Adsorptive Wasserentfernung im unteren ppm- und ppb-Bereich zur Erzeugung hochreiner organischer Lösungsmittel

Hochreine organische Lösungsmittel gewinnen zunehmend an Bedeutung in der Optik-, Elektronik-, Pharma- und Chemie-Industrie. Ein besonders schwieriges Problem stellt in diesem Zusammenhang die Entfernung von Wasser im unteren ppm- und ppb-Bereich dar, da es praktisch überall vorhanden ist (z. B. Luftfeuchtigkeit) und gleichzeitig Katalysatoren vergiftet und unerwünschte Nebenreaktionen verursacht. Verfahrenstechnisch lösen lässt sich dieses Problem durch Adsorption des Wassers an Zeolithen, Silicagelen oder Aluminiumoxiden. Obwohl bereits vereinzelte technische Lösungen existieren, fehlen systematische Untersuchungen der Einfluss-Parameter sowie eine verlässliche Messtechnik. Eine bedeutende Stoffgruppe, die häufig mit sehr niedrigen Wassergehalten benötigt wird, sind die linearen primären Alkohole und die Essigsäureester. Die vorliegende Arbeit umfasst die systematische Untersuchung der adsorptiven Wasserentfernung aus primären Alkoholen und Essigsäureestern sowie die Entwicklung einer neuartigen Messtechnik zur Analytik von Wassergehalten unterhalb von 1 ppmw in organischen Lösungsmitteln. Am Beispiel der Alkohole von Methanol bis 1-Hexanol sowie der Essigsäureester von Methylacetat bis n-Butylacetat wurde die adsorptive Wasserentfernung systematisch utnersucht. Dabei wurden Zeolithe der Typen 3A und 4A als Adsorbentien eingesetzt. Die Grenzen der zum Fit der Adsorptionsisothermen genutzten Langmuir- Gleichung wurden aufgezeigt. Ein Trennfaktor, der die Selektivität für die Adsorption von Wasser aus dem Lösungsmittel beschreibt, wurde eingeführt und qualitativ diskutiert. Durch diesen neuartigen Ansatz konnten die Einflüsse von Polarität und Sterik auf das Adsorptionsverhalten separat analysiert werden. Es zeigte sich, dass die Polarität des Lösungsmittels für die Adsorption von Wasser auf dem gleichen Zeolithen dominiert, während bei der Wasserentfernung aus einem Lösungsmittel mit unterschiedlichen Adsorbentien die Sterik einen stärkeren Einfluss ausübt. Zur Analytik für Wassergehalte bis hin zu 1 ppmw wurde die coulometrische Karl- Fischer-Titration genutzt. Um Wassergehalte unterhalb von 1 ppmw messen zu können, wurde eine laseroptische Methode, die Tuned Diode Laser Absorption Spectroscopy (TDLAS), genutzt. TDLAS ist für die Spurenanalytik in der Gasphase weit verbreitet. Um flüssige Proben mit dieser Methode auf ihren Wassergehalt analysieren zu können, wurde eine Messtrecke entwickelt, in der das Lösungsmittel in einem trockenen Stickstoffstrom verdampft wird und die Analyse des Wassergehaltes in einer beheizten Messzelle stattfindet. In n-Hexan konnten Wassergehalte von 600 ppb erfolgreich gemessen werden. Des Weiteren konnte n-Hexan adsorptiv bis hin zu Wassergehalten, die an der derzeitigen Nachweisgrenze von 450 ppb der TDLAS-Messstrecke liegen, getrocknet werden.