Ultralydsforberedelse af katalysatorer til dimethylether (DME) konvertering

Dimethylether (DME) er et gunstigt alternativt brændstof, som kan syntetiseres fra methanol, CO₂ eller syngas gennem katalyse. Til den katalytiske omdannelse til DME kræves potente katalysatorer. Mesoporøse katalysatorer i nanostørrelse såsom mesoporøse sure zeolitter, dekorerede zeolitter eller metalkatalysatorer i nanostørrelse såsom aluminium eller kobber kan forbedre DME-konverteringen betydeligt. Ultralyd med høj intensitet er den overlegne teknik til fremstilling af meget reaktive nanokatalysatorer. Lær mere om, hvordan du bruger ultralydbehandling til produktion af mikro- og mesoporøse katalysatorer med fremragende reaktivitet og selektivitet!

Bifunktionelle katalysatorer til direkte DME-konvertering

Produktionen af dimethylether (DME) er en veletableret industriel proces, der er opdelt i to trin: for det første katalytisk hydrogenering af syngas til methanol (CO / CO₂ + 3 timer₂ → CH₃OH + H₂HO) og for det andet en efterfølgende katalytisk dehydrering af methanolen over syrekatalysatorer for at producere (2CH₃OH → CH₃OCH₃ + H₂Den største begrænsning ved denne to-trins DME-syntese er relateret til den lave termodynamik under fasen af methanolsyntese, hvilket resulterer i en lav gaskonvertering pr. passage (15-25%). Derved opstår der høje recirkuleringskvoter samt høje kapital- og driftsomkostninger.
For at overvinde denne termodynamiske begrænsning er direkte DME-syntese betydeligt mere gunstig: I den direkte DME-konvertering kobles methanolsyntesetrinnet med dehydreringstrinnet i en enkelt reaktor
(2CO / CO₂ + 6 timer₂ → CH₃OCH₃ + 3 timer₂O).

Den direkte syntese af DME giver mulighed for at øge konverteringsniveauerne pr. trin op til 19 %, hvilket betyder betydelige omkostningsreduktioner vedrørende investerings- og driftsproduktionsomkostningerne for DME. Baseret på estimater reduceres DME-produktionsomkostningerne ved direkte syntese med 20-30 % sammenlignet med den konventionelle to-trins konverteringsproces. For at drive den direkte DME-syntesevej er det nødvendigt med et meget effektivt hybrid bifunktionelt katalytisk system. Den nødvendige katalysator skal tilbyde funktionaliteten til CO / CO2-hydrogenering til methanolsyntesen og de sure funktionaliteter, som hjælper med dehydreringen af metanolen. (jf. Millán et al. 2020)

Syntese af meget reaktive katalysatorer til DME-konvertering ved hjælp af Power-Ultrasound

Reaktiviteten og selektiviteten af katalysatorer til dimethyletherkonvertering kan forbedres betydeligt via ultralydsbehandling. Zeolitter såsom sure zeolitter (f.eks. aluminosilikatzeolit HZSM-5) og dekorerede zeolitter (f.eks. med CuO/ZnO/Al₂O₃) er de vigtigste katalysatorer, der med succes anvendes til fremstilling af DME.

Klorering og fluorering af zeolitter er effektive metoder til at indstille den katalytiske surhedsgrad. De klorerede og fluorerede zeolitkatalysatorer blev fremstillet ved imprægnering af zeolitter (H-ZSM-5, H-MOR eller H-Y) ved hjælp af to halogenprækursorer (ammoniumchlorid og ammoniumfluorid) i undersøgelsen af forskerholdet af Aboul-Fotouh. Indflydelsen af ultralydsbestråling blev evalueret for at optimere begge halogenforløbere til produktion af dimethylether (DME) via methanoldehydrering i en reaktor med fast leje. Sammenlignende DME-katalyseforsøg afslørede, at de halogenerede zeolitkatalysatorer fremstillet under ultralydsbestråling viser højere ydeevne for DME-dannelse. (Aboul-Fotouh et al., 2016)
I en anden undersøgelse undersøgte forskerholdet alle vigtige ultralydsvariabler, der stødte på under udførelse af dehydrering af methanol på H-MOR-zeolitkatalysatorer for at producere dimethylether. Til deres sonikeringsforsøg brugte forskerholdet Hielscher UP50H sonde-type ultralydsapparat. Scanningselektronmikroskop (SEM) billeddannelse af den sonikerede H-MOR-zeolit (Mordenit-zeolit) har præciseret, at methanol i sig selv anvendt som ultralydsmedium giver de bedste resultater med hensyn til homogeniteten af partikelstørrelser sammenlignet med den ubehandlede katalysator, hvor store agglomerater og ikke-homogene klynger dukkede op. Disse resultater bekræftede, at ultralydbehandling har en dyb effekt på enhedscelleopløsningen og dermed på den katalytiske adfærd af dehydrering af methanol til dimethylether (DME). NH3-TPD viser, at ultralydsbestråling har forbedret surhedsgraden af H-MOR-katalysatoren, og derfor er det katalytisk ydeevne for DME-dannelse. (Aboul-Gheit et al., 2014)

Næsten al kommerciel DME produceres ved dehydrering af methanol ved hjælp af forskellige fastsyrekatalysatorer såsom zeolitter, sillika-aluminiumoxid, aluminiumoxid, Al₂O₃–B₂O₃osv. ved følgende reaktion:
2 KANALER₃NÅ <—> CH₃OCH₃ +H₂O(-22.6k jmol^-1)

Koshbin og Haghighi (2013) udarbejdede CuO-ZnO-Al₂O₃/HZSM-5 nanokatalysatorer via en kombineret co-udfældning-ultralydsmetode. Forskerholdet fandt "at anvendelse af ultralydsenergi har stor indflydelse på spredningen af CO-hydrogeneringsfunktionen og dermed DME-synteseydelsen. Holdbarheden af ultralydassisteret syntetiseret nanokatalysator blev undersøgt under syngas til DME-reaktion. Nanokatalysatoren mister ubetydelig aktivitet i løbet af reaktionen på grund af koksdannelse på kobberarter." [Khoshbin og Haghighi, 2013.]

En alternativ ikke-zeolit nano-katalysator, som også er meget effektiv til at fremme DME-konverteringen, er en porøs γ-aluminiumoxid-katalysator i nanostørrelse. Porøs γ-aluminiumoxid i nanostørrelse blev med succes syntetiseret ved udfældning under ultralydsblanding. Den sonokemiske behandling fremmer nanopartiklernes syntese. (jf. Rahmanpour et al., 2012)

Hvorfor er ultralydsforberedte nanokatalysatorer overlegne?

Til produktion af heterogene katalysatorer kræves ofte materialer med høj værditilvækst såsom ædelmetaller. Dette gør katalysatorer dyre, og derfor er effektivitetsforbedring samt livscyklusforlængelse af katalysatorerne vigtige økonomiske faktorer. Blandt fremstillingsmetoder til nanokatalysatorer betragtes den sonokemiske teknik som en yderst effektiv metode. Ultralydens evne til at skabe meget reaktive overflader, forbedre blanding og øge massetransporten gør det til en særlig lovende teknik at udforske til katalysatorforberedelse og aktivering. Det kan producere homogene og dispergerede nanopartikler uden behov for dyre instrumenter og ekstreme forhold.
I flere forskningsundersøgelser kommer forskerne til den konklusion, at ultralydskatalysatorpræparat er den mest fordelagtige metode til fremstilling af homogene nanokatalysatorer. Blandt fremstillingsmetoder til nanokatalysatorer betragtes den sonokemiske teknik som en yderst effektiv metode. Evnen til intens sonikering til at skabe meget reaktive overflader, forbedre blanding og øge massetransport gør det til en særlig lovende teknik at udforske til katalysatorforberedelse og aktivering. Det kan producere homogene og dispergerede nanopartikler uden behov for dyre instrumenter og ekstreme forhold. (jf. Koshbin og Haghighi, 2014)

Højtydende ultralydapparater til syntese af mesoporøse katalysatorer

Sonokemisk udstyr til syntese af højtydende nanokatalysatorer er let tilgængeligt i enhver størrelse – Fra kompakte laboratorieultralydapparater til fuldindustrielle ultralydsreaktorer. Hielscher Ultrasonics designer, fremstiller og distribuerer ultralydapparater med høj effekt. Alle ultralydssystemer fremstilles i hovedkvarteret i Teltow, Tyskland og distribueres derfra over hele verden.
Den sofistikerede hardware og smarte software fra Hielscher ultralydapparater er designet til at garantere pålidelig drift, reproducerbare resultater samt brugervenlighed. Hielscher ultralydapparater er robuste og pålidelige, hvilket gør det muligt at installere og betjene under tunge forhold. Driftsindstillinger kan nemt tilgås og indstilles via en intuitiv menu, som kan tilgås via digitalt farveberøringsdisplay og browserfjernbetjening. Derfor registreres alle bearbejdningsforhold som nettoenergi, total energi, amplitude, tid, tryk og temperatur automatisk på et indbygget SD-kort. Dette giver dig mulighed for at revidere og sammenligne tidligere sonikeringskørsler og optimere syntesen og funktionaliseringen af nanokatalysatorer til højeste effektivitet.
Hielscher Ultrasonics-systemer bruges over hele verden til sonokemiske synteseprocesser og har vist sig at være pålidelige til syntese af højkvalitets zeolit nano-katalysatorer såvel som zeolitderivater. Hielscher industrielle ultralydapparater kan let køre høje amplituder i kontinuerlig drift (24/7/365). Amplituder på op til 200 μm kan let genereres kontinuerligt med standard sonotroder (ultralydssonder / horn). For endnu højere amplituder er tilpassede ultralydssonotroder tilgængelige. På grund af deres robusthed og lave vedligeholdelse er vores ultralydapparater almindeligvis installeret til tunge applikationer og i krævende miljøer.
Hielscher ultralydsprocessorer til sonokemiske synteser, funktionalisering, nanostrukturering og deagglomerering er allerede installeret over hele verden i kommerciel skala. Kontakt os nu for at diskutere din nano-katalysatorfremstillingsproces! Vores erfarne personale vil med glæde dele mere information om den sonokemiske syntesevej, ultralydssystemer og priser!
Med fordelen ved ultralydssyntesemetoden vil din mesoporøse nano-katalysatorproduktion udmærke sig i effektivitet, enkelhed og lave omkostninger sammenlignet med andre katalysatorsynteseprocesser!

Nedenstående tabel giver dig en indikation af den omtrentlige behandlingskapacitet for vores ultralydapparater: