Permuurahaishapon valmistaminen mikroreaktorissa

Kandidaatintyön teoriaosassa perehdytään mikroreaktoreihin sekä niiden etuihin ja haasteisiin. Lisäksi esitellään lyhyesti, kuinka sekoitus näissä reaktoreissa voidaan järjestää erilaisten sekoituselementtien avulla sekä uusien ainetta lisäävien valmistusmenetelmien tarjoamat mahdollisuudet reaktorien valmistukselle. Mikroreaktorien edut liittyvät pääasiassa prosessin helpompaan hallittavuuteen, mikä johtaa mm. turvallisuuden lisääntymiseen ja energiasäästöihin. Lisäksi esitellään kokeellisessa osassa lähtöaineina käytettävät vetyperoksidi ja muurahaishappo, sekä tuotteena syntyvä permuurahaishappo ja sen käyttökohteita. Permuurahaishappoa käytetään mm. desinfiointiaineiden yhtenä komponenttina. Sitä voidaan käyttää myös paperikoneen vesikierron bakteerien tappamiseen. Epästabiiliutensa vuoksi permuurahaishappo voi räjähtää jopa huoneenlämmössä, mikä aiheuttaa merkittävän riskin sen varastoinnille ja kuljetukselle. Tästä syystä työssä tutkittu menetelmä permuurahaishapon valmistamiseksi mikroreaktorissa tarjoaa hyvän vaihtoehdon permuurahaishapon tuottamiseksi suoraan tarpeeseen. Kokeellisessa osassa permuurahaishappoa valmistettiin muurahaishaposta ja vetyperoksidista käyttäen rikkihappoa katalyyttinä reaktion nopeuttamiseksi. Lämpötilan ja viipymäajan vaikutusta tutkittiin permuurahaishapon muodostumiseen. Molempien nosto vaikutti edullisesti permuurahaishapon saantoon, mutta lämpötilan nosto lisää samalla räjähdysriskiä. Mikroreaktorissa lämpötilan nosto on kuitenkin suhteessa turvallisempaa makroreaktoriin verrattuna.

In the theory part of this bachelor’s thesis microreactors were reviewed as well as their benefits and challenges. In addition, it briefly describes how mixing in microreactors can be arranged in form of mixing elements and the possibilities offered by additive manufacturing for microreactor production is reviewed. The benefits of microreactors are mainly related to better control of the process resulting in enhanced process safety and energy savings. In the theory part there are also reviewed the reactants used in experimental part in production of performic acid: formic acid and hydrogen peroxide. Also some applications for performic acid are reviewed. Performic acid can be used for example as one component in disinfectants and in paper machine water cycle to kill bacteria. Due to its instability performic acid may explode even at room temperature, which causes a significant risk to storage and transportation. For this reason, the studied method of production of performic acid in microreactor offers a good alternative to produce performic acid small amounts continuously when needed. In the experimental part performic acid was prepared from formic acid and hydrogen peroxide using sulfuric acid as a catalyst to accelerate the reaction. The influence of temperature and residence time was studied. The raise of both residence time and temperature affects positively on performic acid yield, but the increase in temperature also increases the risk of explosion. However microreactors are considered relatively safe options even in these cases.