Dimethylether (DME) je příznivé alternativní palivo, které lze syntetizovat z methanolu, CO₂ nebo syngasu prostřednictvím katalýzy. Pro katalytickou přeměnu na DME jsou zapotřebí účinné katalyzátory. Nano-velké mezoporé katalyzátory, jako jsou mezoponézní kyselé zeolity, zdobené zeolity nebo nano-velké kovové katalyzátory, jako je hliník nebo měď, mohou výrazně zlepšit konverzi DME. Ultrazvuk s vysokou intenzitou je vynikající technika pro přípravu vysoce reaktivních nano-katalyzátorů. Zjistěte více o tom, jak používat ultrazvuku pro výrobu mikro- a mezoporous katalyzátorů s vynikající reaktivitou a selektivitou!

Bifunkční katalyzátory pro přímou konverzi DME

Výroba dimethyletheru (DME) je dobře zavedený průmyslový proces, který je rozdělen do dvou kroků: za prvé, katalytická hydrogenace syngasu na methanol (CO / CO₂ + 3H₂ → CH₃OH + H₂HO) a za druhé následná katalytická dehydratace methanolu nad kyselé katalyzátory za₃OH → CH₃OCH₃ + H₂O. Hlavní omezení této dvoufázové syntézy DME souvisí s nízkou termodynamikou během fáze syntézy metanolu, což vede k nízké konverzi plynu na průchod (15-25%). Dochází tak k vysokým recirkulacím, jakož i k vysokým kapitálovým a provozním nákladům.
Aby bylo možné překonat toto termodynamické omezení, je přímá syntéza DME výrazně příznivější: Při přímé konverzi DME je krok syntézy metanolu spojen s dehydratací v jediném reaktoru
(2CO / CO₂ + 6H₂ → CH₃OCH₃ + 3H₂O).

Přímá syntéza DME umožňuje zvýšit úroveň konverze na krok až o 19 %, což znamená významné snížení nákladů, pokud jde o investiční a provozní výrobní náklady DME. Na základě odhadů se výrobní náklady DME v přímé syntéze snižují o 20-30% ve srovnání s konvenčním dvoufázovým procesem konverze. Pro provoz přímé syntetické dráhy DME je nutný vysoce účinný hybridní bifunkční katalytický systém. Požadovaný katalyzátor musí nabízet funkci pro hydrogenaci CO / CO2 pro syntézu metanolu a kyselé funkce, které napomáhají dehydrataci metanolu. (viz Millán et al. 2020)

Syntéza vysoce reaktivních katalyzátorů pro konverzi DME pomocí power-ultrazvuku

Reaktivitu a selektivitu katalyzátorů pro přeměnu dimethyletheru lze výrazně zlepšit ultrazvukovou léčbou. Zeolity, jako jsou kyselé zeolity (např. zeolit hlinitý zeolit HZSM-5) a zdobené zeolity (např. s CuO/ZnO/Al₂Ó₃) jsou hlavní katalyzátory, které se úspěšně používají pro výrobu DME.

Chlorace a fluorace zeolovitů jsou účinné metody pro vyladění katalytové kyselosti. Chlorované a fluorované zeolitové katalyzátory byly připraveny impregnací zeolitů (H-ZSM-5, H-MOR nebo H-Y) pomocí dvou halogenových prekurzorů (chlorid amonný a fluorid amonný) ve studii výzkumného týmu Aboul-Fotouh. Vliv ultrazvukového ozáření byl hodnocen pro optimalizaci obou halogenových prekurzorů pro výrobu dimethyletheru (DME) prostřednictvím dehydratace metanolu v reaktoru s pevným lůžkem. Srovnávací studie katalýzy DME odhalila, že halogenované katalyzátory zeolitu připravené pod ultrazvukovým ozářením vykazují vyšší výkon pro tvorbu DME. (Aboul-Fotouh et al., 2016)
V jiné studii výzkumný tým zkoumal všechny důležité ultrazvukové proměnné, se kterými se setkal během provádění dehydratace metanolu na katalyzátorech H-MOR zeolitu za použití dimethyletheru. Pro své Sonication eperimenty výzkumný tým použil Hielscher UP50H sondový ultrazvuk. Skenovací elektronový mikroskop (SEM) zobrazovací sonikovaný zeolit H-MOR (Mordenit zeolit) objasnil, že methanol sám o sobě používaný jako ultrazvukové médium poskytuje nejlepší výsledky týkající se homogenity velikostí částic ve srovnání s neošetřeným katalyzátorem, kde se objevily velké aglomeráty a nehomogenní shluky. Tyto nálezy potvrdily, že ultrazvuku má hluboký vliv na rozlišení buněk jednotky, a tedy na katalytické chování dehydratace methanolu na dimethylether (DME). NH3-TPD ukazuje, že ultrazvukové ozáření zvýšilo kyselost katalyzátoru H-MOR, a proto je katalytický výkon pro tvorbu DME. (Aboul-Gheit et al., 2014)

Téměř všechny komerční DME jsou produkovány dehydratací methanolu pomocí různých katalyzátorů pevných kyselin, jako jsou zeovity, oxid hlinitan, oxid hlinitan, Al₂Ó₃–B₂Ó₃atd.
2CH₃ACH <—> Ch₃OCH₃ +H₂O(-22,6k jmol^-1).

Koshbin a Haghighi (2013) připravili CuO–ZnO–Al₂Ó₃/HZSM-5 nanokatalyzátory pomocí kombinované metody srážení a ultrazvuku. Výzkumný tým zjistil, že "využití ultrazvukové energie má velký vliv na rozptyl funkce hydrogenace CO a následně na syntetizaci DME. Trvanlivost ultrazvukem asistovaného syntetizovaného nanokatalyzátoru byla zkoumána během reakce syngasu na DME. Nanokatalyzátor ztrácí v průběhu reakce zanedbatelnou aktivitu v důsledku tvorby koksu na druzích mědi." [Khoshbin a Haghighi, 2013.]

Alternativní nano-katalyzátor bez zeolitu, který je také velmi účinný při podpoře přeměny DME, je nano-velký porézní katalyzátor γ oxid hlinitý. Nano-velikost porézní γ-oxid hlinití byl úspěšně syntetizován srážením pod ultrazvukovým mícháním. Sonochemická léčba podporuje syntézu nanočástic. (srov. Rahmanpour et al., 2012)

Proč jsou ultrazvukem připravené nano-katalyzátory vynikající?

Pro výrobu heterogenních katalyzátorů jsou často zapotřebí materiály s vysokou přidanou hodnotou, jako jsou drahé kovy. To činí katalyzátory drahými, a proto je důležitým ekonomickým faktorem zvýšení účinnosti a prodloužení životního cyklu katalyzátorů. Mezi přípravnou metodou nanokatalyzátorů je sonochemická technika považována za vysoce účinnou metodu. Schopnost ultrazvuku vytvářet vysoce reaktivní povrchy, zlepšit míchání a zvýšit hromadnou dopravu z něj činí obzvláště slibnou techniku k prozkoumání pro přípravu a aktivaci katalyzátoru. Může produkovat homogenní a rozptýlené nanočástice bez nutnosti drahých nástrojů a extrémních podmínek.
V několika výzkumných studiích vědci dojdou k závěru, že ultrazvukový katalyzátorový přípravek je nejvýhodnější metodou pro výrobu homogenních nano-katalyzátorů. Mezi přípravnou metodou nanokatalyzátorů je sonochemická technika považována za vysoce účinnou metodu. Schopnost intenzivního použití ultrazvuku vytvářet vysoce reaktivní povrchy, zlepšovat míchání a zvyšovat hromadnou dopravu z něj činí obzvláště slibnou techniku zkoumání pro přípravu a aktivaci katalyzátoru. Může produkovat homogenní a rozptýlené nanočástice bez nutnosti drahých nástrojů a extrémních podmínek. (viz Koshbin a Haghighi, 2014)

Vysoce výkonné ultrasonicators pro syntézu mezoporous katalyzátorů

Sonochemická zařízení pro syntézu vysoce výkonných nano-katalyzátorů jsou snadno dostupná v jakékoli velikosti – od kompaktních laboratorních ultrasonicators až po plně průmyslové ultrazvukové reaktory. Hielscher Ultrazvuk navrhuje, vyrábí a distribuuje vysoce výkonné ultrasonicators. Všechny ultrazvukové systémy jsou vyrobeny v ústředí v Teltow, Německo a distribuovány odtud po celém světě.
Sofistikovaný hardware a inteligentní software ultrasonicators Hielscher jsou navrženy tak, aby zaručily spolehlivý provoz, reprodukovatelné výsledky a uživatelskou přívětivost. Ultrasonicators Hielscher jsou robustní a spolehlivé, což umožňuje instalaci a provoz v podmínkách těžkého provozu. Provozní nastavení lze snadno získat a vytočit pomocí intuitivní nabídky, ke které lze přistupovat prostřednictvím digitálního barevného dotykového displeje a dálkového ovládání prohlížeče. Proto jsou všechny podmínky zpracování, jako je čistá energie, celková energie, amplituda, čas, tlak a teplota, automaticky zaznamenány na vestavěné SD kartě. To vám umožní revidovat a porovnat předchozí zvukové běhy a optimalizovat syntézu a funkcionalizaci nano-katalyzátorů na nejvyšší účinnost.
Hielscher Ultrazvukové systémy se používají po celém světě pro sonochemické syntetické procesy a jsou prokázány jako spolehlivé pro syntézu vysoce kvalitních nano-katalyzátorů zeolitu a derivátů zeolitu. Hielscher průmyslové ultrasonicators mohou snadno provozovat vysoké amplitudy v nepřetržitém provozu (24/7/365). Amplitudy až 200μm lze snadno generovat se standardními sonárody (ultrazvukové sondy / rohy). Pro ještě vyšší amplitudy jsou k dispozici přizpůsobené ultrazvukové sonorody. Díky své robustnosti a nízké údržbě jsou naše ultrasonicators běžně instalovány pro náročné aplikace a v náročných prostředích.
Hielscher ultrazvukové procesory pro sonochemické syntézy, funkcionalizace, nanostruktury a deaglomerace jsou již instalovány po celém světě v komerčním měřítku. Kontaktujte nás nyní a prodiskutujte váš výrobní proces nano-katalyzátoru! Naši zkušení zaměstnanci rádi podělí více informací o cestě synochemické syntézy, ultrazvukových systémech a cenách!
S výhodou ultrazvukové syntetické metody, vaše mezoponrous nano-katalyzátor výroba bude vynikat v účinnosti, jednoduchost a nízké náklady ve srovnání s jinými procesy syntézy katalyzátoru!

Níže uvedená tabulka vám dává informaci o přibližné zpracovatelské kapacity našich ultrasonicators: