Preparación ultrasónica de catalizadores para la conversión a dimetil éter (DME)

El dimetil éter (DME) es un combustible alternativo favorable que puede sintetizarse a partir de metanol, CO₂ o gas de síntesis mediante catálisis. Para la conversión catalítica a DME se requieren catalizadores potentes. Los catalizadores mesoporosos de tamaño nanométrico, como las zeolitas ácidas mesoporosas, las zeolitas decoradas o los catalizadores metálicos de tamaño nanométrico, como los de aluminio o cobre, pueden mejorar significativamente la conversión a DME. Los ultrasonidos de alta intensidad son la técnica más eficaz para preparar nanocatalizadores altamente reactivos. Descubra cómo utilizar la ultrasonicación para producir catalizadores microporosos y mesoporosos con una excelente reactividad y selectividad.

Catalizadores bifuncionales para la conversión directa a DME

La producción de dimetil éter (DME) es un proceso industrial consolidado que se divide en dos etapas: primero, la hidrogenación catalítica del gas de síntesis para obtener metanol (CO / CO₂ + 3H₂ → CH₃OH + H₂HO) y, en segundo lugar, la posterior deshidratación catalítica del metanol sobre catalizadores ácidos para producir (2CH₃OH → CH₃OCH₃ + H₂O). La principal limitación de esta síntesis de DME en dos etapas está relacionada con la baja termodinámica durante la etapa de síntesis del metanol, que da lugar a una baja conversión del gas por paso (15-25%). Esto implica elevadas relaciones de recirculación, así como altos costes de inversión y operación.
Para superar esta limitación termodinámica, la síntesis directa de DME resulta considerablemente más favorable: en la conversión directa a DME, la etapa de síntesis del metanol se acopla con la etapa de deshidratación en un único reactor
(2CO / CO₂ + 6H₂ → CH₃OCH₃ + 3H₂O).

La síntesis directa de DME permite aumentar los niveles de conversión por etapa hasta el 19%, lo que supone reducciones significativas de los costes de inversión y de los costes operativos de producción de DME. Según las estimaciones, los costes de producción de DME mediante síntesis directa se reducen en un 20-30% en comparación con el proceso convencional de conversión en dos etapas. Para llevar a cabo la ruta de síntesis directa de DME, se necesita un sistema catalítico híbrido bifuncional de alta eficiencia. El catalizador requerido debe aportar la funcionalidad de hidrogenación de CO / CO2 para la síntesis del metanol y las funcionalidades ácidas que favorecen la deshidratación del metanol. (véase Millán et al. 2020)

Síntesis de catalizadores altamente reactivos para la conversión a DME mediante ultrasonidos de potencia

La reactividad y la selectividad de los catalizadores para la conversión a dimetil éter pueden mejorarse significativamente mediante tratamiento ultrasónico. Las zeolitas, como las zeolitas ácidas (p. ej., la zeolita de aluminosilicato HZSM-5) y las zeolitas decoradas (p. ej., con CuO/ZnO/Al₂O₃), son los principales catalizadores utilizados con éxito para la producción de DME.

La cloración y la fluoración de las zeolitas son métodos eficaces para ajustar la acidez catalítica. En el estudio del equipo de investigación de Aboul-Fotouh, los catalizadores de zeolita clorados y fluorados se prepararon mediante la impregnación de zeolitas (H-ZSM-5, H-MOR o H-Y) utilizando dos precursores halogenados (cloruro de amonio y fluoruro de amonio). Se evaluó la influencia de la irradiación ultrasónica para optimizar ambos precursores halogenados para la producción de dimetil éter (DME) mediante la deshidratación del metanol en un reactor de lecho fijo. El ensayo comparativo de catálisis de DME reveló que los catalizadores de zeolita halogenados preparados bajo irradiación ultrasónica presentan un mayor rendimiento en la formación de DME. (Aboul-Fotouh et al., 2016)
En otro estudio, el equipo de investigación analizó todas las variables importantes de la ultrasonicación durante la deshidratación del metanol sobre catalizadores de zeolita H-MOR para producir dimetil éter. Para sus experimentos de sonicación, el equipo de investigación utilizó el ultrasonicador de sonda Hielscher UP50H. Las imágenes obtenidas mediante microscopía electrónica de barrido (SEM) de la zeolita H-MOR sonicada (zeolita mordenita) demostraron que el metanol por sí solo, utilizado como medio de ultrasonicación, proporciona los mejores resultados en cuanto a la homogeneidad del tamaño de las partículas, en comparación con el catalizador sin tratar, en el que aparecieron grandes aglomerados y agrupaciones no homogéneas. Estos hallazgos confirmaron que la ultrasonicación tiene un profundo efecto sobre la resolución de la celda unitaria y, por tanto, sobre el comportamiento catalítico de la deshidratación del metanol a dimetil éter (DME). El análisis NH3-TPD muestra que la irradiación ultrasónica ha aumentado la acidez del catalizador H-MOR y, por consiguiente, su rendimiento catalítico en la formación de DME. (Aboul-Gheit et al., 2014)

Casi todo el DME comercial se produce mediante la deshidratación del metanol utilizando distintos catalizadores ácidos sólidos, como zeolitas, sílice–alúmina, alúmina, Al₂O₃–B₂O₃, etc., según la siguiente reacción:
2CH₃OH <—> CH₃OCH₃ +H₂O(-22,6k jmol^-1)

Koshbin and Haghighi (2013) prepararon nanocatalizadores de CuO–ZnO–Al₂O₃/HZSM-5 mediante un método combinado de coprecipitación y ultrasonidos. El equipo de investigación constató «que el uso de energía ultrasónica tiene una gran influencia en la dispersión de la función de hidrogenación de CO y, por consiguiente, en el rendimiento de la síntesis de DME. La durabilidad del nanocatalizador sintetizado con asistencia ultrasónica se investigó durante la reacción de conversión de gas de síntesis a DME. El nanocatalizador pierde una actividad insignificante durante la reacción debido a la formación de coque sobre las especies de cobre». [Khoshbin and Haghighi, 2013.]

Un nanocatalizador alternativo no zeolítico, que también es muy eficaz para favorecer la conversión a DME, es un catalizador de γ-alúmina porosa de tamaño nanométrico. La γ-alúmina porosa de tamaño nanométrico se sintetizó con éxito mediante precipitación con mezclado ultrasónico. El tratamiento sonoquímico favorece la síntesis de nanopartículas. (véase Rahmanpour et al., 2012)

¿Por qué son superiores los nanocatalizadores preparados mediante ultrasonidos?

La producción de catalizadores heterogéneos suele requerir materiales de alto valor añadido, como los metales preciosos. Esto encarece los catalizadores y, por tanto, la mejora de su eficiencia y la prolongación de su ciclo de vida son factores económicos importantes. Entre los métodos de preparación de nanocatalizadores, la técnica sonoquímica se considera un método de alta eficiencia. La capacidad de los ultrasonidos para crear superficies altamente reactivas, mejorar el mezclado y aumentar la transferencia de masa la convierte en una técnica especialmente prometedora para explorar en la preparación y activación de catalizadores. Permite producir nanopartículas homogéneas y dispersas sin necesidad de instrumentos costosos ni condiciones extremas.
En varios estudios de investigación, los científicos llegan a la conclusión de que la preparación ultrasónica de catalizadores es el método más ventajoso para producir nanocatalizadores homogéneos. Entre los métodos de preparación de nanocatalizadores, la técnica sonoquímica se considera un método de alta eficiencia. La capacidad de la sonicación intensa para crear superficies altamente reactivas, mejorar el mezclado y aumentar la transferencia de masa la convierte en una técnica especialmente prometedora para explorar en la preparación y activación de catalizadores. Permite producir nanopartículas homogéneas y dispersas sin necesidad de instrumentos costosos ni condiciones extremas. (véase Koshbin and Haghighi, 2014)

Ultrasonicadores de alto rendimiento para la síntesis de catalizadores mesoporosos

Los equipos sonoquímicos para la síntesis de nanocatalizadores de alto rendimiento están disponibles en todos los tamaños –desde ultrasonicadores compactos de laboratorio hasta reactores ultrasónicos plenamente industriales–. Hielscher Ultrasonics diseña, fabrica y distribuye ultrasonicadores de alta potencia. Todos los sistemas ultrasónicos se fabrican en la sede de Teltow, Alemania, y desde allí se distribuyen a todo el mundo.
El sofisticado hardware y el software inteligente de los ultrasonicadores Hielscher están diseñados para garantizar un funcionamiento fiable, resultados reproducibles y facilidad de uso. Los ultrasonicadores Hielscher son robustos y fiables, lo que permite instalarlos y utilizarlos en condiciones de trabajo exigentes. Se puede acceder fácilmente a los ajustes de funcionamiento y configurarlos mediante un menú intuitivo, disponible a través de una pantalla táctil digital en color y del control remoto mediante navegador. Así, todas las condiciones de procesamiento, como la energía neta, la energía total, la amplitud, el tiempo, la presión y la temperatura, se registran automáticamente en una tarjeta SD integrada. Esto permite revisar y comparar ciclos de sonicación anteriores y optimizar la síntesis y la funcionalización de nanocatalizadores para alcanzar la máxima eficiencia.
Los sistemas Hielscher Ultrasonics se utilizan en todo el mundo en procesos de síntesis sonoquímica y han demostrado su fiabilidad en la síntesis de nanocatalizadores de zeolita de alta calidad, así como de derivados de zeolita. Los ultrasonicadores industriales Hielscher pueden funcionar fácilmente con amplitudes altas en operación continua (24/7/365). Con sonotrodos estándar (sondas ultrasónicas / bocinas) se pueden generar fácilmente amplitudes de hasta 200 µm de forma continua. Para amplitudes aún mayores, se ofrecen sonotrodos ultrasónicos personalizados. Gracias a su robustez y a sus reducidas necesidades de mantenimiento, nuestros ultrasonicadores se instalan habitualmente en aplicaciones de trabajo intensivo y en entornos exigentes.
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Gracias a las ventajas del método de síntesis ultrasónica, su producción de nanocatalizadores mesoporosos destacará por su eficiencia, sencillez y bajo coste en comparación con otros procesos de síntesis de catalizadores.

La siguiente tabla ofrece una orientación sobre la capacidad de procesamiento aproximada de nuestros ultrasonicadores: