Katalüsaatorite ultraheli abil valmistamine dimetüüleetri (DME) konversiooniks

Dimetüüleeter (DME) on soodne alternatiivkütus, mida saab katalüüsi abil sünteesida metanoolist, CO₂ või sünteesgaasist. DME katalüütiliseks konversiooniks on vaja tõhusaid katalüsaatoreid. Nanomõõtmelised mesopoorsed katalüsaatorid, näiteks mesopoorsed happelised tseoliidid, dekoreeritud tseoliidid või nanomõõtmelised metallkatalüsaatorid, näiteks alumiinium või vask, võivad DME konversiooni märkimisväärselt parandada. Suure intensiivsusega ultraheli on parim meetod väga reaktiivsete nanokatalüsaatorite valmistamiseks. Lugege lähemalt, kuidas kasutada ultraheli töötlust (sonikeerimist) mikro- ja mesopoorsete katalüsaatorite tootmiseks, millel on suurepärane reaktiivsus ja selektiivsus!

Bifunktsionaalsed katalüsaatorid otseseks DME konversiooniks

Dimetüüleetri (DME) tootmine on väljakujunenud tööstuslik protsess, mis jaguneb kaheks etapiks: esiteks sünteesgaasi katalüütiline hüdrogeenimine metanooliks (CO / CO₂ + 3H₂ → CH₃OH + H₂HO) ja teiseks metanooli järgnev katalüütiline dehüdratsioon happeliste katalüsaatorite abil, et toota (2CH₃OH → CH₃OCH₃ + H₂O). Selle kaheetapilise DME sünteesi peamine piirang on seotud madala termodünaamikaga metanooli sünteesi etapis, mille tulemuseks on madal gaasi konversioon ühe läbimise kohta (15-25%). Seetõttu tekivad suured retsirkulatsioonisuhted ning suured kapitali- ja kasutuskulud.
Selle termodünaamilise piirangu ületamiseks on otsene DME süntees oluliselt soodsam: otsesel DME konversioonil on metanooli sünteesi etapp ühendatud dehüdratsiooni etapiga ühes reaktoris
(2CO / CO₂ + 6H₂ → CH₃OCH₃ + 3H₂O).

DME otsene süntees võimaldab suurendada konversioonitaset ühe etapi kohta kuni 19%-ni, mis tähendab märkimisväärset kulude vähenemist DME investeerimis- ja tootmiskulude osas. Hinnangute kohaselt vähenevad DME tootmiskulud otsesel sünteesil 20-30% võrreldes tavapärase kaheetapilise konversiooniprotsessiga. Otsese DME sünteesi tee kasutamiseks on vaja väga tõhusat hübriidset bifunktsionaalset katalüütilist süsteemi. Vajalik katalüsaator peab pakkuma CO / CO2 hüdrogeenimise funktsionaalsust metanooli sünteesiks ning happelisi funktsionaalsusi, mis soodustavad metanooli dehüdratsiooni. (vt Millán et al. 2020)

Väga reaktiivsete katalüsaatorite süntees DME konversiooniks võimsa ultraheli abil

Katalüsaatorite reaktiivsust ja selektiivsust dimetüüleetri konversiooniks saab ultraheliga töötlemise abil märkimisväärselt parandada. Tseoliidid, näiteks happelised tseoliidid (nt alumiiniumsilikaattseoliit HZSM-5) ja dekoreeritud tseoliidid (nt CuO/ZnO/Al₂O₃) on peamised katalüsaatorid, mida kasutatakse edukalt DME tootmisel.

Zeoliitide klooritamine ja fluorimine on tõhusad meetodid katalüütilise happesuse häälestamiseks. Klooritud ja fluoritud zeoliitkatalüsaatorid valmistati zeoliitide (H-ZSM-5, H-MOR või H-Y) immutamise teel, kasutades kahte halogeeni lähteainet (ammooniumkloriid ja ammooniumfluoriid), Aboul-Fotouhi uurimisrühma uuringus. Ultraheliga kiiritamise mõju hinnati mõlema halogeeni lähteaine optimeerimiseks dimetüüleetri (DME) tootmisel metanooli dehüdratsiooni teel fikseeritud kihiga reaktoris. Võrdlev DME katalüüsikatse näitas, et ultraheliga kiiritades valmistatud halogeenitud zeoliitkatalüsaatorid on DME moodustumisel jõudluselt paremad. (Aboul-Fotouh et al., 2016)
Teises uuringus uuris uurimisrühm kõiki olulisi ultraheli töötluse muutujaid, mis tekivad metanooli dehüdratsiooni läbiviimisel H-MOR zeoliitkatalüsaatoritel dimetüüleetri tootmiseks. Oma sonikeerimiskatsetes kasutas uurimisrühm seadet Hielscher UP50H sondtüüpi ultrahelihomogenisaatorit. Sonikeeritud H-MOR zeoliidi (mordeniitzeoliidi) skaneeriva elektronmikroskoobi (SEM) pildid selgitasid, et ainuüksi metanool ultraheli töötluse keskkonnana annab osakeste suuruse homogeensuse osas parimad tulemused võrreldes töötlemata katalüsaatoriga, kus ilmnesid suured aglomeraadid ja ebahomogeensed klastrid. Need tulemused kinnitasid, et ultraheli töötlusel on sügav mõju elementaarraku eraldusvõimele ja seega ka metanooli dehüdratsiooni katalüütilisele käitumisele dimetüüleetriks (DME). NH3-TPD näitab, et ultraheliga kiiritamine on suurendanud H-MOR katalüsaatori happesust ja seega ka selle katalüütilist jõudlust DME moodustumisel. (Aboul-Gheit et al., 2014)

Peaaegu kogu kommertsiaalne DME toodetakse metanooli dehüdratsiooni teel, kasutades erinevaid tahkeid happekatalüsaatoreid, nagu zeoliidid, ränidioksiid–alumiiniumoksiid, alumiiniumoksiid, Al₂O₃–B₂O₃, jne, järgmise reaktsiooni kohaselt:
2CH₃OH <—> CH₃OCH₃ +H₂O(-22,6k jmol^-1)

Koshbin ja Haghighi (2013) valmistasid CuO–ZnO–Al₂O₃/HZSM-5 nanokatalüsaatoreid kombineeritud kaassadestamise–ultraheli meetodil. Uurimisrühm leidis, et „ultraheli energia kasutamisel on suur mõju CO hüdrogeenimisfunktsiooni dispersioonile ja seeläbi DME sünteesi jõudlusele. Ultraheli abil sünteesitud nanokatalüsaatori vastupidavust uuriti süngaasi DME-ks muundamise reaktsiooni käigus. Nanokatalüsaatori aktiivsus väheneb reaktsiooni käigus tühiselt vaskkomponentide koksistumise tõttu.” [Khoshbin and Haghighi, 2013.]

Alternatiivne mitte-zeoliitne nanokatalüsaator, mis on samuti väga tõhus DME konversiooni soodustamisel, on nanosuuruses poorne γ-alumiiniumoksiidkatalüsaator. Nanosuuruses poorne γ-alumiiniumoksiid sünteesiti edukalt sadestamise teel ultraheliga segamise tingimustes. Sonokeemiline töötlus soodustab nanoosakeste sünteesi. (vrd Rahmanpour et al., 2012)

Miks on ultraheliga valmistatud nanokatalüsaatorid paremad?

Heterogeensete katalüsaatorite tootmiseks on sageli vaja suure lisandväärtusega materjale, näiteks väärismetalle. See muudab katalüsaatorid kalliks ning seetõttu on katalüsaatorite efektiivsuse tõstmine ja eluea pikendamine olulised majanduslikud tegurid. Nanokatalüsaatorite valmistamismeetodite seas peetakse sonokeemilist tehnikat väga tõhusaks meetodiks. Ultraheli võime luua väga reaktiivseid pindu, parandada segunemist ja suurendada massiülekannet teeb sellest eriti paljutõotava tehnika katalüsaatorite valmistamise ja aktiveerimise uurimiseks. Sellega saab toota homogeenseid ja dispergeeritud nanoosakesi ilma kalleid seadmeid ja äärmuslikke tingimusi vajamata.
Mitmes uuringus jõuavad teadlased järeldusele, et ultraheli abil katalüsaatorite valmistamine on homogeensete nanokatalüsaatorite tootmiseks kõige kasulikum meetod. Nanokatalüsaatorite valmistamismeetodite seas peetakse sonokeemilist tehnikat väga tõhusaks meetodiks. Intensiivse ultraheli töötluse (sonikeerimise) võime luua väga reaktiivseid pindu, parandada segunemist ja suurendada massiülekannet teeb sellest eriti paljutõotava tehnika katalüsaatorite valmistamise ja aktiveerimise uurimiseks. Sellega saab toota homogeenseid ja dispergeeritud nanoosakesi ilma kalleid seadmeid ja äärmuslikke tingimusi vajamata. (vrd Koshbin ja Haghighi, 2014)

Suure jõudlusega ultraheliseadmed mesopoorsete katalüsaatorite sünteesiks

Sonokeemiline varustus suure jõudlusega nanokatalüsaatorite sünteesiks on hõlpsasti kättesaadav igas suuruses – kompaktsetest laboriseadmetest täismahus tööstuslike ultraheli reaktoriteni. Hielscher Ultrasonics projekteerib, valmistab ja turustab suure võimsusega ultraheliseadmeid. Kõik ultraheli süsteemid valmistatakse peakontoris Teltowis Saksamaal ning turustatakse sealt üle kogu maailma.
Hielscheri ultraheli seadmete keerukas riistvara ja nutikas tarkvara on loodud tagama töökindla toimimise, reprodutseeritavad tulemused ning kasutajasõbralikkuse. Hielscheri ultraheli seadmed on töökindlad ja vastupidavad, mistõttu neid saab paigaldada ja kasutada rasketes töötingimustes. Töösätetele pääseb hõlpsasti ligi ja neid saab seadistada intuitiivse menüü kaudu, mida saab kasutada digitaalse värvilise puuteekraani ja brauseri kaugjuhtimise kaudu. Seetõttu salvestatakse kõik töötlustingimused, nagu netoenergia, koguenergia, amplituud, aeg, rõhk ja temperatuur, automaatselt sisseehitatud SD-kaardile. See võimaldab teil üle vaadata ja võrrelda varasemaid ultraheli töötluse (sonikeerimise) käike ning optimeerida nanokatalüsaatorite sünteesi ja funktsionaliseerimist kõrgeima efektiivsuseni.
Hielscher Ultrasonicsi süsteeme kasutatakse kogu maailmas sonokeemilistes sünteesiprotsessides ja need on osutunud töökindlaks kvaliteetsete tseoliitsete nanokatalüsaatorite ning tseoliidi derivaatide sünteesil. Hielscheri tööstuslikud ultraheli seadmed suudavad hõlpsasti töötada suurte amplituudidega pidevas töörežiimis (24/7/365). Standardsete sonotroodidega (ultraheli sondid / hornid) saab hõlpsasti ja pidevalt tekitada kuni 200µm amplituude. Veelgi suuremate amplituudide jaoks on saadaval kohandatud ultraheli sonotroodid. Tänu oma vastupidavusele ja väikesele hooldusvajadusele paigaldatakse meie ultraheli seadmeid sageli rasketesse rakendustesse ja nõudlikesse keskkondadesse.
Hielscheri ultraheli protsessorid sonokeemiliseks sünteesiks, funktsionaliseerimiseks, nanostruktureerimiseks ja deagglomeratsiooniks on juba paigaldatud kogu maailmas tööstuslikus mastaabis. Võtke meiega kohe ühendust, et arutada oma nanokatalüsaatorite tootmisprotsessi! Meie kogenud töötajad jagavad hea meelega lisateavet sonokeemilise sünteesitee, ultraheli süsteemide ja hindade kohta!
Ultraheli sünteesimeetodi eelise tõttu on teie mesopoorsete nanokatalüsaatorite tootmine teiste katalüsaatorite sünteesiprotsessidega võrreldes tõhusam, lihtsam ja odavam!

Alljärgnev tabel annab ülevaate meie ultraheli seadmete ligikaudsest töötlusvõimsusest: