-
Stand der Technik
-
Guerbet-Alkohole
sind seit über
100 Jahren bekannt und wurden das erste Mal 1899 von Marcel Guerbet
veröffentlicht.
Guerbet-Alkohole besitzen verschiedene Vorteile, die insbesondere
für den
Bereich der Kosmetikprodukte interessant sind: Sie sind nicht hautirritierend,
haben sehr niedrige Schmelzpunkte bei geringer Flüchtigkeit,
besitzen überdurchschnittlich
gute fettende Eigenschaften und stellen hervorragende Ausgangsverbindungen
für weitere Produkte
dar. Die Guerbet-Alkohole
stellen zudem Vorstufen für
weitere Guerbet-Produkte dar. Als relativ neue Substanzklasse sind
dabei die sogenannten Guerbet-Säuren
und Guerbet-Ester
zu nennen. Guerbet-Alkohole dienen weiterhin als Ausgangspunkt für die Synthese
von Guerbet-Sulfaten und Guerbet-Ether-Sulfaten, welche ausgezeichnete Emulgator-Eigenschaften
besitzen.
-
Die
Guerbet-Reaktion selbst ist mit der Aldol-Reaktion verwandt und
tritt vornehmlich bei erhöhten
Temperaturen unter katalytischen Bedingungen auf. Dabei kondensieren
primäre
aliphatische Alkohole mit einer zur Hydroxygruppe α-ständigen Methylengruppe.
Die Reaktion erfolgt dabei in Gegenwart von Alkali- und/oder Erdalkalihydroxiden
als Katalysatoren sowie einem oder mehrerer Co-Katalysatoren, die aus einer breiten
Gruppe von Metallen oder Metallsalzen gewählt werden können. Das
Hauptprodukt der Reaktion ist ein höhermolekularer, α-verzweigter,
primärer
Alkohol, welcher im Vergleich zum Ausgangsalkohol die doppelte Anzahl
an Kohlenstoffatomen aufweist. Die Reaktion verläuft dabei über vier Stufen: Oxidation
des Alkohols zum Aldehyd, Aldol-Kondensation von Alkohol und Aldehyd, Dehydratisierung
des Aldol-Produkts und abschließend
Hydrierung zum gesättigten
Guerbet-Alkohol. Die Gesamtreaktion kann durch folgende Reaktionsgleichung
beschrieben werden: 2 R-CH2CH2OH → R-CH(CH2CH2R)CH2OH
-
Aus
der Literatur sind eine Vielzahl von Verfahren und Druckschriften
bekannt, welche die Kondensation der Alkohole zu Guerbet-Alkoholen
mittels katalytisch wirksamen Hydroxid-Ionen und verschiedenen Co-Katalysatoren
behandeln.
-
Die
DE 40 14 736 A1 beschreibt
ein Verfahren zur Herstellung von Guerbet-Alkoholen durch Kondensation von linearen
primären
aliphatischen Alkoholen unter zu Hilfenahme eines Alkali- oder Erdalkalihydroxids
und einer Katalysatormischung, welche Eisen(III)-sulfat, basisches
Kupfercarbonat und metallisches Nickel enthält.
-
Die
DE 26 34 676 02 lehrt
die Verwendung von Bleisilikat, -titanat und -zirkonat als co-katalytische
Komponente der Guerbet-Reaktion.
-
Die
US 3 558 716 führt die
Oxide von Kupfer, Blei, Zink, Chrom, Molybdän, Wolfram und Mangan als co-katalytisch
wirksame Komponenten zur Herstellung von Guerbet-Alkoholen an.
-
Nachteilig
an all diesen Verfahren ist der Umstand anzusehen, dass die verwendeten
katalytisch wirksamen Alkali- und Erdalkalihydroxide sowie die co-katalytisch aktiven
Metall-Verbindungen teuer sind und so die produzierten Guerbet-Verbindungen als
Hochpreis-Produkte anzusehen sind, die trotz ihrer vorteilhaften
Eigenschaften nur für
wenige Spezialanwendungen eingesetzt werden.
-
Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, katalytisch und co-katalytisch
wirksame Verbindungen zur Verfügung
zu stellen, die eine kostengünstigere
Herstellung von Guerbet-Verbindungen ermöglichen.
-
Darstellung der Erfindung
-
Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Verwendung von bei der Aluminiumherstellung durch das Bayer-Verfahren
anfallendem Rotschlamm als katalytisch und/oder co-katalytisch wirksame Komponente
einer Reaktion vom Guerbet-Typ mit den Merkmalen des Patentanspruchs
1 gelöst.
-
Vorteilhafte
Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und
nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen beschrieben.
-
Rotschlamm
entsteht bei der Aluminiumherstellung nach dem Bayer-Verfahren.
Chemisch betrachtet stellt Rotschlamm ein Gemisch dar, welches hauptsächlich aus
Eisen-III-oxiden bzw. -hydroxiden, Titanoxiden, Aluminiumoxidresten,
Quarzsand, Kalziumoxid, Natriumoxid und Natronlauge zusammensetzt
ist. Der Name Rotschlamm stammt von seiner durch Eisen-III-oxid
hervorgerufenen roten Farbe. Zu jeder produzierten Tonne Aluminium
fallen je nach Qualität
des verwendeten Bauxits 1 bis 1,5 Tonnen Rotschlamm als nicht vermeidbarer
Begleiter an. Die dabei jedes Jahr entstehende Menge beträgt mehrere
Millionen Tonnen und stellt zusammen mit dem bereits vorhandenen
Rotschlamm ein ernsthaftes Problem dar. Da es bislang nicht gelungen
ist, Rotschlamm in relevantem Umfang einer wirtschaftlich sinnvollen
Verwendung zuzuführen,
wird er weiterhin als Abfall betrachtet und der Entsorgung zugeführt. Die
Entsorgung des Rotschlamms erfolgt dabei im Wesentlichen durch Einlagerung
in abgedichteten Deponien. Diese Form der Lagerung ist teuer und aufwendig,
da große
Deponieflächen
und -anlagen benötigt
werden und hohe Kosten für
den Transport des Rotschlamms anfallen. Zudem sind die durch die Deponierung
entstehenden Langzeitkosten nur schwer kalkulierbar und stellen
ein zusätzliches
wirtschaftliches Problem dar. Die Entwicklung einer wirtschaftlich
sinnvollen Nutzung des Rotschlamms ist daher dringend erforderlich.
-
Erfindungsgemäß wird Rotschlamm,
der durch das zur Aluminiumherstellung verwendete Bayer-verfahren
hergestellt wird, als katalytisch und/oder co-katalytisch wirksame Komponente in einer
Reaktion vom Guerbet-Typ verwendet. Durch seinen hohen Gehalt an
Natronlauge besitzt Rotschlamm einen stark basischen pH-Wert zwischen
11 und 13. Weiterhin beinhaltet Rotschlamm verschiedenste Verbindungen,
von denen mehrere als für
die Guerbet-Reaktion co-katalytisch wirksam beschrieben sind. Zudem
weisen die Partikel des Rotschlamms aufgrund des zu seiner Herstellung
verwendeten Verfahrens einen im Schnitt sehr geringen Durchmesser
im Bereich zwischen 1 und 50 μm
und damit eine extrem große,
katalytisch wirksame Oberfläche
auf. Durch die Vereinigung dieser Eigenschaften in einem Produkt,
ist Rotschlamm in vorteilhafter Weise geeignet, die katalytisch
und/oder co-katalytisch wirksame Komponente einer Guerbet Reaktion zu
bilden. Da Rotschlamm zudem einerseits als Abfallprodukt betrachtet
wird und andererseits in nahezu unbegrenzter Menge vorhanden ist,
stellt er keinen nennenswerten Kostenfaktor dar und ermöglicht in
vorteilhafter Weise eine besonders günstige Herstellung von Guerbet-Verbindungen.
-
Eine
weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Verwendung
von Rotschlamm als mindestens eine, katalytisch wirksame, Hydroxidionen
enthaltende Komponente der Reaktion vom Guerbet-Typ. Durch seinen
hohen Restgehalt an Natronlauge ist Rotschlamm in vorteilhafter
Weise geeignet, die katalytisch wirksame, Hydroxidionen enthaltende
Komponente der Guerbet-Reaktion
zu umfassen. Eventuell auftretende Verluste an basischer Aktivität während der
Reaktion sind bei der erfindungsgemäßen Verwendung im Gegensatz
zum Stand der Technik sogar wünschenswert,
um eine Dealkalisierung des Rotschlamms zu erzielen. Da Rotschlamm
zudem in praktisch beliebiger Menge zu geringen Kosten erhältlich ist,
stellt ein Verbrauchen an alkalischer Aktivität keinen zusätzlichen
Kostenfaktor dar.
-
Eine
weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Verwendung
von Rotschlamm als mindestens eine co-katalytisch wirksame, Metallionen
enthaltende Komponente der Reaktion vom Guerbet-Typ. Rotschlamm
stellt chemisch betrachtet ein Gemisch verschiedener Mineralien
dar, von denen mehrere als co-katalytisch wirksame Komponenten der
Guerbet-Reaktion beschrieben sind. Insbesondere Eisen(III)- und
Titanverbindungen stellen nach derzeitigem Wissen geeignete Co-Katalysatoren
dar. Es handelt sich daher bei Rotschlamm gewissermaßen um eine
fertige Mischung verschiedener Katalysatoren. Auch hier ist die
Tatsache, dass Rotschlamm in praktisch beliebiger Menge zu geringen
Kosten erhältlich
ist und daher ein eventuelles Verbrauchen co-katalytischer Aktivität während der Reaktion
keinen zusätzlichen
Kostenfaktor darstellt, als Vorteil der Erfindung zu betrachten.
-
Beispiel
-
Stark
alkalischer Rotschlamm wird entwässert
und in Anteilen von 10 bis 50% (w/w) mit Ca(OH)2 versetzt.
Ein 2-1-Dreihalskolben wird mit Rührwerk, Thermometer, Rückflusskühler und
Wasserabscheider versehen. Im Kolben werden 500 g 1-Octanol vorgelegt
und mit 10 bis 40 g der Katalysatormischung versetzt. Das Gemisch
wird unter Rühren
so lange auf eine Temperatur von mindestens 180°C erhitzt, bis kein Wasser mehr
im Wasserabscheider abgeschieden wird. Das im Kolben verbleibende
Gemisch wird in üblicher
Weise aufgearbeitet, um den entstandenen Guerbet-Alkohol abzutrennen.