Ultrazvuková příprava katalyzátorů pro konverzi dimethyletheru (DME)

Dimethylether (DME) je výhodné alternativní palivo, které lze syntetizovat z metanolu, CO₂ nebo syntézní plyn katalýzou. Pro katalytickou přeměnu na DME jsou zapotřebí silné katalyzátory. Nano velké mezoporézní katalyzátory, jako jsou mezoporézní kyselé zeolity, dekorované zeolity nebo nano kovové katalyzátory, jako je hliník nebo měď, mohou výrazně zlepšit konverzi DME. Ultrazvuk s vysokou intenzitou je špičkovou technikou pro přípravu vysoce reaktivních nanokatalyzátorů. Zjistěte více o tom, jak používat ultrazvuku pro výrobu mikro- a mezoporézních 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 syntézního plynu na methanol (CO / CO₂ + 3H₂ → CH₃OH + H₂HO) a za druhé, následná katalytická dehydratace methanolu přes kyselé katalyzátory k výrobě (2CH₃OH → CH₃OCH₃ + H₂Hlavní omezení této dvoustupňové syntézy DME souvisí s nízkou termodynamikou během fáze syntézy methanolu, což má za následek nízkou konverzi plynu na průchod (15-25%). Dochází tak k vysokým poměrům recirkulace a také k vysokým investičním a provozním nákladům.
Aby bylo možné toto termodynamické omezení překonat, je přímá syntéza DME výrazně výhodnější: Při přímé konverzi DME je krok syntézy methanolu spojen s krokem dehydratace 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 na investiční a provozní výrobní náklady DME. Na základě odhadů jsou výrobní náklady DME při přímé syntéze sníženy o 20-30% ve srovnání s konvenčním dvoustupňovým procesem konverze. Aby bylo možné provozovat přímou cestu syntézy DME, je nezbytný vysoce účinný hybridní bifunkční katalytický systém. Požadovaný katalyzátor musí nabízet funkce pro hydrogenaci CO / CO2 pro syntézu methanolu a kyselé funkce, které napomáhají dehydrataci metanolu. (srov. Millán et al. 2020)

Syntéza vysoce reaktivních katalyzátorů pro konverzi DME pomocí výkonového ultrazvuku

Reaktivitu a selektivitu katalyzátorů pro konverzi dimethyletheru lze výrazně zlepšit ultrazvukovou léčbou. Zeolity, jako jsou kyselé zeolity (např. hlinitokřemičitý zeolit HZSM-5) a dekorované zeolity (např. s CuO/ZnO/Al₂O₃) jsou hlavními katalyzátory, které se úspěšně používají pro výrobu DME.

Chlorace a fluorace zeolitů jsou účinné metody pro ladění katalytické 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. Byl hodnocen vliv ultrazvukového ozáření pro optimalizaci obou halogenových prekurzorů pro výrobu dimethyletheru (DME) prostřednictvím dehydratace metanolu v reaktoru s pevným ložem. Srovnávací pokus katalýzy DME odhalil, že halogenované zeolitové katalyzátory připravené při ultrazvukovém ozařování vykazují vyšší výkon při tvorbě DME. (Aboul-Fotouh et al., 2016)
V jiné studii výzkumný tým zkoumal všechny důležité proměnné ultrazvuku, se kterými se setkal při provádění dehydratace methanolu na zeolitových katalyzátorech H-MOR za vzniku dimethyletheru. Pro své zkušenosti se sonikací použil výzkumný tým Hielscher UP50H sonda typu ultrasonikator. Skenování elektronovým mikroskopem (SEM) sonikovaného zeolitu H-MOR (mordenitový zeolit) objasnilo, 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. Tato zjištění potvrdila, že ultrazvuku má hluboký vliv na rozlišení jednotkových buněk, a tím na katalytické chování dehydratace methanolu na dimethylether (DME). NH3-TPD ukazuje, že ultrazvukové ozařování zvýšilo kyselost katalyzátoru H-MOR, a proto je katalytickým výkonem pro tvorbu DME. (Aboul-Gheit et al., 2014)

Téměř veškerý komerční DME se vyrábí dehydratací methanolu za použití různých pevných kyselých katalyzátorů, jako jsou zeolity, oxid hlinitý, oxid hlinitý, Al₂O₃–B₂O₃, atd. následující reakcí:
2CH₃ACH <—> CH₃OCH₃ +H₂O(-22.6k jmol^-1)

Koshbin a Haghighi (2013) připravili CuO–ZnO–Al₂O₃/HZSM-5 nanokatalyzátory kombinovanou koprecipitační ultrazvukovou metodou. Výzkumný tým zjistil, "že využití ultrazvukové energie má velký vliv na disperzi funkce hydrogenace CO a následně na výkon syntézy DME. Byla zkoumána odolnost ultrazvukem asistovaného syntetizovaného nanokatalyzátoru během reakce syngas-DME. Nanokatalyzátor ztrácí zanedbatelnou aktivitu v průběhu reakce v důsledku tvorby koksu na druzích mědi." [Khoshbin a Haghighi, 2013.]

Alternativním nezeolitovým nanokatalyzátorem, který je také velmi účinný při podpoře přeměny DME, je nano-porézní γ-oxidový katalyzátor. Nano-velikost porézní γ-oxid hlinitý byl úspěšně syntetizován srážením za ultrazvukového míchání. Sonochemická úprava podporuje syntézu nanočástic. (srov. Rahmanpour et al., 2012)

Proč jsou ultrazvukem připravené nanokatalyzátory lepší?

Pro výrobu heterogenních katalyzátorů jsou často zapotřebí materiály s vysokou přidanou hodnotou, jako jsou drahé kovy. Díky tomu jsou katalyzátory drahé, a proto je zvýšení účinnosti a prodloužení životního cyklu katalyzátorů důležitými ekonomickými faktory. Mezi metodami přípravy nanokatalyzátorů je sonochemická technika považována za vysoce účinnou metodu. Schopnost ultrazvuku vytvářet vysoce reaktivní povrchy, zlepšovat míchání a zvyšovat transport hmoty z něj činí zvláště slibnou techniku pro přípravu a aktivaci katalyzátoru. Dokáže produkovat homogenní a dispergované nanočástice bez potřeby drahých přístrojů a extrémních podmínek.
V několika výzkumných studiích vědci dospěli k závěru, že příprava ultrazvukového katalyzátoru je nejvýhodnější metodou pro výrobu homogenních nanokatalyzátorů. Mezi metodami přípravy nanokatalyzátorů je sonochemická technika považována za vysoce účinnou metodu. Schopnost intenzivní sonikace vytvářet vysoce reaktivní povrchy, zlepšovat míchání a zvyšovat transport hmoty z ní činí zvláště slibnou techniku k prozkoumání pro přípravu a aktivaci katalyzátoru. Dokáže produkovat homogenní a dispergované nanočástice bez potřeby drahých přístrojů a extrémních podmínek. (srov. Koshbin a Haghighi, 2014)

Vysoce výkonné ultrazvukové přístroje pro syntézu mezoporézních katalyzátorů

Sonochemické zařízení pro syntézu vysoce účinných nanokatalyzátorů je snadno dostupné v jakékoli velikosti – Od kompaktních laboratorních ultrazvukových reaktorů až po plně průmyslové ultrazvukové reaktory. Hielscher Ultrasonics navrhuje, vyrábí a distribuuje vysoce výkonné ultrasonicators. Všechny ultrazvukové systémy jsou vyráběny v centrále v německém Teltowě a odtud distribuovány do celého světa.
Sofistikovaný hardware a inteligentní software Hielscher ultrasonicators jsou navrženy tak, aby zaručovaly spolehlivý provoz, reprodukovatelné výsledky a uživatelskou přívětivost. Hielscher ultrasonicators jsou robustní a spolehlivé, což umožňuje instalaci a provoz v těžkých podmínkách. K provozním nastavením lze snadno přistupovat a vytáčet je prostřednictvím intuitivního menu, ke kterému lze přistupovat pomocí digitálního barevného dotykového displeje a dálkového ovládání prohlížeče. Proto se všechny podmínky zpracování, jako je čistá energie, celková energie, amplituda, čas, tlak a teplota, automaticky zaznamenávají na vestavěnou SD kartu. To vám umožní revidovat a porovnávat předchozí běhy sonikace a optimalizovat syntézu a funkcionalizaci nanokatalyzátorů s nejvyšší účinností.
Hielscher Ultrazvukové systémy se používají po celém světě pro procesy sonochemické syntézy a jsou prokázány jako spolehlivé pro syntézu vysoce kvalitních zeolitových nanokatalyzátorů a zeolitových derivátů. Hielscher průmyslové ultrasonicators mohou snadno provozovat vysoké amplitudy v nepřetržitém provozu (24/7/365). Amplitudy až 200 μm lze snadno kontinuálně generovat pomocí standardních sonotrod (ultrazvukové sondy / rohy). Pro ještě vyšší amplitudy jsou k dispozici přizpůsobené ultrazvukové sonotrody. Díky své robustnosti a nízké údržbě jsou naše ultrasonicators běžně instalovány pro náročné aplikace a v náročných prostředích.
Hielscher ultrazvukové procesory pro sonochemické syntézy, funkcionalizaci, nanostrukturování a deaglomeraci jsou již instalovány po celém světě v komerčním měřítku. Kontaktujte nás nyní a prodiskutujte svůj proces výroby nanokatalyzátorů! Náš zkušený personál se s vámi rád podělí o více informací o cestě sonochemické syntézy, ultrazvukových systémech a cenách!
S výhodou metody ultrazvukové syntézy bude vaše mezoporézní výroba nanokatalyzátorů vynikat efektivitou, jednoduchostí a nízkými náklady ve srovnání s jinými procesy syntézy katalyzátoru!

Níže uvedená tabulka vám poskytuje přibližný přehled o zpracovatelské kapacitě našich ultrasonicators: