Fördergeber: DFG (Deutsche Forschungsgemeinschaft)
Ansprechpartner: Victor Oldhues
Zusammenfassung des Gesamtprojektes:
Die Mechanochemie gilt als grüne Chemie, da sie im Vergleich zur konventionellen Nasschemie den Lösemitteleinsatz deutlich reduzieren kann. Zudem wird in mechanochemischen Reaktionen die notwendige Energie mechanisch zugeführt und die Reaktionen sind häufig energieeffizient. Vermehrt werden solche Reaktionen in verschiedenen Mahlkörpermühlen durchgeführt, in denen ansonsten Zerkleinerungsprozesse etabliert sind. Die mechanischen Kräfte brechen bestehende chemische Bindungen auf oder führen andere Defekten auf molekularer Ebene ein, sodass die Reaktanten mechanisch aktiviert und dadurch reaktionsfreudiger werden. Allerdings ist der genaue mechanistische Hintergrund solcher Reaktionen noch Gegenstand aktueller Forschung und es existieren mehrere unterschiedliche Theorien gleichzeitig.
Ziel dieses Projektes ist es, die Triebkräfte mechanochemischer Reaktionen in Mahlkörper-mühlen aufzuklären, indem mechanische Beanspruchungsbedingungen quantitativ mit der Kinetik einer CaCO₃‑Synthese als Modellreaktion verknüpft werden. In eigens ausgelegten Aufbauten für Stoß-, Druck- und Scherbeanspruchung, wird zunächst bestimmt, welche Beanspruchungsart besonders zum Fortschritt einer mechanochemischen Reaktion beiträgt. Im nächsten Schritt wird die Modellreaktion in einem einfachen Mahlkörpersystem untersucht, indem systematisch der Einfluss verschiedener Betriebsparameter sowohl auf die Beanspruchungsbedingungen als auch den Reaktionsumsatz ermittelt wird. Es soll insbesondere geklärt werden, inwiefern charakteristische Größen wie Beanspruchungsintensität und -häufigkeit sich auf die Reaktionskinetik auswirken. Dabei gilt es, zerkleinerungs- und reaktionswirksame Effekte voneinander zu trennen sowie die Rolle der Temperatur zu klären. Zu erwarten ist, dass sich stärkere mechanische Beanspruchung durch Förderung von Partikeldefekten, Bildung neuer Partikelkontakte und die lokale Temperaturentwicklung auf die Reaktion auswirken. Gegebenenfalls können Mischungs- und Fließfähigkeitseffekte untersucht werden. Die erzielten Erkenntnisse sollen nachfolgend auf verschiedene Mahlkörpermühlen im Labormaßstab, darunter z.B. eine Planetenkugel-, Hochenergiekugel- und Schwingmühle übertragen werden, wofür sowohl Experimente als auch DEM-Simulationen durchzuführen sind. Zur Auswertung der Ergebnisse soll dafür ein geeignetes Beanspruchungsmodell aus der Zerkleinerungstechnik auf die Mechanochemie übertragen werden. Dabei wird erwartet, dass insbesondere der spezifische Gesamtenergieeintrag sowie der Energieeintrag bei einer Einzelbeanspruchung entscheidende Größen für die Reaktionskinetik sind.
Projektpartner: Ruhr-Universität Bochum