chemiker bestens bekannt.

Vom Rohstoff zur Endchemikalie

Im Kapitel 2 wird die Verbundstruktur der chemischen Industrie behandelt. Aus relativ wenigen anorganischen und organischen Rohstoffen werden einige Dutzend Grundchemikalien hergestellt, die zu mehreren Hundert Zwischenchemikalien umgesetzt werden. Am Ende dieser stark verzweigten Kette stehen mehrere Tausend Endprodukte wie z.B. Kunststoffe, Waschmittel oder Pharmaka. An Beispielen werden die wichtigen Begriffe Wert-, Koppel- und Nebenprodukte sowie Konsekutiv- und Parallelreaktionen erklart. Ein typischer Produktstammbaum zeigt u.a. die Wege von den Rohstoffen Erdol, Wasser und Luft zu bedeutenden Polymeren, Losungs- und Dungemitteln.