Ultrazvuková příprava katalyzátorů pro konverzi dimethyletheru (DME)

Dimethylether (DME) je výhodné alternativní palivo, které lze syntetizovat z methanolu, CO₂ nebo syntézního plynu katalýzou. Pro katalytickou konverzi na DME jsou zapotřebí účinné katalyzátory. Nanometrické mezoporézní katalyzátory, jako jsou mezoporézní kyselé zeolity, dekorované zeolity nebo nanometrické kovové katalyzátory, např. hliník nebo měď, mohou konverzi DME výrazně zlepšit. Vysoce intenzivní ultrazvuk je špičkovou technikou pro přípravu vysoce reaktivních nanokatalyzátorů. Zjistěte více o tom, jak využít sonikaci k výrobě mikro- a mezoporézních katalyzátorů s vynikající reaktivitou a selektivitou!

Bifunkční katalyzátory pro přímou konverzi DME

Výroba dimethyletheru (DME) je zavedený průmyslový proces, který se dělí do dvou kroků: zaprvé katalytická hydrogenace syntézního plynu na methanol (CO / CO₂ + 3H₂ → CH₃OH + H₂HO) a zadruhé následná katalytická dehydratace methanolu na kyselých katalyzátorech k výrobě (2CH₃OH → CH₃OCH₃ + H₂O). Hlavní omezení této dvoukrokové syntézy DME souvisí s nízkou termodynamikou ve fázi syntézy methanolu, která vede k nízké konverzi plynu na jeden průchod (15–25%). V důsledku toho dochází k vysokým poměrům recirkulace a také k vysokým investičním a provozním nákladům.
Pro překonání tohoto termodynamického omezení je výrazně výhodnější přímá syntéza DME: 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 na 19%, což znamená výrazné snížení investičních a provozních výrobních nákladů DME. Podle odhadů jsou výrobní náklady DME při přímé syntéze ve srovnání s konvenčním dvoukrokovým konverzním procesem nižší o 20–30%. Pro provozování přímé syntézní cesty DME je nezbytný vysoce účinný hybridní bifunkční katalytický systém. Požadovaný katalyzátor musí nabízet funkčnost pro hydrogenaci CO / CO2 pro syntézu methanolu a kyselé funkčnosti, které napomáhají dehydrataci methanolu. (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 ultrazvukovým ošetřením. Zeolity, jako jsou kyselé zeolity (např. aluminosilikátový 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. Ve studii výzkumného týmu Aboul-Fotouha byly chlorované a fluorované zeolitové katalyzátory připraveny impregnací zeolitů (H-ZSM-5, H-MOR nebo H-Y) pomocí dvou halogenových prekurzorů (chloridu amonného a fluoridu amonného). Vliv ultrazvukového ozařování byl hodnocen za účelem optimalizace obou halogenových prekurzorů pro výrobu dimethyletheru (DME) dehydratací methanolu v reaktoru s pevným ložem. Srovnávací test katalýzy DME ukázal, že halogenované zeolitové katalyzátory připravené za ultrazvukového ozařování vykazují vyšší výkonnost při tvorbě DME. (Aboul-Fotouh et al., 2016)
V jiné studii výzkumný tým zkoumal všechny důležité proměnné sonikace, se kterými se setkal při provádění dehydratace methanolu na zeolitových katalyzátorech H-MOR za účelem výroby dimethyletheru. Pro své sonikační experimenty použil výzkumný tým sondový ultrazvukový sonikátor Hielscher UP50H. Snímky sonikovaného zeolitu H-MOR (mordenitového zeolitu) z rastrovacího elektronového mikroskopu (SEM) objasnily, že samotný methanol použitý jako médium pro sonikaci poskytuje nejlepší výsledky z hlediska homogenity velikosti částic ve srovnání s neošetřeným katalyzátorem, u něhož se objevily velké aglomeráty a nehomogenní shluky. Tato zjištění potvrdila, že sonikace má hluboký vliv na rozlišení elementární buňky, a tím i na katalytické chování při dehydrataci methanolu na dimethylether (DME). NH3-TPD ukazuje, že ultrazvukové ozařování zvýšilo kyselost katalyzátoru H-MOR, a tím i jeho katalytickou výkonnost při tvorbě DME. (Aboul-Gheit et al., 2014)

Téměř veškerý komerční DME se vyrábí dehydratací methanolu za použití různých pevných kyselých katalyzátorů, jako jsou zeolity, oxid křemičitý–oxid hlinitý, oxid hlinitý, Al₂O₃–B₂O₃ atd., a to podle následující reakce:
2CH₃OH <—> CH₃OCH₃ +H₂O(-22,6k jmol^-1)

Koshbin a Haghighi (2013) připravili nanokatalyzátory CuO–ZnO–Al₂O₃/HZSM-5 kombinovanou metodou koprecipitace a ultrazvuku. Výzkumný tým zjistil, „že použití ultrazvukové energie má velký vliv na disperzi funkce hydrogenace CO, a v důsledku toho i na výkonnost syntézy DME. Trvanlivost nanokatalyzátoru syntetizovaného za pomoci ultrazvuku byla zkoumána během reakce syntézního plynu na DME. Nanokatalyzátor ztrácí v průběhu reakce zanedbatelnou aktivitu v důsledku tvorby koksu na formách mědi.“ [Khoshbin and Haghighi, 2013.]

Alternativním nezeolitovým nanokatalyzátorem, který je rovněž velmi účinný při podpoře konverze DME, je nanometrický porézní katalyzátor na bázi γ-oxidu hlinitého. Nanometrický porézní γ-oxid hlinitý byl úspěšně syntetizován srážením za ultrazvukového míchání. Sonochemické ošetření podporuje syntézu nanočástic. (srov. Rahmanpour et al., 2012)

Proč jsou ultrazvukově 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 jsou zvýšení účinnosti i prodloužení životnosti 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 přenos hmoty z ní činí obzvláště perspektivní techniku, kterou se vyplatí zkoumat pro přípravu a aktivaci katalyzátorů. Tato technika dokáže vytvářet homogenní a dispergované nanočástice bez potřeby drahých přístrojů a extrémních podmínek.
V několika výzkumných studiích dospěli vědci k závěru, že ultrazvuková příprava katalyzátorů 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 přenos hmoty z ní činí obzvláště perspektivní techniku, kterou se vyplatí zkoumat pro přípravu a aktivaci katalyzátorů. Tato technika dokáže vytvářet homogenní a dispergované nanočástice bez potřeby drahých přístrojů a extrémních podmínek. (srov. Koshbin a Haghighi, 2014)

Vysoce výkonné sonikátory pro syntézu mezoporézních katalyzátorů

Sonochemické zařízení pro syntézu vysoce výkonných nanokatalyzátorů je snadno dostupné v jakékoli velikosti – od kompaktních laboratorních sonikátorů až po plně průmyslové ultrazvukové reaktory. Hielscher Ultrasonics navrhuje, vyrábí a distribuuje vysoce výkonné sonikátory. Všechny ultrazvukové systémy se vyrábějí v centrále v Teltow v Německu a odtud se distribuují do celého světa.
Propracovaný hardware a chytrý software sonikátorů Hielscher jsou navrženy tak, aby zaručovaly spolehlivý provoz, reprodukovatelné výsledky a také uživatelskou přívětivost. Sonikátory Hielscher jsou robustní a spolehlivé, což umožňuje jejich instalaci a provoz v náročných provozních podmínkách. K provozním nastavením lze snadno přistupovat a volit je prostřednictvím intuitivního menu, které je dostupné přes digitální barevný dotykový displej a dálkové ovládání z prohlížeče. Proto se všechny procesní podmínky, jako je čistá energie, celková energie, amplituda, čas, tlak a teplota, automaticky zaznamenávají na vestavěnou SD kartu. To vám umožňuje revidovat a porovnávat předchozí sonikační běhy a optimalizovat syntézu a funkcionalizaci nanokatalyzátorů na nejvyšší účinnost.
Systémy Hielscher Ultrasonics se celosvětově používají pro sonochemické syntézní procesy a osvědčily se jako spolehlivé pro syntézu vysoce kvalitních zeolitových nanokatalyzátorů i zeolitových derivátů. Průmyslové sonikátory Hielscher mohou snadno pracovat s vysokými amplitudami v nepřetržitém provozu (24/7/365). Amplitudy až 200µm lze snadno nepřetržitě generovat se standardními sonotrodami (ultrazvukovými sondami / sonotrodami). Pro ještě vyšší amplitudy jsou k dispozici zakázkové ultrazvukové sonotrody. Díky své robustnosti a nízké údržbě se naše sonikátory běžně instalují pro náročné aplikace a v náročných prostředích.
Ultrazvukové procesory Hielscher pro sonochemické syntézy, funkcionalizaci, nanostrukturování a deaglomeraci jsou již instalovány po celém světě v komerčním měřítku. Kontaktujte nás nyní a proberte s námi svůj proces výroby nanokatalyzátorů! Naši zkušení pracovníci vám rádi poskytnou další informace o sonochemické syntézní cestě, ultrazvukových systémech a cenách!
Díky výhodě ultrazvukové syntézní metody bude vaše výroba mezoporézních nanokatalyzátorů ve srovnání s jinými procesy syntézy katalyzátorů vynikat účinností, jednoduchostí a nízkými náklady!

Níže uvedená tabulka vám poskytne orientační přehled o přibližné zpracovatelské kapacitě našich sonikátorů: