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Auf dem Weg zur "Grünen Chemie"
Labormühlen als effiziente und umweltfreundliche Synthesereaktoren

Dr. Andreas Theisen, Leiter Marketing & Anwendungstechnik
Retsch GmbH, Rheinische Str. 36, D-42781 Haan, Telefon: 0 21 29/55 61-155
Telefax: 0 21 29/55 61-213

Der Begriff „grüne Chemie“ hat sich in den letzten Jahren als Bezeichnung für chemische Verfahren etabliert, die bestimmten Anforderungen an Ressourcenschonung und Umweltschutz gerecht werden. Ziel ist es, durch die Auswahl von geeigneten Reaktionswegen und –medien unerwünschte Nebenprodukte zu vermeiden. Ein Beispiel ist die Herstellung von Biokraftstoffen, die für viele Autofahrer eine umweltfreundliche Alternative geworden sind.

Die Anstrengungen in der chemischen Industrie sind vielfältig: Um den Energie- und Chemikalienaufwand zu minimieren, werden zunehmend unschädliche Reaktanden, alternative Lösemittel und neuartige Synthesewege verwendet. Ein kritischer Faktor bei chemischen Synthesen ist der Einsatz von organischen Lösemitteln, da diese häufig umweltschädlich und außerdem teuer sind. Prinzipiell muss ebenfalls bedacht werden, dass Lösemittel und nicht umgesetzte Edukte nachfolgende Aufarbeitungsschritte zur Abtrennung vom gewünschten Produkt bedeuten.

Ideal wäre es deshalb, wenn Synthesen lösemittelfrei und mit vollständigem Umsatz durchgeführt werden könnten.

In den 80er Jahren des letzten Jahrhunderts wurde eine erste Übersicht über die Fortschritte in der Tribochemie bzw. Mechanochemie publiziert. Unter diesen Begriffen werden chemische Reaktionen zusammen gefasst, die unter Einwirkung mechanischer Energie (z. B. Reibung oder Ultraschall) stattfinden. Da diese Reaktionen an der Grenzfläche von Feststoffen stattfinden, werden keine Lösemittel benötigt. Außerdem werden bei stöchiometrischen Einwaagen Umsätze von 100% erreicht, die auf konventionellem Weg meist nicht möglich sind.

Fest-Fest Reaktionen benötigen große Oberflächen und einen engen Kontakt der Edukte. Deshalb eignen sich für diesen Reaktionstyp im besonderen Maße Labormühlen, da durch die Zerkleinerung der Teilchen die Oberfläche vergrößert wird und außerdem eine ständige Durchmischung mit hohem Energieeintrag stattfindet.

Ultraschallanwendungen sind ähnlich effektiv, allerdings steht man später vor dem Problem, die Produktion in einen technischen oder industriellen Maßstab zu erweitern.

Abb. 1: RETSCH Mörsermühle RM 200.

Labormörser werden schon seit alchemistischen Zeiten zum Zerkleinern und Homogenisieren von Festkörpern eingesetzt. Mit der Einführung der ersten motorbetriebenen Mörsermühle im Jahr 1923, der so genannten RETSCH Mühle, wurde die Handhabung von Mörsern stark vereinfacht. Die RETSCH Mühle wird kontinuierlich verbessert und modernisiert, die neueste Generation, RM 200, ist mit einem leistungsstarken Antrieb mit elektronischer Überwachung ausgestattet (Abb. 1).

Eine Mörsermühle hat den Vorteil des offenen Systems, was bedeutet, dass Material kontinuierlich zugeführt werden kann (ähnlich einem Tropftrichter in der klassischen Laborsynthese). Auf der anderen Seite lassen sich die Synthesebedingungen (Druck, Temperatur, Zerkleinerungsgrad, Partikelgrößenverteilung) nur bedingt kontrollieren. Deshalb haben sich in den letzten Jahren geschlossene Systeme als Reaktoren durchgesetzt. Im Labormaßstab werden für diesen Zweck Kugelmühlen verwendet, wobei vor allem zwei Typen eingesetzt werden: Planeten-Kugelmühlen und Schwingmühlen.

Abb. 2: RETSCH Planeten-Kugelmühle PM 100 CM

Bei den Planeten-Kugelmühlen sind die Mahlbecher exzentrisch auf einem Sonnenrad angeordnet. Die Drehbewegung des Sonnenrades ist gegenläufig zur Mahlbecherdrehung.

Die im Mahlbecher befindlichen Mahlkugeln werden durch überlagerte Drehbewegungen, also Corioliskräfte, beeinflusst. Die Geschwindigkeitsdifferenzen zwischen Kugeln und Mahlbechern führen zu einer Wechselwirkung aus Reib- und Prallkräften, wobei hohe, dynamische Energien freigesetzt werden. Das Zusammenspiel dieser Kräfte bewirkt den sehr effektiven Energieeintrag der Planeten-Kugelmühlen.

Hierbei ist zu berücksichtigen, dass ein hoher Energieeintrag auch immer einen Temperaturanstieg in den Mahlbechern bedeutet. Gerade bei exothermen Reaktionen ist das häufig nicht gewünscht, weshalb RETSCH mit der PM 100 CM zusätzlich eine Mühle im Fliehkraftmodus anbietet. Bei dieser Mühle ist das Übersetzungsverhältnis zwischen Sonnenrad- und Mahlbecherbewegung 1:-1 (im Gegensatz von 1:-2 oder höher bei klassischen Planeten-Kugelmühlen). Für die Praxis bedeutet das, dass die Temperaturen im Mahlbecher bei einer Fliehkraft-Kugelmühle deutlich geringer sind (Abb. 3).

Abb. 3: Temperaturentwicklung im Mahlbecher.

Der leistungsstarke und wartungsfreie Antrieb der RETSCH Planeten-Kugelmühlen garantiert eine konstant geregelte Drehzahl auch im Dauerbetrieb bei Langzeitversuchen und maximaler Belastung. Die Mühlen verfügen über eine programmierbare Startautomatik, wodurch Mahlprozesse auch problemlos über Nacht gestartet werden können. Ein integrierter Lüfter mit Stillstandsüberwachung kühlt die Mahlbecher während der Vermahlung. Sein Absaugvolumen pro Stunde ist größer als das 20-fache Mahlraumvolumen.
Für eine effektivere Kontrolle der Synthesebedingungen kann das Messsystem GrindControl eingesetzt werden, mit dem es möglich ist, online die Temperatur und den Druck im Mahlbecher zu überwachen und zu dokumentieren. Dies ist z. B. bei Kondensationsreaktionen, bei denen ein Gas frei wird, sehr hilfreich, da so das Reaktionsende an Hand der Druckkurve erkannt werden kann.

Abb. 4: RETSCH Schwingmühle MM 400.

Kürzere Synthesezeiten werden in Schwingmühlen erreicht, da der Mischprozess effektiver ist als in Planeten-Kugelmühlen. Die Mahlbehälter führen in horizontaler Lage kreisbogenförmige Schwingungen aus. Durch die Trägheit der Kugeln schlagen diese mit hoher Energie auf das an den abgerundeten Stirnflächen befindliche Probengut auf, wodurch dieses zerkleinert wird. Aufgrund der Becherbewegung und des Bewegungsablaufes der Kugeln findet gleichzeitig eine intensive Mischung statt. Schwingmühlen eignen sich deshalb besonders für ein Screening im Labormaßstab.

In Zusammenarbeit mit Professor Kaupp von der Universität Oldenburg entwickelt Retsch neue Ideen für die Mechanochemie. Hierbei geht es einerseits um weitere Synthesewege, andererseits aber auch um die Entwicklung neuer Mühlen, die auf eine Verbesserung der Reaktionsführung abzielen. Insbesondere die neue Schwingmühle MM 400 bietet die Möglichkeit, Probenserien zu erstellen und Umgebungsparameter gezielt zu beeinflussen (z. B. durch Vorkühlen der Mahlbecher in flüssigem Stickstoff).

Fazit

Die Mechanochemie ist eine sehr effektive Methode, um lösemittel- und abfallfreie Synthesen durchzuführen. In der Literatur sind eine Vielzahl von Reaktionen beschrieben, bei denen aufwändige Aufarbeitungsschritte entfallen, da ein 100%iger Umsatz erreicht wird.

Voraussetzung für die Etablierung der Mechanochemie in der Industrie ist die Verfügbarkeit von geeigneten Labormühlen. Hierbei ist entscheidend, dass, ähnlich wie in der konventionellen präparativen Chemie, die Umgebungsparameter wie Druck und Temperatur dokumentiert bzw. kontrolliert werden können. Bei den Planeten-Kugelmühlen und Schwingmühlen von Retsch sind diese Voraussetzung gegeben.