إعداد بالموجات فوق الصوتية من المحفزات لتحويل ثنائي ميثيل الأثير (DME)

ثنائي ميثيل الأثير (DME) هو وقود بديل مواتية، والتي يمكن توليفها من الميثانول، CO₂ أو سينجاس من خلال الحفز. للتحويل الحفاز إلى DME ، هناك حاجة إلى محفزات قوية. يمكن للمحفزات المسامية بحجم النانو مثل الزيوليت الحمضية المسامية أو الزيوليت المزين أو المحفزات المعدنية بحجم النانو مثل الألومنيوم أو النحاس تحسين تحويل DME بشكل كبير. الموجات فوق الصوتية عالية الكثافة هي تقنية متفوقة لإعداد محفزات نانو تفاعلية للغاية. معرفة المزيد حول كيفية استخدام ultrasonication لإنتاج المحفزات الصغيرة و mesoporous مع التفاعل ممتازة والانتقائية!

محفزات ثنائية الوظائف لتحويل DME المباشر

إنتاج ثنائي ميثيل الأثير (DME) هو عملية صناعية راسخة تنقسم إلى خطوتين: أولا، الهدرجة الحفازة من سينغاس إلى الميثانول (CO / CO₂ + 3H₂ → CH₃OH + H₂HO) وثانيا، الجفاف الحفاز اللاحقة من الميثانول على المحفزات الحمضية لإنتاج (2CH₃OH → CH₃اوتش₃ + H₂O). ويرتبط القيد الرئيسي لهذا التوليف DME خطوتين إلى الديناميكا الحرارية منخفضة خلال مرحلة تخليق الميثانول, مما يؤدي إلى تحويل الغاز منخفضة لكل تمريرة (15-25٪). وبذلك، تحدث نسب إعادة تدوير عالية، فضلا عن ارتفاع تكاليف رأس المال والتشغيل.
من أجل التغلب على هذا القيد الحراري ، فإن توليف DME المباشر أكثر ملاءمة بشكل ملحوظ: في تحويل DME المباشر ، تقترن خطوة تخليق الميثانول بخطوة الجفاف في مفاعل واحد
(2CO / CO₂ + 6H₂ → CH₃اوتش₃ + 3H₂O).

Nano-catalysts such as functionalized zeolites are successfully synthezized under sonication. Functionalized nano-structured acidic zeolites - syntheiszed under sonochemical conditions - give superior rates for dimethyl ether (DME) conversion.

وUIP2000hdT ultrasonicator (2kW) مع تدفق من خلال مفاعل هو الإعداد شائعة الاستخدام لتوليف سونوتشيميكال من النانوكاتيستس مسوبروس (مثل الزيوليت زينت).

يسمح التجميع المباشر ل DME بزيادة مستويات التحويل لكل خطوة ، بنسبة تصل إلى 19 ٪ ، مما يعني تخفيضات كبيرة في التكاليف فيما يتعلق بتكلفة الاستثمار والإنتاج التشغيلي لإدارة المشاريع الصغيرة والمتوسطة. واستنادا إلى التقديرات، يتم تخفيض تكلفة إنتاج DME في التوليف المباشر بنسبة 20-30٪ بالمقارنة مع عملية التحويل التقليدية من خطوتين. من أجل تشغيل مسار التوليف DME المباشر ، من الضروري وجود نظام تحفيزي هجين ثنائي الوظائف عالي الكفاءة. يجب أن يوفر المحفز المطلوب وظائف هدرجة CO / CO2 لتركيب الميثانول والوظائف الحمضية ، والتي تساعد على جفاف الميثانول. (راجع: ميلان وآخرون 2020)

Direct synthesis of dimethyl ether (DME) requires highly reactive, bifunctional catalysts. Ultrasonic catalyst synthesis allows to create highly efficient nano-structured mesoporous catalysts such as functionalized acidic zeolites for superior catalytic reaction outputs.

التوليف المباشر من الأثير ثنائي ميثيل (DME) من سينغاس على محفز ثنائي الوظائف.
(© ميلان وآخرون 2020)

توليف المحفزات عالية التفاعل لتحويل DME باستخدام الطاقة بالموجات فوق الصوتية

التفاعل والانتقائية من المحفزات لتحويل الأثير ثنائي ميثيل يمكن تحسينها بشكل ملحوظ عن طريق العلاج بالموجات فوق الصوتية. الزيوليت مثل حمض الزيوليت (على سبيل المثال، الألومينوسيليكات زيوليت HZSM-5) وزوليت مزينة (على سبيل المثال، مع CuO/ ZnO / Al₂ال₃) هي المحفزات الرئيسية التي تستخدم بنجاح لإنتاج DME.

Ultrasonic co-precipitation allows for the production of highly efficient CuO-ZnO-Al2O3/HZSM-5 nano-catalysts

الهجين المشارك هطول الأمطار والموجات فوق الصوتية توليف CuO-ZnO-Al2O3/HZSM-5 المستخدمة في conver مباشرة- سيون من سينغاس إلى الأثير ثنائي ميثيل كوقود أخضر.
دراسة وصورة: خوشبين وهاغيغي، 2013.]

الكلورة والفلور من الزيوليت هي أساليب فعالة لضبط الحموضة الحفازة. تم إعداد محفزات الزيوليت المكلورة والمفلورة عن طريق تلقيح الزيوليت (H-ZSM-5 أو H-MOR أو H-Y) باستخدام سلائف الهالوجين (كلوريد الأمونيوم وفلورايد الأمونيوم) في الدراسة التي أجراها فريق البحث في أبو الفتوح. تم تقييم تأثير التشعيع بالموجات فوق الصوتية لتحسين كل من سلائف الهالوجين لإنتاج ثنائي ميثيلثر (DME) عن طريق جفاف الميثانول في مفاعل سرير ثابت. كشفت تجربة الحفز النسبية DME أن محفزات الزيوليت الهالوجينة التي تم إعدادها تحت الإشعاع بالموجات فوق الصوتية تظهر أداء أعلى لتشكيل DME. (أبو الفتوح وآخرون، 2016)
في دراسة أخرى، حقق فريق البحث في جميع متغيرات ultrasonication الهامة التي واجهتها أثناء تنفيذ جفاف الميثانول على محفزات H-MOR zeolite لإنتاج ثنائي ميثيلين. لeperiments سونيكيشن ، استخدم فريق البحث Hielscher UP50H التحقيق من نوع ultrasonicator. مسح المجهر الإلكتروني (SEM) التصوير من سونيكاتيد H-MOR zeolite (موردينيت زيوليت) وقد أوضح أن الميثانول في حد ذاته تستخدم كوسيلة ultrasonication يعطي أفضل النتائج المتعلقة تجانس أحجام الجسيمات بالمقارنة مع محفز غير المعالجة، حيث ظهرت التكتلات الكبيرة ومجموعات غير متجانسة. هذه النتائج المعتمدة أن ultrasonication له تأثير عميق على قرار الخلية وحدة وبالتالي على السلوك الحفاز من الجفاف من الميثانول إلى الأثير ثنائي ميثيل (DME). يظهر NH3-TPD أن التشعيع بالموجات فوق الصوتية قد عزز حموضة محفز H-MOR وبالتالي فهو أداء تحفيزي لتشكيل DME. (أبو الغيط وآخرون، 2014)

Ultrasonication of H-MOR (mordenite zeolite) catalyst gave highly reactive nano-catalyst for DME conversion.

SEM من H-MOR ultrasonicated باستخدام وسائل الإعلام المختلفة
دراسة وصور: © أبو الغيط وآخرون، 2014

تقريبا يتم إنتاج جميع DME التجارية عن طريق الجفاف من الميثانول باستخدام محفزات حمض صلب مختلفة مثل الزيوليت، سيليكا-الألومينا، الألومينا، آل₂ال₃-ب₂ال₃، وما إلى ذلك من خلال رد الفعل التالي:
2CH₃وا <—> الفصل₃اوتش₃ +H₂O(-22.6k jmol^-1)

كوشبين وهاغيغي (2013) أعدا CuO-ZnO-Al₂ال₃/HZSM-5 نانوكاتاستس عبر طريقة مشتركة بين هطول الأمطار والموجات فوق الصوتية. ووجد فريق البحث "أن استخدام الطاقة بالموجات فوق الصوتية لها تأثير كبير على تشتت وظيفة تهدرجة ثاني أكسيد الكربون وبالتالي أداء تخليق DME. تم التحقيق في متانة الموجات فوق الصوتية بمساعدة nanocatalyst توليفها خلال syngas إلى رد فعل DME. ويفقد النانوكاتاست نشاطا ضئيلا على مدار رد الفعل بسبب تكوين فحم الكوك على أنواع النحاس". [خوشبين وهاغيغي، 2013].

بديل غير زيوليت نانو محفز، والتي هي أيضا فعالة جدا في تعزيز تحويل DME، هو محفز γ الألومينا مسامية نانو الحجم. نانو الحجم المسامية γ-الألومينا تم تصنيعها بنجاح عن طريق هطول الأمطار تحت الاختلاط بالموجات فوق الصوتية. العلاج سونوتشيميكال يعزز تخليق جزيئات النانو. (راجع رحمانبور وآخرون، 2012)

لماذا يتم إعداد بالموجات فوق الصوتية نانو محفزات متفوقة؟

11- ومن أجل إنتاج محفزات غير متجانسة، كثيرا ما تكون هناك حاجة إلى مواد ذات قيمة مضافة عالية مثل المعادن الثمينة. وهذا يجعل المحفزات مكلفة، وبالتالي، فإن تعزيز الكفاءة وكذلك تمديد دورة حياة المحفزات هي عوامل اقتصادية مهمة. من بين أساليب إعداد النانوكاتيست ، تعتبر تقنية السونوتشيميكال طريقة فعالة للغاية. قدرة الموجات فوق الصوتية على خلق السطوح رد الفعل للغاية، لتحسين الاختلاط وزيادة النقل الجماعي يجعلها تقنية واعدة بشكل خاص لاستكشاف لإعداد محفز والتنشيط. يمكن أن تنتج جسيمات نانوية متجانسة ومتفرقة دون الحاجة إلى أدوات باهظة الثمن وظروف قاسية.
في العديد من الدراسات البحثية، والعلماء التوصل إلى استنتاج مفاده أن إعداد محفز بالموجات فوق الصوتية هو الأسلوب الأكثر فائدة لإنتاج متجانسة نانو محفزات. من بين أساليب إعداد النانوكاتيست ، تعتبر تقنية السونوتشيميكال طريقة فعالة للغاية. قدرة sonication مكثفة لخلق السطوح رد الفعل للغاية، لتحسين خلط وزيادة النقل الجماعي يجعلها تقنية واعدة بشكل خاص لاستكشاف لإعداد محفز والتنشيط. يمكن أن تنتج جسيمات نانوية متجانسة ومتفرقة دون الحاجة إلى أدوات باهظة الثمن وظروف قاسية. (راجع كوشبين وهاغيغي، 2014)

Ultrasonic catalyst preparation results in superior mesoporous nanocatalysts for dimethyl ether (DME) conversion

ينتج عن التركيب السونوكيميائية محفز قوي عالي النشاط من منظمة نانوية-ZnO-Al2O3/HZSM-5.
دراسة وصورة: خوشبين وهاغيغي، 2013.

High-power ultrasonicators such as the UIP1000hdT are used for the nanostructuring of highly porous metals and mesoporous nano-catalysts. (Click to enlarge!)

عرض تخطيطي لآثار التجويف الصوتي على تعديل الجسيمات المعدنية. تتأكسد تماما المعادن ذات نقطة انصهار منخفضة (MP) مثل الزنك (Zn) ؛ المعادن مع نقطة انصهار عالية مثل النيكل (ني) والتيتانيوم (تي) معرض تعديل السطح تحت sonication. الألومنيوم (آل) والمغنيسيوم (ملغ) تشكيل هياكل مسامية. نوبل المعادن مقاومة للإشعاع بالموجات فوق الصوتية بسبب استقرارها ضد الأكسدة. يتم تحديد نقاط انصهار المعادن بالدرجات كلفن (K).

الموجات فوق الصوتية عالية الأداء لتركيب المحفزات Mesoporous

المعدات سونوتشيميكال لتركيب عالية الأداء نانو محفزات متاحة بسهولة في أي حجم – من الموجات فوق الصوتية مختبر المدمجة لمفاعلات الموجات فوق الصوتية الصناعية بالكامل. Hielscher Ultrasonics تصاميم وتصنيع وتوزيع الموجات فوق الصوتية عالية الطاقة. جميع أنظمة الموجات فوق الصوتية مصنوعة في المقر الرئيسي في تيلتو، ألمانيا وتوزع من هناك في جميع أنحاء العالم.
تم تصميم الأجهزة المتطورة والبرامج الذكية من الموجات فوق الصوتية Hielscher لضمان التشغيل الموثوق به ، والنتائج القابلة للاستنساخ وكذلك سهولة الاستخدام. و هيلشر ultrasonicators قوية وموثوق بها، والذي يسمح ليتم تثبيتها وتشغيلها في ظل ظروف الخدمة الشاقة. يمكن الوصول إلى الإعدادات التشغيلية بسهولة والاتصال بها عبر قائمة بديهية ، والتي يمكن الوصول إليها عبر شاشة اللمس الرقمية الملونة والتحكم عن بعد في المتصفح. لذلك، يتم تسجيل جميع شروط المعالجة مثل صافي الطاقة، والطاقة الإجمالية، والسعة، والوقت، والضغط ودرجة الحرارة تلقائيا على بطاقة SD مدمجة. هذا يسمح لك لمراجعة ومقارنة تشغيل سونيكيشن السابقة وتحسين توليف ووظيفية من المحفزات نانو إلى أعلى كفاءة.
وتستخدم أنظمة Hielscher Ultrasonics في جميع أنحاء العالم لعمليات التوليف سونوتشيميكال وثبت أن تكون موثوقة لتوليف عالية الجودة zeolite نانو محفزات وكذلك مشتقات الزيوليت. Hielscher الموجات فوق الصوتية الصناعية يمكن بسهولة تشغيل السعة العالية في التشغيل المستمر (24/7/365). يمكن بسهولة السعة تصل إلى 200μm يتم إنشاؤها باستمرار مع سونوتروديس القياسية (مسابير بالموجات فوق الصوتية / قرون). لسعات أعلى من ذلك، sonotrodes الموجات فوق الصوتية مخصصة متوفرة. نظرا لقوتها وصيانة منخفضة، يتم تثبيت ultrasonicators لدينا عادة لتطبيقات الخدمة الشاقة وفي بيئات صعبة.
Hielscher المعالجات بالموجات فوق الصوتية لsochemical syntheses، وظيفية، نانو هيكلة و deagglomeration مثبتة بالفعل في جميع أنحاء العالم على نطاق تجاري. اتصل بنا الآن لمناقشة عملية التصنيع نانو محفز الخاص بك! سيكون موظفونا ذوي الخبرة الجيدة سعداء لمشاركة المزيد من المعلومات حول مسار التوليف السونوكيميائية وأنظمة الموجات فوق الصوتية والتسعير!
مع الاستفادة من طريقة توليف بالموجات فوق الصوتية، سوف تتفوق إنتاجك نانو محفز mesoporous في الكفاءة والبساطة وانخفاض التكلفة بالمقارنة مع عمليات توليف محفز أخرى!

الجدول أدناه يعطيك مؤشرا على قدرة المعالجة التقريبية لultrasonicators لدينا:

دفعة حجم	معدل المد و الجزر	الأجهزة الموصى بها
1 إلى 500ML	10 إلى 200ML / دقيقة	UP100H
10 إلى 2000ML	20 إلى 400ML / دقيقة	Uf200 ः ر، UP400St
00.1 إلى 20L	00.2 إلى 4L / دقيقة	UIP2000hdT
10 إلى 100L	2 إلى 10L / دقيقة	UIP4000hdT
زمالة المدمنين المجهولين	10 إلى 100L / دقيقة	UIP16000
زمالة المدمنين المجهولين	أكبر	مجموعة من UIP16000

اتصل بنا! / اسألنا!

Ultrasonic nano-structuring of metals and zeolites is a highly effective technique to produce high-performance catalysts.

تعمل الدكتورة أندريفا بوملر، جامعة بايرويت، مع الموجات فوق الصوتية UIP1000hdT على نانو هيكلة المعادن من أجل الحصول على محفزات متفوقة.

Ultrasonic high-shear homogenizers are used in lab, bench-top, pilot and industrial processing.

Hielscher الفوق صوتيات بتصنيع عالية الأداء المجانسة بالموجات فوق الصوتية لخلط التطبيقات، تشتت، استحلاب واستخراج على المختبر، والطيارية ومقياس الصناعية.

الوظائف ذات الصلة

الأدب / المراجع

Ahmed, K.; Sameh, M.; Laila, I.; Naghmash, Mona (2014): Ultrasonication of H-MOR zeolite catalysts for dimethylether (DME) production as a clean fuel. Journal of Petroleum Technology and Alternative Fuels 5, 2014. 13-25.
Reza Khoshbin, Mohammad Haghighi (2013): Direct syngas to DME as a clean fuel: The beneficial use of ultrasound for the preparation of CuO–ZnO–Al2O3/HZSM-5 nanocatalyst. Chemical Engineering Research and Design, Volume 91, Issue 6, 2013. 1111-1122.
Kolesnikova, E.E., Obukhova, T.K., Kolesnichenko, N.V. et al. (2018): Ultrasound-Assisted Modification of Zeolite Catalyst for Dimethyl Ether Conversion to Olefins with Magnesium Compounds. Pet. Chem. 58, 2018. 863–868.
Reza Khoshbin, Mohammad Haghighi (2014): Direct Conversion of Syngas to Dimethyl Ether as a Green Fuel over Ultrasound- Assisted Synthesized CuO-ZnO-Al2O3/HZSM-5 Nanocatalyst: Effect of Active Phase Ratio on Physicochemical and Catalytic Properties at Different Process Conditions. Catalysis Science & Technology, Volume 6, 2014.
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2014/cy/c3cy01089a
Sameh M.K. Aboul-Fotouh, Laila I. Ali, Mona A. Naghmash, Noha A.K. Aboul-Gheit (2017): Effect of the Si/Al ratio of HZSM-5 zeolite on the production of dimethyl ether before and after ultrasonication. Journal of Fuel Chemistry and Technology, Volume 45, Issue 5, 2017. 581-588.
Rahmanpour, Omid; Shariati, Ahmad; Khosravi-Nikou, Mohammad Reza (2012): New Method for Synthesis Nano Size γ-Al2O3 Catalyst for Dehydration of Methanol to Dimethyl Ether. International Journal of Chemical Engineering and Applications 2012. 125-128.
Millán, Elena; Mota, Noelia; Guil-Lopez, R.; Pawelec, Barbara; Fierro, José; Navarro, Rufino (2020): Direct Synthesis of Dimethyl Ether from Syngas on Bifunctional Hybrid Catalysts Based on Supported H3PW12O40 and Cu-ZnO(Al): Effect of Heteropolyacid Loading on Hybrid Structure and Catalytic Activity. Catalysts 10, 2020.
Suslick, Kenneth S.; Hyeon, Taeghwan; Fang, Mingming; Cichowlas, Andrzej A. (1995): Sonochemical synthesis of nanostructured catalysts. Materials Science and Engineering: A. Proceedings of the Symposium on Engineering of Nanostructured Materials. ScienceDirect 204 (1–2): 186–192.
Pavel V. Cherepanov, Daria V. Andreeva (2017): Phase structuring in metal alloys: Ultrasound-assisted top-down approach to engineering of nanostructured catalytic materials. Ultrasonics Sonochemistry 2017.
Sameh M.K. Aboul-Fotouh, Noha A.K. Aboul-Gheit, Mona A. Naghmash (2016): Dimethylether production on zeolite catalysts activated by Cl−, F− and/or ultrasonication. Journal of Fuel Chemistry and Technology, Volume 44, Issue 4, 2016. 428-436.

حقائق تستحق العلم

ثنائي ميثيل الأثير (DME) كوقود

ومن الاستخدامات الرئيسية المتوخاة لأثير ثنائي ميثيل هو استخدامه كبديل للبروبان في غاز البترول المسال (غاز البروبان السائل)، الذي يستخدم كوقود للمركبات، في الأسر المعيشية والصناعة. في غاز البروبان، يمكن أيضا استخدام ثنائي ميثيل الأثير كمزيج.
وعلاوة على ذلك، DME هو أيضا وقود واعدة لمحركات الديزل وتوربينات الغاز. بالنسبة لمحركات الديزل، فإن ارتفاع عدد السيتان الذي يتراوح بين 55، مقارنة بوقود الديزل من النفط مع أعداد السيتان من 40-53، مفيد للغاية. التعديلات المعتدلة فقط ضرورية لتمكين محرك الديزل لحرق الأثير ثنائي ميثيل. بساطة هذا المركب سلسلة الكربون قصيرة يؤدي أثناء الاحتراق إلى انبعاثات منخفضة جدا من الجسيمات. ولهذه الأسباب فضلا عن كونها خالية من الكبريت، ثنائي ميثيل الأثير يفي حتى لوائح الانبعاثات الأكثر صرامة في أوروبا (EURO5)، الولايات المتحدة (الولايات المتحدة 2010)، واليابان (اليابان 2009).

High performance ultrasonics! Hielscher's product range covers the full spectrum from the compact lab ultrasonicator over bench-top units to full-industrial ultrasonic systems.

Hielscher الفوق صوتيات بتصنيع عالية الأداء المجانسة بالموجات فوق الصوتية من مختبر إلى حجم الصناعية.