Ultraschallgestützte Herstellung von Katalysatoren für die Umsetzung zu Dimethylether (DME)

Dimethylether (DME) ist ein vorteilhafter alternativer Kraftstoff, der durch Katalyse aus Methanol, CO₂ oder Synthesegas hergestellt werden kann. Für die katalytische Umsetzung zu DME sind leistungsfähige Katalysatoren erforderlich. Nanoskalige mesoporöse Katalysatoren wie mesoporöse saure Zeolithe, dekorierte Zeolithe oder nanoskalige Metallkatalysatoren wie Aluminium oder Kupfer können die Umsetzung zu DME erheblich verbessern. Hochintensiver Ultraschall ist die überlegene Technik zur Herstellung hochreaktiver Nanokatalysatoren. Erfahren Sie mehr darüber, wie Sie Ultraschall zur Herstellung mikro- und mesoporöser Katalysatoren mit hervorragender Reaktivität und Selektivität einsetzen können!

Bifunktionale Katalysatoren für die direkte Umsetzung zu DME

Die Herstellung von Dimethylether (DME) ist ein etabliertes industrielles Verfahren, das in zwei Schritte unterteilt ist: erstens die katalytische Hydrierung von Synthesegas zu Methanol (CO / CO₂ + 3H₂ → CH₃OH + H₂HO) und zweitens die anschließende katalytische Dehydratisierung des Methanols an sauren Katalysatoren zur Herstellung (2CH₃OH → CH₃OCH₃ + H₂O). Die wichtigste Einschränkung dieser zweistufigen DME-Synthese hängt mit der geringen Thermodynamik während der Methanolsynthese zusammen, die zu einem niedrigen Gasumsatz pro Durchlauf (15–25%) führt. Dadurch ergeben sich hohe Rückführungsverhältnisse sowie hohe Investitions- und Betriebskosten.
Zur Überwindung dieser thermodynamischen Einschränkung ist die direkte DME-Synthese deutlich vorteilhafter: Bei der direkten Umsetzung zu DME wird der Schritt der Methanolsynthese mit dem Dehydratisierungsschritt in einem einzigen Reaktor gekoppelt
(2CO / CO₂ + 6H₂ → CH₃OCH₃ + 3H₂O).

Die direkte Synthese von DME ermöglicht eine Steigerung des Umsatzes pro Schritt auf bis zu 19%, was erhebliche Senkungen der Investitionskosten und der laufenden Produktionskosten für DME bedeutet. Schätzungen zufolge sinken die DME-Produktionskosten bei der direkten Synthese gegenüber dem herkömmlichen zweistufigen Umsetzungsverfahren um 20–30%. Für die direkte DME-Synthese ist ein hocheffizientes hybrides bifunktionales Katalysatorsystem erforderlich. Der benötigte Katalysator muss sowohl die Funktionalität zur CO-/CO2-Hydrierung für die Methanolsynthese als auch saure Funktionalitäten bieten, die die Dehydratisierung des Methanols unterstützen. (vgl. Millán et al. 2020)

Synthese hochreaktiver Katalysatoren für die Umsetzung zu DME mit Leistungsultraschall

Die Reaktivität und Selektivität von Katalysatoren für die Umsetzung zu Dimethylether lassen sich durch Ultraschallbehandlung erheblich verbessern. Zeolithe wie saure Zeolithe (z.B. der Aluminosilikat-Zeolith HZSM-5) und dekorierte Zeolithe (z.B. mit CuO/ZnO/Al₂O₃) sind die wichtigsten Katalysatoren, die erfolgreich zur DME-Herstellung eingesetzt werden.

Die Chlorierung und Fluorierung von Zeolithen sind wirksame Methoden zur Einstellung der katalytischen Acidität. In der Studie des Forschungsteams um Aboul-Fotouh wurden chlorierte und fluorierte Zeolithkatalysatoren durch Imprägnierung von Zeolithen (H-ZSM-5, H-MOR oder H-Y) mit zwei Halogenvorläufern (Ammoniumchlorid und Ammoniumfluorid) hergestellt. Der Einfluss der Ultraschallbestrahlung wurde untersucht, um beide Halogenvorläufer für die Herstellung von Dimethylether (DME) durch Methanoldehydratisierung in einem Festbettreaktor zu optimieren. Vergleichende DME-Katalyseversuche zeigten, dass die unter Ultraschallbestrahlung hergestellten halogenierten Zeolithkatalysatoren eine höhere Leistung bei der DME-Bildung aufweisen. (Aboul-Fotouh et al., 2016)
In einer weiteren Studie untersuchte das Forschungsteam alle wichtigen Ultraschallparameter bei der Dehydratisierung von Methanol an H-MOR-Zeolithkatalysatoren zur Herstellung von Dimethylether. Für seine Beschallungsversuche verwendete das Forschungsteam das Hielscher-Ultraschallgerät UP50H mit Sonotrode. Rasterelektronenmikroskopische (REM) Aufnahmen des beschallten H-MOR-Zeoliths (Mordenit-Zeolith) zeigten, dass Methanol allein als Beschallungsmedium die besten Ergebnisse hinsichtlich der Homogenität der Partikelgrößen liefert, verglichen mit dem unbehandelten Katalysator, bei dem große Agglomerate und inhomogene Cluster auftraten. Diese Ergebnisse bestätigten, dass die Ultraschallbehandlung einen tiefgreifenden Einfluss auf die Auflösung der Elementarzelle und damit auf das katalytische Verhalten bei der Dehydratisierung von Methanol zu Dimethylether (DME) hat. NH3-TPD zeigt, dass die Ultraschallbestrahlung die Acidität des H-MOR-Katalysators und damit seine katalytische Leistung bei der DME-Bildung erhöht hat. (Aboul-Gheit et al., 2014)

Nahezu das gesamte kommerziell verfügbare DME wird durch Dehydratisierung von Methanol mit verschiedenen festen sauren Katalysatoren wie Zeolithen, Siliciumdioxid–Aluminiumoxid, Aluminiumoxid, Al₂O₃–B₂O₃usw. gemäß folgender Reaktion hergestellt:
2CH₃OH ↔ CH₃OCH₃ +H₂O(-22,6k jmol^-1)

Koshbin und Haghighi (2013) stellten CuO–ZnO–Al₂O₃/HZSM-5-Nanokatalysatoren mit einem kombinierten Cofällungs-Ultraschallverfahren her. Das Forschungsteam stellte fest, „dass der Einsatz von Ultraschallenergie einen großen Einfluss auf die Dispersion der CO-Hydrierungsfunktion und folglich auf die Leistung der DME-Synthese hat. Die Beständigkeit des ultraschallgestützt synthetisierten Nanokatalysators wurde während der Umsetzung von Synthesegas zu DME untersucht. Der Nanokatalysator verliert im Verlauf der Reaktion durch Koksbildung auf Kupferspezies nur vernachlässigbar wenig Aktivität.“ [Khoshbin and Haghighi, 2013.]

Ein alternativer Nanokatalysator, der nicht auf Zeolith basiert und die Umsetzung zu DME ebenfalls sehr effizient fördert, ist ein nanoskaliger poröser γ-Aluminiumoxid-Katalysator. Nanoskaliges poröses γ-Aluminiumoxid wurde durch Fällung unter Ultraschallmischung erfolgreich synthetisiert. Die sonochemische Behandlung fördert die Synthese von Nanopartikeln. (vgl. Rahmanpour et al., 2012)

Warum sind ultraschallgestützt hergestellte Nanokatalysatoren überlegen?

Für die Herstellung heterogener Katalysatoren werden häufig hochwertige Materialien wie Edelmetalle benötigt. Dies macht Katalysatoren teuer; daher sind die Steigerung ihrer Effizienz und die Verlängerung ihrer Lebensdauer wichtige wirtschaftliche Faktoren. Unter den Herstellungsverfahren für Nanokatalysatoren gilt die sonochemische Technik als hocheffiziente Methode. Die Fähigkeit von Ultraschall, hochreaktive Oberflächen zu erzeugen, die Durchmischung zu verbessern und den Stofftransport zu erhöhen, macht ihn zu einer besonders vielversprechenden Technik, deren Einsatz zur Herstellung und Aktivierung von Katalysatoren untersucht werden kann. Damit lassen sich homogene und dispergierte Nanopartikel herstellen, ohne dass teure Geräte oder extreme Bedingungen erforderlich sind.
In mehreren Forschungsstudien kommen die Wissenschaftler zu dem Schluss, dass die ultraschallgestützte Katalysatorherstellung die vorteilhafteste Methode zur Herstellung homogener Nanokatalysatoren ist. Unter den Herstellungsverfahren für Nanokatalysatoren gilt die sonochemische Technik als hocheffiziente Methode. Die Fähigkeit intensiver Beschallung, hochreaktive Oberflächen zu erzeugen, die Durchmischung zu verbessern und den Stofftransport zu erhöhen, macht sie zu einer besonders vielversprechenden Technik, deren Einsatz zur Herstellung und Aktivierung von Katalysatoren untersucht werden kann. Damit lassen sich homogene und dispergierte Nanopartikel herstellen, ohne dass teure Geräte oder extreme Bedingungen erforderlich sind. (vgl. Koshbin und Haghighi, 2014)

Hochleistungs-Ultraschallgeräte für die Synthese mesoporöser Katalysatoren

Sonochemische Geräte für die Synthese leistungsfähiger Nanokatalysatoren sind in jeder Größe verfügbar – von kompakten Labor-Ultraschallgeräten bis hin zu vollständig industriellen Ultraschallreaktoren. Hielscher Ultrasonics entwickelt, fertigt und vertreibt Hochleistungs-Ultraschallgeräte. Alle Ultraschallsysteme werden am Hauptsitz in Teltow, Deutschland, hergestellt und von dort weltweit vertrieben.
Die ausgereifte Hardware und intelligente Software der Hielscher-Ultraschallgeräte sind darauf ausgelegt, einen zuverlässigen Betrieb, reproduzierbare Ergebnisse und Benutzerfreundlichkeit zu gewährleisten. Die Hielscher-Ultraschallgeräte sind robust und zuverlässig, sodass sie unter anspruchsvollen Betriebsbedingungen installiert und betrieben werden können. Die Betriebseinstellungen lassen sich über ein intuitives Menü einfach aufrufen und vornehmen, das über ein digitales Farb-Touchdisplay und per Browserfernsteuerung zugänglich ist. Alle Prozessbedingungen wie Nettoenergie, Gesamtenergie, Amplitude, Zeit, Druck und Temperatur werden dabei automatisch auf einer integrierten SD-Karte aufgezeichnet. So können Sie frühere Beschallungsläufe überprüfen und vergleichen sowie die Synthese und Funktionalisierung von Nanokatalysatoren auf höchste Effizienz optimieren.
Systeme von Hielscher Ultrasonics werden weltweit für sonochemische Syntheseprozesse eingesetzt und haben sich bei der Synthese hochwertiger Zeolith-Nanokatalysatoren sowie von Zeolithderivaten als zuverlässig erwiesen. Hielscher-Industrie-Ultraschallgeräte können problemlos mit hohen Amplituden im Dauerbetrieb (24/7/365) arbeiten. Amplituden von bis zu 200µm lassen sich mit Standardsonotroden (Ultraschallsonotroden / Hörnern) problemlos kontinuierlich erzeugen. Für noch höhere Amplituden sind kundenspezifische Ultraschallsonotroden erhältlich. Aufgrund ihrer Robustheit und ihres geringen Wartungsbedarfs werden unsere Ultraschallgeräte häufig für Heavy-Duty-Anwendungen und in anspruchsvollen Umgebungen installiert.
Hielscher-Ultraschallprozessoren für sonochemische Synthesen, Funktionalisierung, Nanostrukturierung und Deagglomeration sind bereits weltweit im kommerziellen Maßstab installiert. Kontaktieren Sie uns jetzt, um Ihren Herstellungsprozess für Nanokatalysatoren zu besprechen! Unsere erfahrenen Mitarbeiter informieren Sie gerne näher über den sonochemischen Syntheseweg, Ultraschallsysteme und Preise!
Dank der Vorteile des ultraschallgestützten Syntheseverfahrens zeichnet sich Ihre Produktion mesoporöser Nanokatalysatoren gegenüber anderen Katalysatorsyntheseverfahren durch Effizienz, Einfachheit und niedrige Kosten aus!

Die folgende Tabelle gibt Ihnen einen Überblick über die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallgeräte: