Ултразвукова подготовка на катализатори за преобразуване на диметилов етер (DME)
Бифункционални катализатори за директно преобразуване на DME
Производството на диметилов етер (DME) е добре установен промишлен процес, който е разделен на две стъпки: първо, каталитично хидрогениране на синтетичен газ в метанол (CO / CO2 + 3Ч2 → CH3OH + H2HO) и второ, последваща каталитична дехидратация на метанола върху киселинни катализатори за производство (2CH3О → CH3ОЧ3 + Н2O). Основното ограничение на този двуетапен синтез на DME е свързано с ниската термодинамика по време на фазата на синтез на метанол, което води до ниско преобразуване на газ за преминаване (15-25%). По този начин се наблюдават високи коефициенти на рециркулация, както и високи капиталови и оперативни разходи.
За да се преодолее това термодинамично ограничение, директният синтез на DME е значително по-благоприятен: При директното преобразуване на DME етапът на синтез на метанол е съчетан със степента на дехидратация в един реактор
(2CO / CO2 + 6 часа2 → CH3ОЧ3 + 3Ч2O).

Ултразвуковият уред UIP2000hdT (2kW) С проточен реактор е често използвана инсталация за сонохимичен синтез на мезопорести нанокатализатори (напр. декорирани зеолити).

Директен синтез на диметилов етер (DME) от синтетичен газ върху бифункционален катализатор.
( © Millán et al. 2020)
Синтез на високореактивни катализатори за преобразуване на DME с помощта на мощен ултразвук
Реактивността и селективността на катализаторите за преобразуване на диметилов етер могат да бъдат значително подобрени чрез ултразвукова обработка. Зеолити като киселинни зеолити (напр. алумосиликатен зеолит HZSM-5) и декорирани зеолити (напр. с CuO/ZnO/Al2O3) са основните катализатори, които се използват успешно за производството на DME.

Хибриден комбиниран синтез на утаяване и ултразвук на CuO-ZnO-Al2O3 / HZSM-5, използван при директна конверзия на синтетичен газ с диметилов етер като зелено гориво.
Проучване и снимка: Khoshbin and Haghighi, 2013.]
Хлорирането и флуорирането на зеолитите са ефективни методи за настройка на каталитичната киселинност. Хлорираните и флуорираните зеолитни катализатори са получени чрез импрегниране на зеолити (H-ZSM-5, H-MOR или H-Y) с помощта на два халогенни прекурсора (амониев хлорид и амониев флуорид) в проучването на изследователския екип на Aboul-Fotouh. Влиянието на ултразвуковото облъчване е оценено за оптимизиране на двата халогенни прекурсора за производство на диметилетер (DME) чрез дехидратация на метанол в реактор с фиксиран слой. Сравнително изпитване на DME катализа разкри, че халогенизираните зеолитни катализатори, приготвени при ултразвуково облъчване, показват по-висока ефективност за образуване на DME. (Aboul-Fotouh et al., 2016)
В друго проучване изследователският екип изследва всички важни ултразвукови променливи, срещани по време на извършване на дехидратация на метанол върху зеолитни катализатори H-MOR, за да се получи диметилетер. За своите Соникационни емисии изследователският екип използва Ултразвуков ултразвуков уред от типа сонда Hielscher UP50H. Сканиращият електронен микроскоп (SEM) на ултразвуковия зеолит H-MOR (морденитов зеолит) изясни, че метанолът сам по себе си, използван като ултразвукова среда, дава най-добри резултати по отношение на хомогенността на размерите на частиците в сравнение с необработения катализатор, където са се появили големи агломерати и нехомогенни клъстери. Тези открития потвърждават, че ултразвукът има дълбок ефект върху разделителната способност на елементарната клетка и следователно върху каталитичното поведение на дехидратацията на метанола до диметилов етер (DME). NH3-TPD показва, че ултразвуковото облъчване е повишило киселинността на катализатора H-MOR и следователно е каталитично за образуване на DME. (Aboul-Gheit et al., 2014)

SEM на ултразвуков H-MOR с помощта на различни среди
Проучване и снимки: ©Aboul-Gheit et al., 2014 г.
Почти всички търговски DME се произвеждат чрез дехидратация на метанол с помощта на различни твърдокиселинни катализатори като зеолити, силика-алуминиев оксид, алуминиев оксид, Al2O3–Б2O3и т.н. чрез следната реакция:
2КАНАЛ3О <—> CH3ОЧ3 +Ч2O(-22.6k jmol-1)
Koshbin and Haghighi (2013) подготвят CuO–ZnO–Al2O3/HZSM-5 нанокатализатори чрез комбиниран ко-утаяване-ултразвуков метод. Изследователският екип установи, че "използването на ултразвукова енергия има голямо влияние върху дисперсията на функцията за хидрогениране на CO и следователно върху ефективността на DME синтеза. Трайността на ултразвуково подпомагания синтезиран нанокатализатор е изследвана по време на реакцията на синтез газ към DME. Нанокатализаторът губи незначителна активност в хода на реакцията поради образуването на кокс върху медни видове." [Хошбин и Хагиги, 2013 г.]
Алтернативен незеолитен нанокатализатор, който също е много ефективен за насърчаване на DME преобразуването, е наноразмерен порест γ-алуминиев катализатор. Наноразмерният порест γ-алуминиев оксид е успешно синтезиран чрез утаяване при ултразвуково смесване. Сонохимичната обработка насърчава синтеза на наночастици. (срв. Rahmanpour et al., 2012)
Защо ултразвуково подготвените нанокатализатори са по-добри?
За производството на хетерогенни катализатори често са необходими материали с висока добавена стойност като благородни метали. Това прави катализаторите скъпи и следователно повишаването на ефективността, както и удължаването на жизнения цикъл на катализаторите са важни икономически фактори. Сред методите за приготвяне на нанокатализатори сонохимичната техника се счита за високоефективен метод. Способността на ултразвука да създава силно реактивни повърхности, да подобрява смесването и да увеличава масовия транспорт го прави особено обещаваща техника за изследване за подготовка и активиране на катализатори. Той може да произвежда хомогенни и диспергирани наночастици без нужда от скъпи инструменти и екстремни условия.
В няколко изследвания учените стигат до извода, че ултразвуковият катализатор е най-изгодният метод за производство на хомогенни нанокатализатори. Сред методите за приготвяне на нанокатализатори сонохимичната техника се счита за високоефективен метод. Способността на интензивната ултразвук да създава силно реактивни повърхности, да подобрява смесването и да увеличава масовия транспорт го прави особено обещаваща техника за изследване за подготовка и активиране на катализатори. Той може да произвежда хомогенни и диспергирани наночастици без нужда от скъпи инструменти и екстремни условия. (срв. Koshbin and Haghighi, 2014)

Сонохимичният синтез води до високоактивен наноструктуриран катализатор CuO–ZnO–Al2O3/HZSM-5.
Проучване и снимка: Хошбин и Хагиги, 2013 г.

Схематично представяне на ефектите на акустичната кавитация върху модификация на метални частици. Металите с ниска точка на топене (MP) като цинк (Zn) се окисляват напълно; метали с висока точка на топене като никел (Ni) и титан (Ti) показват повърхностна модификация при ултразвук. Алуминият (Al) и магнезият (Mg) образуват мезопорести структури. Нобелските метали са устойчиви на ултразвуково облъчване поради тяхната стабилност срещу окисляване. Точките на топене на металите са посочени в градуси Келвин (K).
Високоефективни ултразвукови апарати за синтез на мезопорести катализатори
Сонохимичното оборудване за синтез на високоефективни нанокатализатори е лесно достъпно във всякакъв размер – от компактни лабораторни ултразвукови апарати до напълно индустриални ултразвукови реактори. Hielscher Ultrasonics проектира, произвежда и разпространява ултразвукови апарати с висока мощност. Всички ултразвукови системи се произвеждат в централата в Телтов, Германия и се разпространяват оттам по целия свят.
Усъвършенстваният хардуер и интелигентен софтуер на ултразвуковите апарати Hielscher са проектирани да гарантират надеждна работа, възпроизводими резултати, както и удобство за потребителя. Ултразвуковите апарати Hielscher са здрави и надеждни, което позволява да се монтират и експлоатират при тежки условия. Работните настройки могат лесно да бъдат достъпни и набрани чрез интуитивно меню, което може да бъде достъпно чрез цифров цветен сензорен дисплей и дистанционно управление на браузъра. Следователно всички условия на обработка като нетна енергия, обща енергия, амплитуда, време, налягане и температура се записват автоматично на вградена SD-карта. Това ви позволява да преглеждате и сравнявате предишни серии на ултразвук и да оптимизирате синтеза и функционализацията на нанокатализаторите до най-висока ефективност.
Системите Hielscher Ultrasonics се използват в световен мащаб за процеси на сонохимичен синтез и са доказано надеждни за синтеза на висококачествени зеолитни нанокатализатори, както и производни на зеолит. Индустриалните ултразвукови апарати Hielscher могат лесно да работят с високи амплитуди при непрекъсната работа (24/7/365). Амплитуди до 200 μm могат лесно да се генерират непрекъснато със стандартни сонотроди (ултразвукови сонди / рога). За още по-високи амплитуди се предлагат персонализирани ултразвукови сонотроди. Поради своята здравина и ниска поддръжка, нашите ултразвукови уреди обикновено се инсталират за тежки приложения и в взискателни среди.
Ултразвуковите процесори на Hielscher за сонохимична синтеза, функционализация, наноструктуриране и деагломерация вече са инсталирани в цял свят в търговски мащаб. Свържете се с нас сега, за да обсъдим вашия процес на производство на нанокатализатори! Нашият опитен персонал ще се радва да сподели повече информация за пътя на сонохимичния синтез, ултразвуковите системи и цените!
С предимството на метода на ултразвуков синтез, вашето производство на мезопорест нанокатализатор ще се отличава с ефективност, простота и ниска цена в сравнение с други процеси на синтез на катализатори!
Таблицата по-долу ви дава представа за приблизителния капацитет на обработка на нашите ултразвукови апарати:
Обем на партидата | Дебит | Препоръчителни устройства |
---|---|---|
1 до 500 мл | 10 до 200 мл/мин | UP100H |
10 до 2000 мл | 20 до 400 мл/мин | UP200Ht, UP400St |
0.1 до 20L | 0.2 до 4 л/мин | UIP2000hdT |
10 до 100L | 2 до 10 л/мин | UIP4000hdT |
Н.А. | 10 до 100 л/мин | UIP16000 |
Н.А. | Голям | Клъстер от UIP16000 |
Свържете се с нас! / Попитайте ни!

Д-р Андреева-Боймлер, Университет в Байройт, работи с Ултразвуков уред UIP1000hdT за наноструктуриране на метали с цел получаване на превъзходни катализатори.
Литература / Препратки
- 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.
Факти, които си струва да знаете
Диметилов етер (DME) като гориво
Една от основните предвидени употреби на диметилов етер е прилагането му като заместител на пропана в LPG (течен пропан), който се използва като гориво за превозни средства, в домакинствата и промишлеността. В пропан автогаз диметиловият етер може да се използва и като смес.
Освен това DME е обещаващо гориво за дизелови двигатели и газови турбини. За дизеловите двигатели високото цетаново число от 55 в сравнение с това на дизеловото гориво от петрол с цетанови числа 40–53 е много изгодно. Необходими са само умерени модификации, за да може дизеловият двигател да изгаря диметилов етер. Простотата на това съединение с къса въглеродна верига води по време на горенето до много ниски емисии на прахови частици. Поради тези причини, освен че не съдържа сяра, диметиловият етер отговаря дори на най-строгите разпоредби за емисии в Европа (EURO5), САЩ (САЩ 2010) и Япония (2009 Япония).

Hielscher Ultrasonics произвежда високоефективни ултразвукови хомогенизатори от лаборатория да индустриален размер.