Ultrazvučna priprema katalizatora za konverziju dimetil etera (DME)

Dimetil eter (DME) je povoljno alternativno gorivo koje se može sintetizirati iz metanola, CO₂ ili sinteznog plina putem katalize. Za katalitičku konverziju u DME potrebni su potentni katalizatori. Nanodimenzionirani mezoporozni katalizatori, poput mezoporoznih kiselih zeolita, dekoriranih zeolita ili nanodimenzioniranih metalnih katalizatora poput aluminija ili bakra, mogu znatno poboljšati konverziju u DME. Visokointenzivni ultrazvuk je superiorna tehnika za pripremu visokoreaktivnih nanokatalizatora. Saznajte više o tome kako se ultrazvučna obrada koristi za proizvodnju mikro- i mezoporoznih katalizatora izuzetne reaktivnosti i selektivnosti!

Bifunkcionalni katalizatori za direktnu konverziju u DME

Proizvodnja dimetil etera (DME) dobro je uhodan industrijski proces koji se dijeli na dva koraka: prvo, katalitičko hidrogeniranje sinteznog plina u metanol (CO / CO₂ + 3H₂ → CH₃OH + H₂HO), a zatim naknadna katalitička dehidratacija metanola na kiselim katalizatorima za proizvodnju (2CH₃OH → CH₃OCH₃ + H₂O). Glavno ograničenje ove dvostepene sinteze DME-a povezano je s niskom termodinamikom tokom faze sinteze metanola, što rezultira niskom konverzijom plina po prolazu (15-25%). Stoga nastaju visoki omjeri recirkulacije te visoki kapitalni i operativni troškovi.
Kako bi se prevladalo ovo termodinamičko ograničenje, direktna sinteza DME-a znatno je povoljnija: pri direktnoj konverziji u DME korak sinteze metanola spojen je s korakom dehidratacije u jednom reaktoru
(2CO / CO₂ + 6H₂ → CH₃OCH₃ + 3H₂O).

Direktna sinteza DME-a omogućuje povećanje nivoa konverzije po koraku, do 19%, što znači značajno smanjenje troškova ulaganja i operativnih troškova proizvodnje DME-a. Prema procjenama, troškovi proizvodnje DME-a direktnom sintezom smanjuju se za 20-30% u odnosu na konvencionalni dvostepeni proces konverzije. Za provedbu puta direktne sinteze DME-a neophodan je visoko učinkovit hibridni bifunkcionalni katalitički sistem. Traženi katalizator mora imati funkcionalnost za hidrogeniranje CO / CO2 radi sinteze metanola te kisele funkcionalnosti koje potpomažu dehidrataciju metanola. (usp. Millán et al. 2020)

Sinteza visokoreaktivnih katalizatora za konverziju u DME primjenom snažnog ultrazvuka

Reaktivnost i selektivnost katalizatora za konverziju dimetil etera mogu se znatno poboljšati ultrazvučnom obradom. Zeoliti poput kiselih zeolita (npr. aluminosilikatni zeolit HZSM-5) i dekoriranih zeolita (npr. s CuO/ZnO/Al₂O₃) glavni su katalizatori koji se uspješno koriste za proizvodnju DME-a.

Hlorisanje i fluorisanje zeolita učinkovite su metode za podešavanje katalitičke kiselosti. Hlorisani i fluorisani zeolitni katalizatori pripremljeni su impregnacijom zeolita (H-ZSM-5, H-MOR ili H-Y) pomoću dva halogena prekursora (amonijev hlorid i amonijev fluorid) u studiji istraživačkog tima Aboul-Fotouh. Procijenjen je utjecaj ultrazvučnog zračenja na optimizaciju oba halogena prekursora za proizvodnju dimetil etera (DME) dehidratacijom metanola u reaktoru s nepokretnim slojem. Komparativni katalitički ogled za DME pokazao je da halogenirani zeolitni katalizatori pripremljeni pod ultrazvučnim zračenjem pokazuju veću učinkovitost u stvaranju DME-a. (Aboul-Fotouh et al., 2016)
U drugoj studiji istraživački tim ispitao je sve važne varijable ultrazvučne obrade koje se javljaju pri provođenju dehidratacije metanola na H-MOR zeolitnim katalizatorima radi proizvodnje dimetil etera. Za svoje eksperimente ultrazvučne obrade istraživački tim koristio je ultrazvučni uređaj sondnog tipa Hielscher UP50H. Snimci skenirajućim elektronskim mikroskopom (SEM) sonicirane H-MOR zeolite (zeolit mordenit) pokazali su da sam metanol, korišten kao medij za ultrazvučnu obradu, daje najbolje rezultate u pogledu homogenosti veličine čestica u odnosu na netretirani katalizator, kod kojeg su se pojavili veliki aglomerati i nehomogene nakupine. Ovi nalazi potvrđuju da ultrazvučna obrada ima dubok učinak na rezoluciju jedinične ćelije i stoga na katalitičko ponašanje dehidratacije metanola u dimetil eter (DME). NH3-TPD pokazuje da je ultrazvučno zračenje poboljšalo kiselost H-MOR katalizatora i stoga njegovu katalitičku učinkovitost u stvaranju DME-a. (Aboul-Gheit et al., 2014)

Gotovo sav komercijalni DME proizvodi se dehidratacijom metanola uz različite čvrste kisele katalizatore poput zeolita, silika–alumine, alumine, Al₂O₃–B₂O₃, itd., prema sljedećoj reakciji:
2CH₃OH <—> CH₃OCH₃ +H₂O(-22,6k jmol^-1)

Koshbin i Haghighi (2013) pripremili su CuO–ZnO–Al₂O₃/HZSM-5 nanokatalizatore kombiniranom metodom koprecipitacije i ultrazvuka. Istraživački tim je ustanovio “da primjena ultrazvučne energije ima veliki utjecaj na disperziju funkcije hidrogeniranja CO i posljedično na performanse sinteze DME-a. Trajnost nanokatalizatora sintetiziranog uz pomoć ultrazvuka ispitivana je tokom reakcije sinteznog plina u DME. Nanokatalizator gubi zanemarivu aktivnost tokom reakcije zbog stvaranja koksa na vrstama bakra.” [Khoshbin and Haghighi, 2013.]

Alternativni nezeolitni nanokatalizator, koji je također vrlo učinkovit u poticanju konverzije u DME, jest nanodimenzionirani porozni γ-aluminijski katalizator. Nanodimenzionirani porozni γ-alumina uspješno je sintetiziran precipitacijom uz ultrazvučno miješanje. Sonohemijska obrada potiče sintezu nanočestica. (usp. Rahmanpour et al., 2012)

Zašto su ultrazvučno pripremljeni nanokatalizatori superiorni?

Za proizvodnju heterogenih katalizatora često su potrebni materijali visoke dodane vrijednosti, poput plemenitih metala. Zbog toga su katalizatori skupi pa su povećanje učinkovitosti i produženje životnog vijeka katalizatora važni ekonomski faktori. Među metodama pripreme nanokatalizatora sonohemijska tehnika smatra se vrlo učinkovitom metodom. Sposobnost ultrazvuka da stvara visokoreaktivne površine, poboljša miješanje i poveća prijenos mase čini je posebno obećavajućom tehnikom za istraživanje u pripremi i aktivaciji katalizatora. Može proizvesti homogene i dispergirane nanočestice bez potrebe za skupim instrumentima i ekstremnim uvjetima.
U nekoliko istraživačkih studija znanstvenici dolaze do zaključka da je ultrazvučna priprema katalizatora najpovoljnija metoda za proizvodnju homogenih nanokatalizatora. Među metodama pripreme nanokatalizatora sonohemijska tehnika smatra se vrlo učinkovitom metodom. Sposobnost intenzivne ultrazvučne obrade da stvara visokoreaktivne površine, poboljša miješanje i poveća prijenos mase čini je posebno obećavajućom tehnikom za istraživanje u pripremi i aktivaciji katalizatora. Može proizvesti homogene i dispergirane nanočestice bez potrebe za skupim instrumentima i ekstremnim uvjetima. (usp. Koshbin i Haghighi, 2014)

Visokoučinski ultrazvučni uređaji za sintezu mezoporoznih katalizatora

Sonohemijska oprema za sintezu visokoučinskih nanokatalizatora lako je dostupna u svakoj veličini – od kompaktnih laboratorijskih ultrazvučnih uređaja do potpuno industrijskih ultrazvučnih reaktora. Hielscher Ultrasonics projektira, proizvodi i distribuira ultrazvučne uređaje velike snage. Svi ultrazvučni sistemi izrađuju se u sjedištu u Teltowu u Njemačkoj i odatle se distribuiraju širom svijeta.
Sofisticirani hardver i pametan softver ultrazvučnih uređaja Hielscher osmišljeni su da zajamče pouzdan rad, ponovljive rezultate i jednostavnost korištenja. Ultrazvučni uređaji Hielscher robusni su i pouzdani, što omogućuje njihovu ugradnju i rad u zahtjevnim uvjetima. Radnim postavkama može se lako pristupiti i podešavati ih putem intuitivnog izbornika, kojem se pristupa preko digitalnog kolor ekrana osjetljivog na dodir i putem daljinskog upravljanja preko preglednika. Stoga se svi uvjeti obrade, poput neto energije, ukupne energije, amplitude, vremena, tlaka i temperature, automatski bilježe na ugrađenu SD karticu. To vam omogućuje da pregledate i uporedite prethodne cikluse ultrazvučne obrade te optimizirate sintezu i funkcionalizaciju nanokatalizatora do najveće učinkovitosti.
Hielscher Ultrasonics sistemi koriste se širom svijeta za procese sonohemijske sinteze i dokazano su pouzdani za sintezu visokokvalitetnih zeolitnih nanokatalizatora te derivata zeolita. Hielscher industrijski ultrazvučni uređaji mogu lako raditi s visokim amplitudama u kontinuiranom pogonu (24/7/365). Amplitude do 200µm mogu se lako kontinuirano generirati standardnim sonotrodama (ultrazvučne sonde / rogovi). Za još više amplitude dostupne su prilagođene ultrazvučne sonotrode. Zbog robusnosti i niskog održavanja, naši se ultrazvučni uređaji često ugrađuju za zahtjevne primjene i u zahtjevnim okruženjima.
Hielscher ultrazvučni procesori za sonohemijske sinteze, funkcionalizaciju, nanostrukturiranje i deaglomeraciju već su instalirani širom svijeta u komercijalnom razmjeru. Kontaktirajte nas sada kako bismo razgovarali o vašem procesu proizvodnje nanokatalizatora! Naše iskusno osoblje rado će podijeliti više informacija o putu sonohemijske sinteze, ultrazvučnim sistemima i cijenama!
Uz prednost metode ultrazvučne sinteze, vaša će proizvodnja mezoporoznih nanokatalizatora biti izvrsna po učinkovitosti, jednostavnosti i niskoj cijeni u usporedbi s drugim procesima sinteze katalizatora!

Tabela u nastavku daje orijentacijski prikaz približnog kapaciteta obrade naših ultrazvučnih uređaja: