Ultrazvukový přípravek katalyzátorů pro převod dimethyletheru (DME)
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).

Ultrasonicator UIP2000hdT (2kW) s průtokovým reaktorem je běžně používané nastavení pro sonochemickou syntézu mezoponózních nanokatalyzátorů (např. zdobených zeolitů).

Přímá syntéza dimethyletheru (DME) ze syngasu na bifunkčním katalyzátoru.
(© 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.

Hybridní kosrážk-ultrazvuková syntéza CuO-ZnO-Al2O3/HZSM-5 používaná v přímém konvergování syngasu k dimethyletheru jako zelené palivo.
Studie a obrázek: Khoshbin a Haghighi, 2013.]
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)

SEM ultrazvukového H-MOR pomocí různých médií
Studie a obrázky: ©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)

Sonochemická syntéza má za následek vysoce aktivní nanostrukturovaný katalyzátor CuO-ZnO-Al2O3/HZSM-5.
Studie a obrázek: Khoshbin a Haghighi, 2013.

Schematická prezentace účinků akustické kavitace na modifikaci kovových částic. Kovy s nízkým bodem tání (MP) jako zinek (Zn) jsou zcela oxidovány; kovy s vysokým bodem tání, jako je nikl (Ni) a titan (Ti), vykazují úpravu povrchu pod sonikací. Hliník (Al) a hořčík (Mg) tvoří mezoporé struktury. Nobelovy kovy jsou odolné vůči ultrazvukové ozáření díky své stabilitě proti oxidaci. Body tání kovů jsou specifikovány ve stupních Kelvin (K).
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:
Hromadná dávka | průtok | Doporučené Devices |
---|---|---|
1 až 500 ml | 10 až 200 ml / min | UP100H |
10 až 2000ml | 20 až 400 ml / min | Uf200 ः t, UP400St |
00,1 až 20L | 00,2 až 4 litry / min | UIP2000hdT |
10 až 100L | 2 až 10 l / min | UIP4000hdT |
na | 10 až 100L / min | UIP16000 |
na | větší | hrozen UIP16000 |
Kontaktujte nás! / Zeptej se nás!

Dr. Andreeva-Bäumler, Univerzita v Bayreuthu, spolupracuje s ultrasonicator UIP1000hdT o nano-strukturování kovů za účelem získání vynikajících katalyzátorů.
Literatura / Reference
- Ahmed, K.; Sameh, M.; Laila, I.; Naghmash, Mona (2014): Ultrasonication of H-MOR zeolite catalysts for dimethylether (DME) production as a clean fuel. Journal of Petroleum Technology and Alternative Fuels 5, 2014. 13-25.
- Reza Khoshbin, Mohammad Haghighi (2013): Direct syngas to DME as a clean fuel: The beneficial use of ultrasound for the preparation of CuO–ZnO–Al2O3/HZSM-5 nanocatalyst. Chemical Engineering Research and Design, Volume 91, Issue 6, 2013. 1111-1122.
- Kolesnikova, E.E., Obukhova, T.K., Kolesnichenko, N.V. et al. (2018): Ultrasound-Assisted Modification of Zeolite Catalyst for Dimethyl Ether Conversion to Olefins with Magnesium Compounds. Pet. Chem. 58, 2018. 863–868.
- Reza Khoshbin, Mohammad Haghighi (2014): Direct Conversion of Syngas to Dimethyl Ether as a Green Fuel over Ultrasound- Assisted Synthesized CuO-ZnO-Al2O3/HZSM-5 Nanocatalyst: Effect of Active Phase Ratio on Physicochemical and Catalytic Properties at Different Process Conditions. Catalysis Science & Technology, Volume 6, 2014.
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2014/cy/c3cy01089a - Sameh M.K. Aboul-Fotouh, Laila I. Ali, Mona A. Naghmash, Noha A.K. Aboul-Gheit (2017): Effect of the Si/Al ratio of HZSM-5 zeolite on the production of dimethyl ether before and after ultrasonication. Journal of Fuel Chemistry and Technology, Volume 45, Issue 5, 2017. 581-588.
- Rahmanpour, Omid; Shariati, Ahmad; Khosravi-Nikou, Mohammad Reza (2012): New Method for Synthesis Nano Size γ-Al2O3 Catalyst for Dehydration of Methanol to Dimethyl Ether. International Journal of Chemical Engineering and Applications 2012. 125-128.
- Millán, Elena; Mota, Noelia; Guil-Lopez, R.; Pawelec, Barbara; Fierro, José; Navarro, Rufino (2020): Direct Synthesis of Dimethyl Ether from Syngas on Bifunctional Hybrid Catalysts Based on Supported H3PW12O40 and Cu-ZnO(Al): Effect of Heteropolyacid Loading on Hybrid Structure and Catalytic Activity. Catalysts 10, 2020.
- Suslick, Kenneth S.; Hyeon, Taeghwan; Fang, Mingming; Cichowlas, Andrzej A. (1995): Sonochemical synthesis of nanostructured catalysts. Materials Science and Engineering: A. Proceedings of the Symposium on Engineering of Nanostructured Materials. ScienceDirect 204 (1–2): 186–192.
- Pavel V. Cherepanov, Daria V. Andreeva (2017): Phase structuring in metal alloys: Ultrasound-assisted top-down approach to engineering of nanostructured catalytic materials. Ultrasonics Sonochemistry 2017.
- Sameh M.K. Aboul-Fotouh, Noha A.K. Aboul-Gheit, Mona A. Naghmash (2016): Dimethylether production on zeolite catalysts activated by Cl−, F− and/or ultrasonication. Journal of Fuel Chemistry and Technology, Volume 44, Issue 4, 2016. 428-436.
Fakta Worth Knowing
Dimethylether (DME) jako palivo
Jedním z hlavních předpokládaných použití dimethyletheru je jeho použití jako náhrady za propan v LPG (kapalný propan), který se používá jako palivo pro vozidla, v domácnostech a průmyslu. V propanových autogasech lze dimethylether použít také jako blendstock.
DME je navíc slibným palivem pro vznětové motory a plynové turbíny. U vznětových motorů je velmi výhodný vysoký cetanový počet 55 ve srovnání s naftou z ropy s cetanovými čísly 40–53. K tomu, aby vznětový motor spaloval dimethylether, jsou nezbytné pouze mírné úpravy. Jednoduchost této krátké sloučeniny uhlíkového řetězce vede během spalování k velmi nízkým emisím částic. Z těchto důvodů, stejně jako bez síry, dimethylether splňuje i ty nejpřísnější emisní předpisy v Evropě (EURO5), USA (USA 2010) a Japonsku (2009 Japonsko).

Hielscher Ultrasonics vyrábí vysoce výkonné ultrazvukové homogenizátory od Laboratoř na průmyslové velikosti.