Preparación por ultrasonidos de catalizadores para la conversión del éter dimetílico (DME)

El éter dimetílico (DME) es un combustible alternativo favorable que puede sintetizarse a partir de metanol, CO₂ o gas de síntesis mediante catálisis. Para la conversión catalítica en DME se necesitan catalizadores potentes. Los catalizadores mesoporosos de tamaño nanométrico, como las zeolitas ácidas mesoporosas, las zeolitas decoradas o los catalizadores metálicos de tamaño nanométrico, como el aluminio o el cobre, pueden mejorar significativamente la conversión de DME. Los ultrasonidos de alta intensidad son la técnica superior para la preparación de nanocatalizadores altamente reactivos. Obtenga más información sobre cómo utilizar la ultrasonicación para la producción de catalizadores micro y mesoporosos con una excelente reactividad y selectividad.

Catalizadores bifuncionales para la conversión directa del DME

La producción de dimetiléter (DME) es un proceso industrial bien establecido que se divide en dos etapas: en primer lugar, la hidrogenación catalítica del gas de síntesis en metanol (CO / CO₂ + 3H₂ → CH₃OH + H₂HO) y, en segundo lugar, una posterior deshidratación catalítica del metanol sobre catalizadores ácidos para producir (2CH₃OH → CH₃OCH₃ + H₂O). La principal limitación de esta síntesis de DME en dos pasos está relacionada con la baja termodinámica durante la fase de síntesis de metanol, que da lugar a una baja conversión de gas por pasada (15-25%). En consecuencia, se producen elevados ratios de recirculación, así como altos costes de capital y de explotación.
Para superar esta limitación termodinámica, la síntesis directa de DME es significativamente más favorable: En la conversión directa de DME, la etapa de síntesis de metanol se combina 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 paso, hasta un 19%, lo que supone importantes reducciones de costes en cuanto a la inversión y el coste operativo de producción de DME. Según las estimaciones, el coste de producción de DME en síntesis directa se reduce entre un 20 y un 30% en comparación con el proceso de conversión convencional en dos pasos. Para operar la vía de síntesis directa de DME, es necesario un sistema catalítico híbrido bifuncional altamente eficiente. El catalizador requerido debe ofrecer la funcionalidad para la hidrogenación CO / CO2 para la síntesis de metanol y las funcionalidades ácidas, que ayudan a la deshidratación del metanol. (cf. Millán et al. 2020)

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

La reactividad y selectividad de los catalizadores para la conversión de éter dimetílico pueden mejorarse significativamente mediante tratamiento ultrasónico. Las zeolitas, como las zeolitas ácidas (por ejemplo, la zeolita de aluminosilicato HZSM-5) y las zeolitas decoradas (por ejemplo, con CuO/ZnO/Al₂O₃) son los principales catalizadores que se utilizan con éxito para la producción de DME.

La cloración y la fluoración de zeolitas son métodos eficaces para afinar la acidez catalítica. 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 de halógenos (cloruro de amonio y fluoruro de amonio) en el estudio del equipo de investigación de Aboul-Fotouh. Se evaluó la influencia de la irradiación ultrasónica para optimizar ambos precursores halogenados para la producción de dimetiléter (DME) mediante la deshidratación de metanol en un reactor de lecho fijo. El ensayo comparativo de catálisis de DME reveló que los catalizadores de zeolita halogenada preparados bajo irradiación ultrasónica muestran un mayor rendimiento para la formación de DME. (Aboul-Fotouh et al., 2016)
En otro estudio, el equipo de investigación investigó todas las variables importantes de ultrasonicación encontradas durante la realización de la deshidratación de metanol en catalizadores de zeolita H-MOR para producir dimetiléter. Para sus eperimentos de sonicación, el equipo de investigación utilizó el Ultrasonidos con sonda Hielscher UP50H. Las imágenes de microscopio electrónico de barrido (SEM) de la zeolita H-MOR sonicada (zeolita Mordenite) han aclarado que el metanol por sí mismo utilizado como medio de ultrasonicación da los mejores resultados en cuanto a la homogeneidad del tamaño de las partículas en comparación con el catalizador no tratado, en el que aparecían grandes aglomerados y agrupaciones no homogéneas. Estos resultados certifican que la ultrasonicación tiene un profundo efecto en la resolución de la celda unitaria y, por tanto, en el comportamiento catalítico de la deshidratación de metanol a dimetil éter (DME). NH3-TPD muestra que la irradiación con ultrasonidos ha mejorado la acidez del catalizador H-MOR y, por tanto, su rendimiento catalítico para la formación de DME. (Aboul-Gheit et al., 2014)

Casi todo el DME comercial se produce por deshidratación del metanol utilizando diferentes catalizadores sólidos-ácidos como zeolitas, sílice-alúmina, alúmina, Al₂O₃-B₂O₃etc. mediante la siguiente reacción:
2CH₃OH <—> CH₃OCH₃ +H₂O(-22,6k jmol^-1)

Koshbin y Haghighi (2013) prepararon CuO-ZnO-Al₂O₃/HZSM-5 mediante un método combinado de coprecipitación y ultrasonidos. El equipo de investigación descubrió "que el empleo de energía ultrasónica tiene una gran influencia en la dispersión de la función de hidrogenación del CO y, en consecuencia, en el rendimiento de la síntesis del DME". Se investigó la durabilidad del nanocatalizador sintetizado con ultrasonidos durante la reacción de conversión de gas de síntesis en DME. El nanocatalizador pierde una actividad insignificante en el transcurso de la reacción debido a la formación de coque en las especies de cobre." [Khoshbin y Haghighi, 2013.]

Un nanocatalizador alternativo que no es de zeolita, pero que también es muy eficaz para promover la conversión de 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 mezcla ultrasónica. El tratamiento sonoquímico favorece la síntesis de nanopartículas. (cf. Rahmanpour et al., 2012)

¿Por qué son superiores los nanocatalizadores preparados por ultrasonidos?

Para la producción de catalizadores heterogéneos a menudo se requieren materiales de alto valor añadido, como metales preciosos. Esto hace que los catalizadores sean caros y, por tanto, la mejora de la eficiencia y la ampliación del ciclo de vida de los catalizadores son factores económicos importantes. Entre los métodos de preparación de nanocatalizadores, la técnica sonoquímica se considera un método muy eficaz. La capacidad de los ultrasonidos para crear superficies altamente reactivas, mejorar la mezcla y aumentar el transporte de masas la convierte en una técnica especialmente prometedora para la preparación y activación de catalizadores. Puede producir nanopartículas homogéneas y dispersas sin necesidad de instrumentos caros 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 la producción de nanocatalizadores homogéneos. Entre los métodos de preparación de nanocatalizadores, la técnica sonoquímica se considera un método muy eficaz. La capacidad de la sonicación intensa para crear superficies altamente reactivas, mejorar la mezcla y aumentar el transporte de masas la convierte en una técnica especialmente prometedora para explorar la preparación y activación de catalizadores. Puede producir nanopartículas homogéneas y dispersas sin necesidad de instrumentos caros ni condiciones extremas. (cf. Koshbin y Haghighi, 2014)

Ultrasonidos de alto rendimiento para la síntesis de catalizadores mesoporosos

Los equipos de sonoquímica para la síntesis de nanocatalizadores de alto rendimiento están disponibles en cualquier tamaño – desde ultrasonidos compactos de laboratorio hasta reactores de ultrasonidos totalmente industriales. Hielscher Ultrasonics diseña, fabrica y distribuye ultrasonidos de alta potencia. Todos los sistemas de ultrasonidos se fabrican en la sede central 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 de Hielscher son robustos y fiables, lo que permite su instalación y funcionamiento en condiciones de uso intensivo. Se puede acceder fácilmente a los ajustes operativos y marcarlos a través de un menú intuitivo, al que se puede acceder mediante una pantalla táctil digital en color y un mando a distancia con navegador. Por lo tanto, 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 procesos de sonicación anteriores y optimizar la síntesis y funcionalización de nanocatalizadores con la máxima eficacia.
Los sistemas de ultrasonidos de Hielscher se utilizan en todo el mundo para procesos de síntesis sonoquímica y han demostrado su fiabilidad para la síntesis de nanocatalizadores de zeolita de alta calidad, así como de derivados de zeolita. Los ultrasonidos industriales de Hielscher pueden trabajar fácilmente con amplitudes elevadas en funcionamiento continuo (24/7/365). Amplitudes de hasta 200µm pueden ser fácilmente generadas de forma continua con sonotrodos estándar (sondas ultrasónicas / bocinas). Para amplitudes aún mayores, se dispone de sonotrodos ultrasónicos personalizados. Debido a su robustez y bajo mantenimiento, nuestros ultrasonicadores se instalan habitualmente para aplicaciones de servicio pesado y en entornos exigentes.
Los procesadores ultrasónicos de Hielscher para síntesis sonoquímica, funcionalización, nanoestructuración y desaglomeración ya están instalados en todo el mundo a escala comercial. Póngase en contacto con nosotros para hablar de su proceso de fabricación de nanocatalizadores. Nuestro experimentado personal estará encantado de facilitarle más información sobre el proceso de síntesis sonoquímica, los sistemas ultrasónicos y los precios.
Con la ventaja del método de síntesis por ultrasonidos, su producción de nanocatalizadores mesoporosos destacará por su eficacia, sencillez y bajo coste en comparación con otros procesos de síntesis de catalizadores.

En la siguiente tabla encontrará algunas indicaciones sobre la capacidad de procesamiento aproximada de nuestros sonicadores: