Υπερήχων προετοιμασία καταλυτών για μετατροπή διμεθυλαιθέρα (DME)

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

Διλειτουργικοί καταλύτες για άμεση μετατροπή DME

Η παραγωγή διμεθυλαιθέρα (DME) είναι μια καθιερωμένη βιομηχανική διαδικασία που χωρίζεται σε δύο στάδια: πρώτον, την καταλυτική υδρογόνωση του αερίου σύνθεσης σε μεθανόλη (CO / CO₂ + 3Ώρες₂ → CH₃ΟΗ + Η₂HO) και δεύτερον, μια επακόλουθη καταλυτική αφυδάτωση της μεθανόλης πάνω από όξινους καταλύτες για παραγωγή (2CH₃Ω → CH₃ΟΧ₃ + Η₂O). Ο κύριος περιορισμός αυτής της σύνθεσης DME δύο σταδίων σχετίζεται με τη χαμηλή θερμοδυναμική κατά τη φάση της σύνθεσης μεθανόλης, η οποία έχει ως αποτέλεσμα χαμηλή μετατροπή αερίου ανά πέρασμα (15-25%). Ως εκ τούτου, εμφανίζονται υψηλοί δείκτες ανακύκλωσης καθώς και υψηλό κόστος κεφαλαίου και λειτουργίας.
Προκειμένου να ξεπεραστεί αυτός ο θερμοδυναμικός περιορισμός, η άμεση σύνθεση DME είναι σημαντικά πιο ευνοϊκή: Στην άμεση μετατροπή DME, το στάδιο σύνθεσης μεθανόλης συνδυάζεται με το στάδιο αφυδάτωσης σε έναν μόνο αντιδραστήρα
(2CO / CO₂ + 6Ώρες₂ → CH₃ΟΧ₃ + 3Ώρες₂O).

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 λειτουργίας του DME. Με βάση εκτιμήσεις, το κόστος παραγωγής DME στην άμεση σύνθεση μειώνεται κατά 20-30% σε σύγκριση με τη συμβατική διαδικασία μετατροπής δύο σταδίων. Προκειμένου να λειτουργήσει η οδός άμεσης 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 καταλύτη υψηλής αντίδρασης για μετατροπή DME με χρήση υπερήχων ισχύος

Η αντιδραστικότητα και η εκλεκτικότητα των καταλυτών για τη μετατροπή του διμεθυλαιθέρα μπορεί να βελτιωθεί σημαντικά μέσω υπερηχητικής θεραπείας. Ζεόλιθοι όπως όξινοι ζεόλιθοι (π.χ. αργιλοπυριτικός ζεόλιθος HZSM-5) και διακοσμημένοι ζεόλιθοι (π.χ. με CuO/ZnO/Al₂O₃) είναι οι κύριοι καταλύτες που χρησιμοποιούνται με επιτυχία για την παραγωγή DME.

Η χλωρίωση και η φθορίωση των ζεολίθων είναι αποτελεσματικές μέθοδοι για τη ρύθμιση της καταλυτικής οξύτητας. Οι χλωριωμένοι και φθοριωμένοι καταλύτες ζεόλιθου παρασκευάστηκαν με εμποτισμό ζεολίθων (H-ZSM-5, H-MOR ή H-Y) χρησιμοποιώντας δύο πρόδρομες ουσίες αλογόνου (χλωριούχο αμμώνιο και φθοριούχο αμμώνιο) στη μελέτη της ερευνητικής ομάδας του Aboul-Fotouh. Η επίδραση της υπερηχητικής ακτινοβολίας αξιολογήθηκε για τη βελτιστοποίηση και των δύο πρόδρομων ουσιών αλογόνου για την παραγωγή διμεθυλαιθέρα (DME) μέσω αφυδάτωσης μεθανόλης σε αντιδραστήρα σταθερής κλίνης. Συγκριτική δοκιμή κατάλυσης DME αποκάλυψε ότι οι αλογονωμένοι καταλύτες ζεόλιθου που παρασκευάζονται υπό υπερηχητική ακτινοβολία δείχνουν υψηλότερη απόδοση για σχηματισμό DME. (Aboul-Fotouh κ.ά., 2016)
Σε μια άλλη μελέτη, η ερευνητική ομάδα διερεύνησε όλες τις σημαντικές μεταβλητές υπερήχων που συναντήθηκαν κατά τη διεξαγωγή της αφυδάτωσης της μεθανόλης σε καταλύτες ζεόλιθου H-MOR για την παραγωγή διμεθυλαιθέρα. Για τις εμπειρίες κατεργασίας με υπερήχους, η ερευνητική ομάδα χρησιμοποίησε το Hielscher UP50H καθετήρα-τύπου υπερήχων. Σάρωση ηλεκτρονικού μικροσκοπίου (SEM) απεικόνιση του υπερήχων ζεόλιθου H-MOR (ζεόλιθος Mordenite) έχουν διευκρινίσει ότι μεθανόλη από μόνη της χρησιμοποιείται ως μέσο υπερήχων δίνει τα καλύτερα αποτελέσματα σχετικά με την ομοιογένεια των μεγεθών σωματιδίων σε σύγκριση με τον μη επεξεργασμένο καταλύτη, όπου εμφανίστηκαν μεγάλα συσσωματώματα και μη ομοιογενείς συστάδες. Αυτά τα ευρήματα πιστοποίησαν ότι η υπερήχους έχει βαθιά επίδραση στην ανάλυση των κυττάρων μονάδας 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. (Aboul-Gheit κ.ά., 2014)

Σχεδόν όλα τα εμπορικά DME παράγονται από την αφυδάτωση της μεθανόλης χρησιμοποιώντας διαφορετικούς καταλύτες στερεών οξέων όπως ζεόλιθοι, σίλικα-αλουμίνα, αλουμίνα, Al₂O₃–Β₂O₃, κ.λπ., με την ακόλουθη αντίδραση:
2CH₃Ω <—> ΧΡ₃ΟΧ₃ +Η₂O(-22.6k jmol^-1)

Οι Koshbin και Haghighi (2013) προετοίμασαν το CuO–ZnO–Al₂O₃/HZSM-5 νανοκαταλύτες μέσω συνδυασμένης μεθόδου συν-κατακρήμνισης-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 υπερηχογραφικά υποβοηθούμενου συνθετικού νανοκαταλύτη διερευνήθηκε κατά τη διάρκεια της αντίδρασης syngas σε DME. Ο νανοκαταλύτης χάνει αμελητέα δραστηριότητα κατά τη διάρκεια της αντίδρασης λόγω του σχηματισμού οπτάνθρακα σε είδη χαλκού. [Khoshbin και Haghighi, 2013.]

Ένας εναλλακτικός νανοκαταλύτης μη ζεόλιθου, ο οποίος είναι επίσης πολύ αποτελεσματικός στην προώθηση της μετατροπής DME, είναι ένας νανο-μεγέθους πορώδης καταλύτης γ-αλουμίνας. Νανο-μεγέθους πορώδης γ-αλουμίνα συντέθηκε επιτυχώς με καθίζηση υπό υπερήχων ανάμειξη. Η sonochemical επεξεργασία προάγει τη σύνθεση νανοσωματιδίων. (πρβλ. Rahmanpour et al., 2012)

Γιατί είναι υπερήχων προετοιμασμένοι νανο-καταλύτες ανώτερη?

Για την παραγωγή ετερογενών καταλυτών απαιτούνται συχνά υλικά υψηλής προστιθέμενης αξίας, όπως πολύτιμα μέταλλα. Αυτό καθιστά τους καταλύτες ακριβούς και, ως εκ τούτου, η βελτίωση της απόδοσης καθώς και η επέκταση του κύκλου ζωής των καταλυτών είναι σημαντικοί οικονομικοί παράγοντες. Μεταξύ των μεθόδων παρασκευής νανοκαταλυτών, 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 τη μαζική μεταφορά το καθιστά μια ιδιαίτερα ελπιδοφόρα τεχνική για διερεύνηση για την προετοιμασία και ενεργοποίηση του καταλύτη. Μπορεί να παράγει ομοιογενή και διασκορπισμένα νανοσωματίδια χωρίς την ανάγκη δαπανηρών οργάνων και ακραίων συνθηκών.
Σε αρκετές ερευνητικές μελέτες, οι επιστήμονες καταλήγουν στο συμπέρασμα ότι η προετοιμασία καταλύτη υπερήχων είναι η πιο συμφέρουσα μέθοδος για την παραγωγή ομοιογενών νανο-καταλυτών. Μεταξύ των μεθόδων παρασκευής νανοκαταλυτών, η sonochemical τεχνική θεωρείται ως μια εξαιρετικά αποτελεσματική μέθοδος. Η ικανότητα της έντονης υπερήχησης να δημιουργήσει εξαιρετικά αντιδραστικές επιφάνειες, να βελτιώσει την ανάμειξη και να αυξήσει τη μαζική μεταφορά καθιστά μια ιδιαίτερα ελπιδοφόρα τεχνική για να διερευνήσει για την προετοιμασία και ενεργοποίηση καταλύτη. Μπορεί να παράγει ομοιογενή και διασκορπισμένα νανοσωματίδια χωρίς την ανάγκη δαπανηρών οργάνων και ακραίων συνθηκών. (πρβλ. Koshbin και Haghighi, 2014)

Υπερήχων υψηλής απόδοσης για τη σύνθεση μεσοπορωδών καταλυτών

Ο ηχοχημικός εξοπλισμός για τη σύνθεση νανοκαταλυτών υψηλής απόδοσης είναι άμεσα διαθέσιμος σε οποιοδήποτε μέγεθος – Από συμπαγείς εργαστηριακούς υπερήχους σε πλήρως βιομηχανικούς υπερηχητικούς αντιδραστήρες. Hielscher Υπέρηχοι σχεδιάζει, κατασκευάζει, και διανέμει υψηλής ισχύος υπερήχων. 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 υπερήχων Hielscher είναι ισχυροί και αξιόπιστοι, γεγονός που επιτρέπει την εγκατάσταση και λειτουργία υπό συνθήκες βαρέως τύπου. Οι ρυθμίσεις λειτουργίας είναι εύκολα προσβάσιμες και καλούνται μέσω διαισθητικού μενού, στο οποίο μπορείτε να έχετε πρόσβαση μέσω ψηφιακής έγχρωμης οθόνης αφής και τηλεχειριστηρίου προγράμματος περιήγησης. Επομένως, όλες οι συνθήκες επεξεργασίας όπως η καθαρή ενέργεια, η συνολική ενέργεια, το πλάτος, ο χρόνος, η πίεση και η θερμοκρασία καταγράφονται αυτόματα σε μια ενσωματωμένη κάρτα SD. Αυτό σας επιτρέπει να αναθεωρήσετε και να συγκρίνετε προηγούμενες εκτελέσεις υπερήχων και να βελτιστοποιήσετε τη σύνθεση και τη λειτουργικότητα των νανο-καταλυτών στην υψηλότερη απόδοση.
Hielscher Υπέρηχοι συστήματα χρησιμοποιούνται παγκοσμίως για sonochemical διαδικασίες σύνθεσης και έχουν αποδειχθεί αξιόπιστα για τη σύνθεση υψηλής ποιότητας νανο-καταλύτες ζεόλιθου, καθώς και ζεόλιθος παράγωγα. Hielscher βιομηχανική υπερήχων μπορεί εύκολα να τρέξει μεγάλα πλάτη σε συνεχή λειτουργία (24 ώρες το 24ωρο, 7 ημέρες την εβδομάδα / 365). Πλάτη μέχρι 200μm μπορούν εύκολα να δημιουργηθούν συνεχώς με τυποποιημένα sonotrodes (υπερηχητικοί ανιχνευτές / κέρατα). Για ακόμη υψηλότερα πλάτη, διατίθενται προσαρμοσμένα υπερηχητικά sonotrodes. Λόγω της ευρωστίας και της χαμηλής συντήρησής τους, οι υπερήχων μας εγκαθίστανται συνήθως για εφαρμογές βαρέως τύπου και σε απαιτητικά περιβάλλοντα.
Hielscher υπερήχων επεξεργαστές για sonochemical συνθέσεις, λειτουργικότητα, νανο-δομή και αποσυσσωμάτωση έχουν ήδη εγκατασταθεί παγκοσμίως σε εμπορική κλίμακα. Επικοινωνήστε μαζί μας τώρα για να συζητήσουμε τη διαδικασία κατασκευής νανοκαταλύτη! Το έμπειρο προσωπικό μας θα χαρεί να μοιραστεί περισσότερες πληροφορίες σχετικά με την οδό sonochemical σύνθεσης, τα συστήματα υπερήχων και την τιμολόγηση!
Με το πλεονέκτημα της μεθόδου σύνθεσης υπερήχων, η παραγωγή μεσοπορώδους νανοκαταλύτη σας θα υπερέχει στην αποτελεσματικότητα, την απλότητα και το χαμηλό κόστος σε σύγκριση με άλλες διαδικασίες σύνθεσης καταλύτη!

Ο παρακάτω πίνακας σας δίνει μια ένδειξη της κατά προσέγγιση ικανότητας επεξεργασίας των υπερήχων μας: