Ултразвуково получаване на катализатори за превръщане в диметилов етер (DME)

Диметиловият етер (DME) е благоприятно алтернативно гориво, което може да се синтезира от метанол, CO₂ или синтез-газ чрез катализа. За каталитичното превръщане в DME са необходими ефективни катализатори. Мезопорести катализатори с наноразмери, като мезопорести киселинни зеолити, зеолити с нанесени компоненти или метални катализатори с наноразмери, като алуминий или мед, могат значително да подобрят превръщането в DME. Ултразвукът с висока интензивност е превъзходният метод за получаване на нанокатализатори с висока реактивност. Научете повече за използването на ултразвукова обработка за производството на микро- и мезопорести катализатори с отлична реактивност и селективност!

Бифункционални катализатори за директно превръщане в DME

Производството на диметилов етер (DME) е утвърден промишлен процес, който се разделя на два етапа: първо, каталитично хидрогениране на синтез-газ до метанол (CO / CO₂ + 3H₂ → CH₃OH + H₂HO) и второ, последваща каталитична дехидратация на метанола върху киселинни катализатори за получаване на (2CH₃OH → CH₃OCH₃ + H₂O). Основното ограничение на този двуетапен синтез на DME е свързано с ниската термодинамика по време на етапа на синтез на метанол, което води до ниска степен на превръщане на газа при еднократно преминаване (15–25%). Вследствие на това възникват високи коефициенти на рециркулация, както и високи капиталови и експлоатационни разходи.
За преодоляване на това термодинамично ограничение директният синтез на DME е значително по-благоприятен: при директното превръщане в DME етапът на синтез на метанол се съчетава с етапа на дехидратация в един реактор
(2CO / CO₂ + 6H₂ → CH₃OCH₃ + 3H₂O).

Директният синтез на DME позволява повишаване на степента на превръщане на етап до 19%, което означава значително намаляване на инвестиционните и експлоатационните разходи за производство на DME. Според оценките производствените разходи за DME при директен синтез се намаляват с 20–30% в сравнение с конвенционалния двуетапен процес на превръщане. За осъществяване на директния синтез на DME е необходима високоефективна хибридна бифункционална каталитична система. Необходимият катализатор трябва да осигурява функционалност за хидрогениране на CO / CO2 за синтез на метанол и киселинни функционалности, които подпомагат дехидратацията на метанола. (вж. Millán et al. 2020)

Синтез на катализатори с висока реактивност за превръщане в DME чрез мощен ултразвук

Реактивността и селективността на катализаторите за превръщане в диметилов етер могат значително да се подобрят чрез ултразвукова обработка. Зеолитите, като киселинни зеолити (напр. алуминосиликатният зеолит HZSM-5) и зеолити с нанесени компоненти (напр. с CuO/ZnO/Al₂O₃), са основните катализатори, които се използват успешно за производство на DME.

Хлорирането и флуорирането на зеолитите са ефективни методи за регулиране на каталитичната киселинност. В изследването на научния екип на Aboul-Fotouh хлорираните и флуорираните зеолитни катализатори са получени чрез импрегниране на зеолити (H-ZSM-5, H-MOR или H-Y) с два халогенни прекурсора (амониев хлорид и амониев флуорид). Влиянието на ултразвуковото облъчване е оценено с цел оптимизиране на двата халогенни прекурсора за производство на диметилов етер (DME) чрез дехидратация на метанол в реактор с неподвижен слой. Сравнителното изпитване на катализа за DME показва, че халогенираните зеолитни катализатори, получени при ултразвуково облъчване, показват по-висока ефективност при образуването на DME. (Aboul-Fotouh et al., 2016)
В друго изследване научният екип проучва всички важни променливи на ултразвуковата обработка при извършване на дехидратация на метанол върху зеолитни катализатори H-MOR за получаване на диметилов етер. За своите експерименти с ултразвукова обработка научният екип използва ултразвуковия апарат със сонда Hielscher UP50H. Изображенията от сканиращ електронен микроскоп (SEM) на обработения с ултразвук зеолит H-MOR (зеолит морденит) показват, че самият метанол, използван като среда за ултразвукова обработка, дава най-добри резултати по отношение на еднородността на размерите на частиците в сравнение с необработения катализатор, при който се наблюдават големи агломерати и нееднородни клъстери. Тези резултати потвърждават, че ултразвуковата обработка има дълбоко въздействие върху разделителната способност на елементарната клетка и следователно върху каталитичното поведение при дехидратацията на метанол до диметилов етер (DME). NH3-TPD показва, че ултразвуковото облъчване е повишило киселинността на катализатора H-MOR и следователно неговата каталитична ефективност при образуването на DME. (Aboul-Gheit et al., 2014)

Почти целият DME за търговски цели се произвежда чрез дехидратация на метанол с използване на различни твърди киселинни катализатори, като зеолити, силициев диоксид–алуминиев оксид, алуминиев оксид, Al₂O₃–B₂O₃, и др. по следната реакция:
2CH₃OH <—> CH₃OCH₃ +H₂O(-22,6k jmol^-1)

Koshbin and Haghighi (2013) получават нанокатализатори CuO–ZnO–Al₂O₃/HZSM-5 чрез комбиниран метод на съутаяване и ултразвук. Научният екип установява, „че използването на ултразвукова енергия оказва голямо влияние върху диспергирането на функцията за хидрогениране на CO и следователно върху ефективността на синтеза на DME. Устойчивостта на нанокатализатора, синтезиран с помощта на ултразвук, е изследвана по време на реакцията на превръщане на синтез-газ в DME. Нанокатализаторът губи пренебрежимо малка част от активността си в хода на реакцията поради образуване на кокс върху медните форми.“ [Khoshbin and Haghighi, 2013.]

Алтернативен незeолитен нанокатализатор, който също е много ефективен за подпомагане на превръщането в DME, е порест катализатор от γ-алуминиев оксид с наноразмери. Порестият γ-алуминиев оксид с наноразмери е успешно синтезиран чрез утаяване при ултразвуково смесване. Сонохимичната обработка подпомага синтеза на наночастиците. (вж. Rahmanpour et al., 2012)

Защо нанокатализаторите, получени с ултразвук, са по-добри?

За производството на хетерогенни катализатори често са необходими материали с висока добавена стойност, като благородни метали. Това прави катализаторите скъпи и затова повишаването на ефективността и удължаването на жизнения им цикъл са важни икономически фактори. Сред методите за получаване на нанокатализатори сонохимичният метод се счита за високоефективен. Способността на ултразвука да създава повърхности с висока реактивност, да подобрява смесването и да увеличава масопреноса го прави особено перспективен метод за проучване при получаването и активирането на катализатори. Той може да създава еднородни и диспергирани наночастици без необходимост от скъпи инструменти и екстремни условия.
В няколко изследвания учените стигат до заключението, че ултразвуковото получаване на катализатори е най-изгодният метод за производство на еднородни нанокатализатори. Сред методите за получаване на нанокатализатори сонохимичният метод се счита за високоефективен. Способността на интензивната ултразвукова обработка да създава повърхности с висока реактивност, да подобрява смесването и да увеличава масопреноса я прави особено перспективен метод за проучване при получаването и активирането на катализатори. Тя може да създава еднородни и диспергирани наночастици без необходимост от скъпи инструменти и екстремни условия. (вж. Koshbin and Haghighi, 2014)

Високопроизводителни ултразвукови апарати за синтез на мезопорести катализатори

Сонохимично оборудване за синтез на високоефективни нанокатализатори е лесно достъпно във всякакви размери – от компактни лабораторни ултразвукови апарати до изцяло промишлени ултразвукови реактори. Hielscher Ultrasonics проектира, произвежда и разпространява мощни ултразвукови апарати. Всички ултразвукови системи се произвеждат в централата в Телтов, Германия, и оттам се разпространяват по целия свят.
Усъвършенстваният хардуер и интелигентният софтуер на ултразвуковите апарати Hielscher са проектирани да гарантират надеждна работа, възпроизводими резултати и удобство за потребителя. Ултразвуковите апарати Hielscher са здрави и надеждни, което позволява монтирането и експлоатацията им при тежки работни условия. Работните настройки могат лесно да се отварят и задават чрез интуитивно меню, достъпно от цифров цветен сензорен дисплей и чрез дистанционно управление през браузър. Така всички условия на обработка, като нетна енергия, обща енергия, амплитуда, време, налягане и температура, се записват автоматично върху вградена SD карта. Това ви позволява да преглеждате и сравнявате предишни цикли на ултразвукова обработка и да оптимизирате синтеза и функционализирането на нанокатализаторите за постигане на най-висока ефективност.
Системите на Hielscher Ultrasonics се използват в целия свят за процеси на сонохимичен синтез и са доказано надеждни за синтеза на висококачествени зеолитни нанокатализатори, както и на зеолитни производни. Промишлените ултразвукови апарати Hielscher могат лесно да работят с високи амплитуди в непрекъснат режим (24/7/365). Амплитуди до 200µm могат лесно да се генерират непрекъснато със стандартни сонотроди (ултразвукови сонди / рупори). За още по-високи амплитуди се предлагат ултразвукови сонотроди по индивидуална поръчка. Благодарение на здравината си и ниските изисквания за поддръжка нашите ултразвукови апарати често се монтират за приложения с тежки работни условия и във взискателни среди.
Ултразвуковите процесори Hielscher за сонохимичен синтез, функционализиране, наноструктуриране и деагломерация вече са инсталирани по целия свят в търговски мащаб. Свържете се с нас сега, за да обсъдим вашия процес за производство на нанокатализатори! Нашият опитен персонал с удоволствие ще сподели повече информация за метода на сонохимичен синтез, ултразвуковите системи и цените!
Благодарение на предимството на метода на ултразвуков синтез вашето производство на мезопорести нанокатализатори ще се отличава с ефективност, простота и ниски разходи в сравнение с други процеси за синтез на катализатори!

Таблицата по-долу дава представа за приблизителния капацитет за обработка на нашите ултразвукови апарати: