Υπερηχητική προετοιμασία καταλυτών για μετατροπή διμεθυλαιθέρα (DME)

Ο διμεθυλαιθέρας (DME) είναι ένα ευνοϊκό εναλλακτικό καύσιμο, το οποίο μπορεί να συντίθεται από μεθανόλη, CO₂ ή syngas μέσω της κατάλυσης. Για την καταλυτική μετατροπή σε DME, απαιτούνται ισχυροί καταλύτες. Μεσοπορικοί καταλύτες νανο-μεγέθους, όπως μεσοπορικοί όξινοι ζεόλιθοι, διακοσμημένοι ζεόλιθοι ή μεταλλικοί καταλύτες νανο-μεγέθους, όπως το αλουμίνιο ή ο χαλκός, μπορούν να βελτιώσουν σημαντικά τη μετατροπή DME. Ο υπέρηχος υψηλής έντασης είναι η ανώτερη τεχνική για την παρασκευή εξαιρετικά αντιδραστικών νανο καταλυτών. Μάθετε περισσότερα σχετικά με τον τρόπο χρήσης υπερήχων για την παραγωγή μικρο- και μεσοπορικών καταλυτών με εξαιρετική αντιδραστικότητα και επιλεκτικότητα!

Διλειτουργούντες καταλύτες για άμεση μετατροπή DME

Η παραγωγή διμεθυλαιθέρα (DME) είναι μια καθιερωμένη βιομηχανική διαδικασία που χωρίζεται σε δύο στάδια: πρώτον, η καταλυτική υδρογόνωση των syngas σε μεθανόλη (CO / CO₂ + 3H₂ → CH₃OH + H₂ho) και, δεύτερον, επακόλουθη καταλυτική αφυδάτωση της μεθανόλης έναντι όξινων καταλυτών για την παραγωγή (2CH₃Ω → CH₃ΟΧ₃ + Η₂Ο). Ο κύριος περιορισμός αυτής της σύνθεσης DME δύο βημάτων σχετίζεται με τη χαμηλή θερμοδυναμική κατά τη φάση της σύνθεσης μεθανόλης, η οποία έχει ως αποτέλεσμα τη χαμηλή μετατροπή αερίου ανά πέρασμα (15-25%). Με τον τρόπο αυτό, πραγματοποιούνται υψηλοί δείκτες ανακυκλοφορίας, καθώς και υψηλά κεφαλαιακά και λειτουργικά έξοδα.
Προκειμένου να ξεπεραστεί αυτός ο θερμοδυναμικός περιορισμός, η άμεση σύνθεση DME είναι σημαντικά ευνοϊκότερη: Στην άμεση μετατροπή DME, το βήμα σύνθεσης μεθανόλης συνδυάζεται με το βήμα αφυδάτωσης σε έναν μόνο αντιδραστήρα
(2ΚΟ / CO₂ + 6H₂ → CH₃ΟΧ₃ + 3H₂O).

Η άμεση σύνθεση του DME επιτρέπει την αύξηση των επιπέδων μετατροπής ανά βήμα, έως και 19%, πράγμα που σημαίνει σημαντική μείωση του κόστους όσον αφορά το κόστος επένδυσης και λειτουργικής παραγωγής DME. Με βάση τις εκτιμήσεις, το κόστος παραγωγής DME στην άμεση σύνθεση μειώνεται κατά 20-30% σε σύγκριση με τη συμβατική διαδικασία μετατροπής δύο βημάτων. Προκειμένου να λειτουργήσει η άμεση οδός σύνθεσης DME, είναι απαραίτητο ένα εξαιρετικά αποδοτικό υβριδικό διλειτουργικό καταλυτικό σύστημα. Ο απαιτούμενος καταλύτης πρέπει να προσφέρει τη λειτουργικότητα για υδρογόνωση CO/ CO2 για τη σύνθεση μεθανόλης και τις όξινες λειτουργίες, οι οποίες βοηθούν στην αφυδάτωση της μεθανόλης. (πρβλ. Millán et al. 2020)

Σύνθεση καταλυτών υψηλής αντίδρασης για μετατροπή DME με τη χρήση υπερήχων ισχύος

Η αντιδραστικότητα και η επιλεκτικότητα των καταλυτών για μετατροπή διμεθυλο αιθέρα μπορεί να βελτιωθεί σημαντικά μέσω υπερήχων θεραπεία. Ζεόλιθοι όπως όξινοι ζεόλιθοι (π.χ. αλουμινοσιλικό zeolite HZSM-5) και διακοσμημένοι ζεόλιθοι (π.χ. με CuO/ZnO/Al₂ο₃) είναι οι κύριοι καταλύτες που χρησιμοποιούνται με επιτυχία για την παραγωγή DME.

Η χλωρίωση και η φθορίωση των ζεολιτών είναι αποτελεσματικές μέθοδοι για τον συντονισμό της καταλυτικής οξύτητας. Οι χλωριωμένοι και φθοριούργοι καταλύτες ζεόλιθου παρασκευάστηκαν με τον εμποτισμό των ζεολιτών (H-ZSM-5, H-MOR ή H-Y) χρησιμοποιώντας δύο πρόδρομες ουσίες αλογόνου (χλωριούχο αμμώνιο και φθόριο αμμωνίου) στη μελέτη της ερευνητικής ομάδας του Aboul-Fotouh. Η επίδραση της υπερηχητικής ακτινοβολίας αξιολογήθηκε για τη βελτιστοποίηση και των δύο πρόδρομων αλογόνου για την παραγωγή διμεθυλαιθηρού (DME) μέσω αφυδάτωσης μεθανόλης σε αντιδραστήρα σταθερού κρεβατιού. Συγκριτική δοκιμή κατάλυσης DME αποκάλυψε ότι οι αλογονωμένοι καταλύτες ζεόλιθου που παρασκευάζονται υπό υπερηχητική ακτινοβολία παρουσιάζουν υψηλότερη απόδοση για το σχηματισμό DME. (Αμπούλ-Φωτού κ.ά., 2016)
Σε μια άλλη μελέτη, η ερευνητική ομάδα διερεύνησε όλες τις σημαντικές μεταβλητές υπερήχων που συναντώνται κατά τη διάρκεια της διεξαγωγής της αφυδάτωσης της μεθανόλης σε καταλύτες ζεόλιθου H-MOR για την παραγωγή διμεθυλαιθερών. Για τις κρίσεις κατεργασίας με υπερήχους, η ερευνητική ομάδα Hielscher UP50H καθετήρας-τύπου υπερήχων. Η απεικόνιση ηλεκτρονικού μικροσκοπίου σάρωσης (SEM) του υπερήχου ζεόλιθου H-MOR (ζεόλιθος Mordenite) διευκρίνισε ότι η μεθανόλη από μόνη της που χρησιμοποιείται ως μέσο υπερήχων δίνει τα καλύτερα αποτελέσματα όσον αφορά την ομοιογένεια των μεγεθών σωματιδίων σε σύγκριση με τον μη επεξεργασμένο καταλύτη, όπου εμφανίστηκαν μεγάλα συσσωματώματα και μη ομοιογενείς συστάδες. Αυτά τα ευρήματα πιστοποιήθηκαν ότι υπερήχους έχει βαθιά επίδραση στην ανάλυση των κυττάρων μονάδα και ως εκ τούτου στην καταλυτική συμπεριφορά της αφυδάτωσης της μεθανόλης σε διμεθυλαιθέρα (DME). Το NH3-TPD δείχνει ότι η ακτινοβολία υπερήχων έχει ενισχύσει την οξύτητα του καταλύτη H-MOR και ως εκ τούτου είναι καταλυτική απόδοση για το σχηματισμό DME. (Αμπούλ-Γκείτ κ.ά., 2014)

Σχεδόν όλο το εμπορικό DME παράγεται από την αφυδάτωση της μεθανόλης χρησιμοποιώντας διαφορετικούς καταλύτες στερεού οξέος όπως ζεόλιθους, σμίλικα-αλουμίνα, αλουμίνα, Al₂ο₃–Β₂ο₃, κ.λπ.
2CH₃Ω <—> Χ₃ΟΧ₃ +H₂O(-22.6k jmol^-1),

Ο Κόσμπιν και ο Χαγκίγκι (2013) προετοίμασαν το CuO-ZnO-Al₂ο₃/HZSM-5 νανοκαταλυτείες μέσω συνδυασμένης μεθόδου συν-καθίζησης-υπερήχων. Η ερευνητική ομάδα διαπίστωσε "ότι η χρήση ενέργειας υπερήχων έχει μεγάλη επίδραση στη διασπορά της λειτουργίας υδρογόνωσης co και κατά συνέπεια στην απόδοση σύνθεσης DME. Η ανθεκτικότητα του υποβοηθούμενης από υπερήχους συντεθειμένου νανοκαταλυστού διερευνήθηκε κατά τη διάρκεια της αντίδρασης syngas σε DME. Ο νανοκαταλυτής χάνει αμελητέα δραστηριότητα κατά τη διάρκεια της αντίδρασης λόγω σχηματισμού οπτάνθρακα σε είδη χαλκού." [Κοσμπίν και Χαγκίγκι, 2013.]

Ένας εναλλακτικός μη ζεόλιθος νανο-καταλύτης, ο οποίος είναι επίσης πολύ αποτελεσματικός στην προώθηση της μετατροπής DME, είναι ένας πορώδης καταλύτης γ αλουμίνας νανο-μεγέθους. Νανο-μεγέθους πορώδες γ-αλουμίνα συντέθηκε με επιτυχία από την καθίζηση κάτω από υπερήχων ανάμειξη. Η sonochemical επεξεργασία προωθεί τη σύνθεση νανοσωματιών. (πρβλ. Ραχμανπούρ κ.ά., 2012)

Γιατί είναι υπερηχητικά προετοιμασμένοι νανο-καταλύτες ανώτεροι;

Για την παραγωγή ετερογενών καταλυτών συχνά απαιτούνται υλικά υψηλής προστιθέμενης αξίας, όπως πολύτιμα μέταλλα. Αυτό καθιστά τους καταλύτες δαπανηρούς και, ως εκ τούτου, η βελτίωση της αποδοτικότητας καθώς και η επέκταση του κύκλου ζωής των καταλυτών είναι σημαντικοί οικονομικοί παράγοντες. Μεταξύ των μεθόδων παρασκευής νανοκαταλυστών, η sonochemical τεχνική θεωρείται ως μια εξαιρετικά αποτελεσματική μέθοδος. Η ικανότητα του υπερήχου να δημιουργεί εξαιρετικά αντιδραστικές επιφάνειες, να βελτιώνει την ανάμειξη και να αυξάνει τις μαζικές μεταφορές το καθιστά μια ιδιαίτερα ελπιδοφόρα τεχνική για να εξερευνήσετε για την προετοιμασία και την ενεργοποίηση καταλυτών. Μπορεί να παράγει ομοιογενή και διασκορπισμένα νανοσωματίδια χωρίς να χρειάζεται ακριβά όργανα και ακραίες συνθήκες.
Σε αρκετές ερευνητικές μελέτες, οι επιστήμονες καταλήγουν στο συμπέρασμα ότι η προετοιμασία υπερηχητικών καταλυτών είναι η πιο συμφέρουσα μέθοδος για την παραγωγή ομοιογενών νανο-καταλυτών. Μεταξύ των μεθόδων παρασκευής νανοκαταλυστών, η sonochemical τεχνική θεωρείται ως μια εξαιρετικά αποτελεσματική μέθοδος. Η ικανότητα της έντονης κατεργασίας με υπερήχους να δημιουργεί εξαιρετικά αντιδραστικές επιφάνειες, να βελτιώνει την ανάμειξη και να αυξάνει τις μαζικές μεταφορές την καθιστά μια ιδιαίτερα ελπιδοφόρα τεχνική για να εξερευνήσετε για την προετοιμασία και την ενεργοποίηση καταλυτών. Μπορεί να παράγει ομοιογενή και διασκορπισμένα νανοσωματίδια χωρίς να χρειάζεται ακριβά όργανα και ακραίες συνθήκες. (πρβλ. Κόσμπιν και Χαγκίγκι, 2014)

Υπερήχους υψηλής απόδοσης για τη σύνθεση μεσοπορικών καταλυτών

Ο sonochemical εξοπλισμός για τη σύνθεση νανο-καταλυτών υψηλής απόδοσης είναι άμεσα διαθέσιμος σε οποιοδήποτε μέγεθος – από συμπαγείς υπερηχητικούς εργαστηρίου σε πλήρως βιομηχανικούς αντιδραστήρες υπερήχων. Hielscher Υπερήχων σχεδιάζει, κατασκευάζει, και διανέμει υψηλής ισχύος υπερήχους. Όλα τα συστήματα υπερήχων κατασκευάζονται στην έδρα στο Teltow της Γερμανίας και διανέμονται από εκεί σε όλο τον κόσμο.
Το εξελιγμένο υλικό και το έξυπνο λογισμικό των υπερήχων Hielscher έχουν σχεδιαστεί για να εγγυώνται αξιόπιστη λειτουργία, αναπαραγώγιμα αποτελέσματα καθώς και φιλικότητα προς το χρήστη. Οι υπερήχους Hielscher είναι ισχυροί και αξιόπιστοι, γεγονός που επιτρέπει την εγκατάσταση και τη λειτουργία υπό συνθήκες βαρέως τύπου. Οι λειτουργικές ρυθμίσεις είναι εύκολα προσβάσιμες και καλούνται μέσω διαισθητικού μενού, το οποίο είναι προσβάσιμο μέσω ψηφιακής έγχρωμης οθόνης αφής και τηλεχειριστηρίου του προγράμματος περιήγησης. Ως εκ τούτου, όλες οι συνθήκες επεξεργασίας όπως η καθαρή ενέργεια, η συνολική ενέργεια, το πλάτος, ο χρόνος, η πίεση και η θερμοκρασία καταγράφονται αυτόματα σε ενσωματωμένη κάρτα SD. Αυτό σας επιτρέπει να αναθεωρήσετε και να συγκρίνετε προηγούμενες διαδρομές κατεργασίας με υπερήχους και να βελτιστοποιήσετε τη σύνθεση και τη λειτουργικότητα των νανο καταλυτών με την υψηλότερη απόδοση.
Hielscher Υπερήχων συστήματα χρησιμοποιούνται σε όλο τον κόσμο για sonochemical διαδικασίες σύνθεσης και έχουν αποδειχθεί αξιόπιστα για τη σύνθεση υψηλής ποιότητας νανο-καταλύτες ζεόλιθου καθώς και ζεόλιθο παράγωγα. Hielscher βιομηχανικοί υπερήχους μπορούν εύκολα να τρέξουν υψηλά πλάτοτα σε συνεχή λειτουργία (24 ώρες το 24ωρο, 7 ημέρες την εβδομάδα/365). Τα πλάτοτα μέχρι 200μm μπορούν εύκολα να δημιουργηθούν συνεχώς με τυποποιημένα sonotrodes (υπερηχητικοί έλεγχοι / κέρατα). Για ακόμη υψηλότερα πλάτος, διατίθενται προσαρμοσμένα υπερηχητικά sonotrodes. Λόγω της ευρωστίας και της χαμηλής συντήρησής τους, οι υπερήχοι μας εγκαθίστανται συνήθως για εφαρμογές βαρέως τύπου και σε απαιτητικά περιβάλλοντα.
Hielscher υπερήχων επεξεργαστές για sonochemical συνθέσεις, λειτουργικότητα, νανο-δόμηση και αποχρωματοποίηση είναι ήδη εγκατεστημένοι σε όλο τον κόσμο σε εμπορική κλίμακα. Επικοινωνήστε μαζί μας τώρα για να συζητήσουμε τη διαδικασία κατασκευής νανο-καταλύτη! Το έμπειρο προσωπικό μας θα χαρεί να μοιραστεί περισσότερες πληροφορίες σχετικά με το μονοπάτι sonochemical synthesis, τα συστήματα υπερήχων και την τιμολόγηση!
Με το πλεονέκτημα της μεθόδου υπερήχων σύνθεση, μεσοπορική παραγωγή νανο-καταλύτη σας θα υπερέχει στην αποτελεσματικότητα, την απλότητα και το χαμηλό κόστος σε σύγκριση με άλλες διαδικασίες σύνθεση καταλύτη!

Ο παρακάτω πίνακας σας δίνει μια ένδειξη για την κατά προσέγγιση ικανότητα επεξεργασίας των υπερήχων μας: