Ultrazvučna priprema katalizatora za konverziju dimetil etera (DME).

Dimetil etar (DME) je povoljno alternativno gorivo, koje se može sintetizirati iz metanola, CO₂ ili singas kroz katalizu. Za katalitičku konverziju u DME, potrebni su snažni katalizatori. Mezoporozni katalizatori nano veličine kao što su mezoporozni kiseli zeoliti, ukrašeni zeoliti ili metalni katalizatori nano veličine kao što su aluminij ili bakar mogu značajno poboljšati DME konverziju. Ultrazvuk visokog intenziteta je vrhunska tehnika za pripremu visoko reaktivnih nanokatalizatora. Saznajte više o tome kako koristiti ultrazvučnu obradu za proizvodnju mikro- i mezoporoznih katalizatora sa odličnom reaktivnošću i selektivnošću!

Bifunkcionalni katalizatori za direktnu DME konverziju

Proizvodnja dimetil etera (DME) je dobro uspostavljen industrijski proces koji je podijeljen u dva koraka: prvo, katalitička hidrogenacija singasa u metanol (CO/CO₂ + 3H₂ → CH₃OH + H₂HO) i drugo, naknadna katalitička dehidracija metanola preko kiselih katalizatora za proizvodnju (2CH₃OH → CH₃OCH₃ + H₂O). Glavno ograničenje ove dvostepene DME sinteze je povezano sa niskom termodinamikom tokom faze sinteze metanola, što rezultira niskom konverzijom gasa po prolazu (15-25%). Pri tome se javljaju visoki omjeri recirkulacije, kao i visoki kapitalni i operativni troškovi.
Da bi se prevazišlo ovo termodinamičko ograničenje, direktna sinteza DME je znatno povoljnija: U direktnoj konverziji DME, korak sinteze metanola je povezan sa korakom dehidracije u jednom reaktoru
(2CO / CO₂ + 6H₂ → CH₃OCH₃ + 3H₂O).

Direktna sinteza DME omogućava povećanje nivoa konverzije po koraku, do 19%, što znači značajno smanjenje troškova u pogledu investicionih i operativnih troškova proizvodnje DME. Na osnovu procjena, troškovi proizvodnje DME u direktnoj sintezi su smanjeni za 20-30% u poređenju sa konvencionalnim procesom konverzije u dva koraka. Da bi se funkcionisao direktan put sinteze DME, neophodan je visoko efikasan hibridni bifunkcionalni katalitički sistem. Potrebni katalizator mora ponuditi funkcionalnost za CO/CO2 hidrogenaciju za sintezu metanola i kisele funkcionalnosti, koje pomažu dehidraciji metanola. (usp. Millán et al. 2020.)

Sinteza visokoreaktivnih katalizatora za DME konverziju pomoću ultrazvuka

Reaktivnost i selektivnost katalizatora za konverziju dimetil etera mogu se značajno poboljšati ultrazvučnim tretmanom. Zeoliti kao što su kiseli zeoliti (npr. aluminosilikatni zeolit HZSM-5) i ukrašeni zeoliti (npr. sa CuO/ZnO/Al₂O₃) su glavni katalizatori koji se uspješno koriste za proizvodnju DME.

Kloriranje i fluoriranje zeolita su efikasne metode za podešavanje katalitičke kiselosti. Klorirani i fluorirani zeolitni katalizatori pripremljeni su impregnacijom zeolita (H-ZSM-5, H-MOR ili HY) korištenjem dva prekursora halogena (amonij hlorid i amonijum fluorid) u studiji istraživačkog tima Aboul-Fotouha. Utjecaj ultrazvučnog zračenja je procijenjen za optimizaciju oba prekursora halogena za proizvodnju dimetiletera (DME) dehidratacijom metanola u reaktoru s fiksnim slojem. Uporedno ispitivanje DME katalize otkrilo je da halogenirani zeolitni katalizatori pripremljeni ultrazvučnim zračenjem pokazuju veće performanse za formiranje DME. (Aboul-Fotouh et al., 2016.)
U drugoj studiji, istraživački tim je istražio sve važne ultrazvučne varijable koje su se susrele tokom dehidracije metanola na H-MOR zeolitnim katalizatorima za proizvodnju dimetiletera. Za svoje Sonication eksperimente, istraživački tim je koristio Hielscher UP50H sonde tipa ultrasonicator. Snimanje skenirajućim elektronskim mikroskopom (SEM) ultrazvučnog H-MOR zeolita (Mordenit zeolita) je razjasnilo da metanol sam po sebi koji se koristi kao ultrazvučni medij daje najbolje rezultate u pogledu homogenosti veličina čestica u odnosu na neobrađeni katalizator, gdje su veliki aglomerati i ne -pojavili su se homogeni klasteri. Ovi nalazi su potvrdili da ultrazvuk ima dubok učinak na rezoluciju jedinične ćelije, a time i na katalitičko ponašanje dehidracije metanola u dimetil eter (DME). NH3-TPD pokazuje da je ultrazvučno zračenje povećalo kiselost H-MOR katalizatora i stoga je to katalitičko djelovanje za stvaranje DME. (Aboul-Gheit et al., 2014.)

Gotovo sav komercijalni DME proizvodi se dehidratacijom metanola korištenjem različitih katalizatora čvrste kiseline kao što su zeoliti, silicijum-aluminijev oksid, glinica, Al₂O₃–B₂O₃itd. sljedećom reakcijom:
2CH₃OH <—> CH₃OCH₃ +H₂O(-22,6k jmol^-1)

Koshbin i Haghighi (2013) pripremili su CuO–ZnO–Al₂O₃/HZSM-5 nanokatalizatori kombiniranom koprecipitacijsko-ultrazvučnom metodom. Istraživački tim je otkrio „da korištenje ultrazvučne energije ima veliki utjecaj na disperziju funkcije hidrogenacije CO i posljedično na performanse sinteze DME. Trajnost sintetiziranog nanokatalizatora uz pomoć ultrazvuka ispitivana je tokom reakcije sinteznog gasa na DME. Nanokatalizator gubi zanemarljivu aktivnost tijekom reakcije zbog stvaranja koksa na vrstama bakra.” [Khoshbin i Haghighi, 2013.]

Alternativni nezeolitni nano-katalizator, koji je također vrlo efikasan u promoviranju DME konverzije, je porozni γ-aluminij katalizator nano veličine. Porozni γ-aluminijum nano veličine uspješno je sintetiziran precipitacijom uz ultrazvučno miješanje. Sonohemijski tretman potiče sintezu nano čestica. (usp. Rahmanpour et al., 2012.)

Zašto su ultrazvučno pripremljeni nanokatalizatori superiorni?

Za proizvodnju heterogenih katalizatora često su potrebni materijali visoke dodane vrijednosti kao što su plemeniti metali. Ovo čini katalizatore skupim i stoga su poboljšanje efikasnosti, kao i produženje životnog ciklusa katalizatora važni ekonomski faktori. Među metodama pripreme nanokatalizatora, sonohemijska tehnika se smatra visoko efikasnom metodom. Sposobnost ultrazvuka da stvori visoko reaktivne površine, poboljša miješanje i poveća transport mase čini ga posebno obećavajućom tehnikom za istraživanje za pripremu i aktivaciju katalizatora. Može proizvesti homogene i dispergovane nanočestice bez potrebe za skupim instrumentima i ekstremnim uslovima.
U nekoliko istraživačkih studija, naučnici dolaze do zaključka da je ultrazvučna priprema katalizatora najpovoljnija metoda za proizvodnju homogenih nanokatalizatora. Među metodama pripreme nanokatalizatora, sonohemijska tehnika se smatra visoko efikasnom metodom. Sposobnost intenzivne sonikacije da stvori visoko reaktivne površine, poboljša miješanje i poveća transport mase čini je posebno obećavajućom tehnikom za istraživanje za pripremu i aktivaciju katalizatora. Može da proizvede homogene i dispergovane nanočestice bez potrebe za skupim instrumentima i ekstremnim uslovima. (usp. Koshbin i Haghighi, 2014.)

Ultrasonikatori visokih performansi za sintezu mezoporoznih katalizatora

Sonohemijska oprema za sintezu nanokatalizatora visokih performansi je lako dostupna u bilo kojoj veličini – od kompaktnih laboratorijskih ultrazvučnih aparata do potpuno industrijskih ultrazvučnih reaktora. Hielscher Ultrasonics dizajnira, proizvodi i distribuira ultrasonikatore velike snage. Svi ultrazvučni sistemi se proizvode u centrali u Teltowu u Nemačkoj i odatle distribuiraju širom sveta.
Sofisticirani hardver i pametni softver Hielscher ultrasonikatora dizajnirani su da garantuju pouzdan rad, ponovljive rezultate kao i jednostavnost za korisnika. Hielscher ultrasonikatori su robusni i pouzdani, što omogućava instalaciju i rad u teškim uslovima rada. Operativnim postavkama se može lako pristupiti i birati ih putem intuitivnog menija, kojem se može pristupiti putem digitalnog dodirnog ekrana u boji i daljinskog upravljača pretraživača. Stoga se svi uvjeti obrade kao što su neto energija, ukupna energija, amplituda, vrijeme, pritisak i temperatura automatski snimaju na ugrađenu SD karticu. Ovo vam omogućava da revidirate i uporedite prethodne serije sonikacije i da optimizirate sintezu i funkcionalizaciju nanokatalizatora do najveće efikasnosti.
Hielscher Ultrasonics sistemi se koriste širom svijeta za procese sonohemijske sinteze i dokazano su pouzdani za sintezu visokokvalitetnih nanokatalizatora zeolita kao i derivata zeolita. Hielscher industrijski ultrasonicatori mogu lako pokrenuti visoke amplitude u kontinuiranom radu (24/7/365). Amplitude do 200µm mogu se lako kontinuirano generirati sa standardnim sonotrodama (ultrazvučne sonde/trube). Za još veće amplitude, dostupne su prilagođene ultrazvučne sonotrode. Zbog svoje robusnosti i niskog održavanja, naši ultrasonikatori se obično instaliraju za teške primjene i u zahtjevnim okruženjima.
Hielscher ultrazvučni procesori za sonohemijske sinteze, funkcionalizaciju, nanostrukturiranje i deaglomeraciju već su instalirani širom svijeta u komercijalnim razmjerima. Kontaktirajte nas sada da razgovaramo o vašem proizvodnom procesu nano-katalizatora! Naše iskusno osoblje će rado podijeliti više informacija o putu sonohemijske sinteze, ultrazvučnim sistemima i cijenama!
Uz prednost metode ultrazvučne sinteze, vaša proizvodnja mezoporoznog nano-katalizatora će se odlikovati efikasnošću, jednostavnošću i niskom cijenom u poređenju s drugim procesima sinteze katalizatora!

Tabela ispod daje vam indikaciju približnih kapaciteta obrade naših ultrazvučnih aparata: