Ultraschall-gestützte Synthese von Katalysatoren für die Dimethylether-Produktion

Dimethylether (DME) ist ein günstiger alternativer Kraftstoff, der aus Methanol, CO₂ oder Synthesegas mittels Katalyse synthetisiert werden kann. Für die katalytische Umwandlung in DME werden wirksame Katalysatoren benötigt. Nano-skalige mesoporöse Katalysatoren wie mesoporöse saure Zeolithe, funktionalisierte Zeolithe oder nano-skalige Metallkatalysatoren wie Aluminium oder Kupfer können die DME-Umwandlung erheblich verbessern. Hochintensiver Ultraschall ist eine herausragende Technik, um hochreaktive Nanokatalysatoren herzustellen. Erfahren Sie mehr über den Einsatz von Ultraschall für die Herstellung mikro- und mesoporöser Katalysatoren mit hervorragender Reaktivität und Selektivität!

Bifunktionelle Katalysatoren für die direkte DME-Umwandlung

Die Herstellung von Dimethylether (DME) ist ein industrieller Prozess, der in zwei Schritte untergliedert ist: zunächst wird mittels katalytischer Hydrierung Synthesegas zu Methanol (CO? CO₂ + 3H₂ → CH₃OH + H₂HO) umgewandelt wird und dann eine in einer anschließenden katalytischen Dehydratisierung des Methanols über sauren Katalysatoren Dimethylether hergestellt wird (2CH₃OH → CH₃OCH₃ + H₂O). Die größte Einschränkung dieser zweistufigen DME-Synthese liegt in der niedrigen Thermodynamik während der Methanolsynthese, welche zu einem geringen Gasumsatz pro Durchgang (15-25 %) führt. Dadurch entstehen hohe Rezirkulationsraten sowie hohe Kapital- und Betriebskosten.
Um diese thermodynamische Einschränkung zu überwinden, ist die direkte DME-Synthese wesentlich günstiger: Bei der direkten DME-Konvertierung ist der Methanolsyntheseschritt mit dem Dehydratisierungsschritt in einem einzigen Reaktor gekoppelt
(2CO? CO₂ + 6H₂ → CH₃OCH₃ + 3H₂O).

Die Direktsynthese von DME ermöglicht eine Erhöhung des Umwandlungsgrads pro Schritt um bis zu 19 %, wodurch eine erhebliche Reduzierung der Investitions- und Betriebskosten erreicht wird. Schätzungen zufolge werden die DME-Produktionskosten bei der Direktsynthese im Vergleich zum herkömmlichen zweistufigen Umwandlungsverfahren um 20-30 % gesenkt. Für den Betrieb des DME-Direktsynthesewegs ist ein hocheffizientes hybrides bifunktionales katalytisches System erforderlich. Der benötigte Katalysator muss die Funktionalität für die CO/CO2-Hydrierung für die Methanolsynthese und die sauren Funktionalitäten bieten, welche für die Dehydratisierung des Methanols notwendig sind. (vgl. Millán et al. 2020)

Synthese hochreaktiver Katalysatoren für die DME-Umwandlung mittels Leistungs-Ultraschall

Die Reaktivität und Selektivität von Katalysatoren für die Umwandlung von Dimethylether kann durch eine Ultraschallbehandlung erheblich verbessert werden. Zeolithe wie saure Zeolithe (z.B. Alumosilikatzeolit HZSM-5) und funktionalisierte Zeolithe (z.B. mit CuO/ZnO/Al₂O₃) sind die wichtigsten Katalysatoren, die erfolgreich für die DME-Produktion eingesetzt werden.

Chlorierung und Fluorierung von Zeolithen sind wirksame Methoden zur Einstellung der katalytischen Azidität. Die chlorierten und fluorierten Zeolith-Katalysatoren wurden in der Studie des Forschungsteams von Aboul-Fotouh durch Imprägnierung von Zeolithen (H-ZSM-5, H-MOR oder H-Y) mit zwei Halogenvorläufern (Ammoniumchlorid und Ammoniumfluorid) hergestellt. Der Einfluss der Beschallung mit Hochleistungs-Ultraschall wurde zur Optimierung der beiden Halogenvorläufer für die Herstellung von Dimethylether (DME) durch Dehydratisierung von Methanol in einem Festbettreaktor untersucht. Vergleichende DME-Katalyseversuche ergaben, dass die unter Ultraschall hergestellten halogenierten Zeolithkatalysatoren eine höhere Leistung bei der DME-Produktion aufweisen. (Aboul-Fotouh et al., 2016)
In einer weiteren Studie untersuchte das Forschungsteam alle wichtigen Ultraschallvariablen, die bei der Dehydratisierung von Methanol an H-MOR-Zeolithkatalysatoren zur Herstellung von Dimethylether auftreten. Für ihre Ultraschall-Experimente verwendete das Forschungsteam das Hielscher Ultraschallgerät UP50H. Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen des beschallten H-MOR-Zeoliths (Mordenit-Zeolith) haben gezeigt, dass Methanol selbst als Ultraschallmedium die besten Ergebnisse hinsichtlich der Homogenität der Partikelgrößen im Vergleich zum unbehandelten Katalysator liefert, bei dem große Agglomerate und inhomogene Cluster auftraten. Diese Ergebnisse belegen, dass die Ultraschallbehandlung einen tiefgreifenden Einfluss auf die Auflösung der Einheitszellen und damit auf das katalytische Verhalten bei der Dehydratisierung von Methanol zu Dimethylether (DME) hat. Die NH3-TPD zeigt, dass die Ultraschallbehandlung die Azidität des H-MOR-Katalysators und damit seine katalytische Leistung bei der DME-Bildung erhöht. (Aboul-Gheit et al., 2014)

Fast jeder handelsüblicher DME wird durch Dehydratisierung von Methanol unter Verwendung verschiedener fester saurer Katalysatoren wie Zeolithe, Sillica-Aluminiumoxid, Aluminiumoxid, Al₂O₃-B₂O₃usw. durch folgende Reaktion katalysiert:
2CH₃OH <–> CH₃OCH₃ +H₂O(-22,6k jmol^-1)

Koshbin und Haghighi (2013) stellten CuO-ZnO-Al₂O₃/HZSM-5-Nanokatalysatoren über ein kombiniertes Co-Präzipitations-Ultraschall-Verfahren. Das Forschungsteam fand heraus „dass der Einsatz von Ultraschallenergie einen großen Einfluss auf die Dispersion der CO-Hydrierungsfunktion und damit auf die Leistung der DME-Synthese hat. Die Haltbarkeit von ultraschallgestützt synthetisierten Nanokatalysatoren wurde während der Synthesegas-zu-DME-Reaktion untersucht. Der Nanokatalysator verliert im Verlauf der Reaktion aufgrund der Koksbildung an Kupferspezies an vernachlässigbarer Aktivität.“ [Khoshbin und Haghighi, 2013.]

Ein alternativer nicht-zeolith-basierter Nano-Katalysator, der ebenfalls sehr effizient die DME-Umwandlung fördert, ist ein nano-skaliger poröser γ-Aluminiumoxid-Katalysator. Nano-sklaiges, poröses γ-Aluminiumoxid wurde erfolgreich in einer Fällungsreaktion mittels Ultraschall synthetisiert. Die sonochemische Behandlung unterstützt die Synthese hochwertiger Nanopartikel. (vgl. Rahmanpour et al., 2012)

Weshalb sind mittels Ultraschall hergestellte Nanokatalysatoren besser?

Für die Herstellung von heterogenen Katalysatoren werden häufig hochwertige Materialien wie Edelmetalle benötigt. Dies macht die Katalysatoren teuer, und daher sind die Steigerung der Effizienz sowie die Verlängerung des Lebenszyklus der Katalysatoren wichtige wirtschaftliche Faktoren. Im Vergleich der Produktionsmethoden für Nanokatalysatoren schneidet die sonochemische Technik als hocheffiziente Methode ab. Die Fähigkeit des Ultraschalls, hochreaktive Oberflächen zu erzeugen, die Durchmischung zu verbessern und den Stofftransport zu erhöhen, macht die Ultraschallsynthese zu einer besonders vielversprechenden Technik für die Katalysatorherstellung und -aktivierung. Die Ultraschallsynthese kann homogene und nano-skalig dispergierte Nanopartikel erzeugen, ohne dass teure Instrumente und extreme Reaktionsbedingungen notwendig sind.
In mehreren Forschungsstudien kommen die Wissenschaftler zu dem Schluss, dass die ultraschall-basierte Katalysator-Aufbereitung die vorteilhafteste Methode für die Herstellung homogener Nanokatalysatoren ist. Unter den Herstellungsverfahren für Nanokatalysatoren gilt die sonochemische Methode als hocheffizient. Da es die intensive Beschallung mittels Ultraschall ermöglicht, hochreaktive Oberflächen zu schaffen, die Durchmischung zu verbessern und den Stofftransport zu erhöhen, ist Hochleistungs-Ultraschall einer besonders vielversprechenden Technik, welche für die Katalysatorherstellung und -aktivierung angewendet und weiter erforscht wird. Sie kann homogene und dispergierte Nanopartikel erzeugen, ohne dass teure Instrumente und extreme Bedingungen erforderlich sind. (vgl. Koshbin und Haghighi, 2014)

Hochleistungs-Ultraschallgeräte für die Synthese von mesoporösen Katalysatoren

Sonochemisches Equipment für die Synthese von Hochleistungs-Nanokatalysatoren ist in jedem Größenmaßstab verfügbar – von kompakten Labor-Ultraschallgeräten bis hin zu voll-industriellen Ultraschallreaktoren. Hielscher Ultrasonics entwickelt, fertigt und vertreibt Hochleistungs-Ultraschallgeräte. Alle Ultraschallsysteme werden im Headquarter in Teltow, Deutschland, hergestellt, intensiv getestet und von dort aus weltweit vertrieben.
Die ausgefeilte Hardware und intelligente Software der Hielscher Ultraschallgeräte sind so konzipiert, dass sie einen zuverlässigen Betrieb, reproduzierbare Ergebnisse und eine hohe Benutzerfreundlichkeit garantieren. Hielscher Ultraschallgeräte sind robust und zuverlässig, so dass sie auch unter erschwerenden Bedingungen installiert und betrieben werden können. Die Betriebseinstellungen sind über ein intuitives Menü, das über ein digitales Farb-Touch-Display und eine Browser-Fernbedienung aufgerufen werden kann, leicht zugänglich und wählbar. Dabei werden alle wichtigen Prozessdaten wie Nettoenergie, Gesamtenergie, Amplitude, Zeit, Druck und Temperatur automatisch auf einer eingebauten SD-Karte aufgezeichnet. Dies ermöglicht es Ihnen, Beschallungsläufe zu überprüfen und zu vergleichen und die Synthese und Funktionalisierung von Nanokatalysatoren auf höchste Effizienz zu optimieren.
Hielscher Ultraschallsysteme werden weltweit für sonochemische Syntheseprozesse eingesetzt und haben sich bei der Synthese von hochwertigen Zeolith-Nanokatalysatoren sowie Zeolithderivaten bewährt. Hielscher Industrie-Ultraschallgeräte können problemlos hohe Amplituden im Dauerbetrieb (24/7/365) fahren. Amplituden von bis zu 200µm können mit Standard-Sonotroden (Ultraschallsonden? Sonotroden) problemlos kontinuierlich erzeugt werden. Für noch höhere Amplituden sind kundenspezifische Ultraschallsonotroden erhältlich. Aufgrund ihrer Robustheit und ihres geringen Wartungsaufwands werden unsere Ultraschallgeneratoren problemlos auch für Heavy-Duty-Anwendungen und in anspruchsvollen Umgebungen eingesetzt.
Hielscher Ultraschallprozessoren für sonochemische Synthesen, Funktionalisierung, Nanostrukturierung und Deagglomeration sind bereits weltweit im kommerziellen Maßstab installiert. Kontaktieren Sie uns jetzt, um Ihren Prozess zur Herstellung von Nanokatalysatoren zu besprechen! Unser erfahrenes Personal berät Sie gerne und gibt Ihnen gerne weitere Informationen über den sonochemischen Syntheseweg, die Ultraschallsysteme sowie Preise!
Dank der Vorteile der Ultraschallsynthesemethode zeichnet sich Ihre Produktion von mesoporösen Nanokatalysatoren im Vergleich zu anderen Katalysatorsyntheseverfahren durch Effizienz, Einfachheit und niedrige Kosten aus!

In der folgenden Tabelle finden Sie die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallhomogenisatoren: