Katalüsaatorite ultraheli ettevalmistamine dimetüüleetri (DME) muundamiseks

Dimetüüleeter (DME) on soodne alternatiivkütus, mida saab sünteesida metanoolist, CO₂ või sünteesigaas katalüüsi teel. Katalüütiliseks muundamiseks DME-ks on vaja tugevaid katalüsaatoreid. Nanosuuruses mesopoorsed katalüsaatorid, nagu mesopoorsed happelised tseoliidid, kaunistatud tseoliidid või nanosuuruses metallkatalüsaatorid, nagu alumiinium või vask, võivad DME muundamist märkimisväärselt parandada. Suure intensiivsusega ultraheli on suurepärane tehnika väga reaktiivsete nanokatalüsaatorite valmistamiseks. Lisateave selle kohta, kuidas kasutada ultraheli suurepärase reaktiivsuse ja selektiivsusega mikro- ja mesopoorsete katalüsaatorite tootmiseks!

Bifunktsionaalsed katalüsaatorid otseseks DME muundamiseks

Dimetüüleetri (DME) tootmine on väljakujunenud tööstusprotsess, mis jaguneb kaheks etapiks: esiteks sünteesigaasi katalüütiline hüdrogeenimine metanooliks (CO / CO₂ + 3H₂ → CH₃OH + H₂HO) ja teiseks metanooli järgnev katalüütiline dehüdratsioon happekatalüsaatorite kohal (2CH₃OH → CH₃OCH₃ + H₂O). Selle kaheastmelise DME sünteesi peamine piirang on seotud madala termodünaamikaga metanooli sünteesi faasis, mille tulemuseks on madal gaasi muundamine läbipääsu kohta (15-25%). Sellega kaasnevad kõrged retsirkulatsioonimäärad ning suured kapitali- ja tegevuskulud.
Selle termodünaamilise piirangu ületamiseks on otsene DME süntees oluliselt soodsam: otsese DME muundamise korral ühendatakse metanooli sünteesi etapp dehüdratsioonietapiga ühes reaktoris
(2CO / CO₂ + 6H₂ → CH₃OCH₃ + 3H₂O).

Nano-katalüsaatorid, nagu funktsionaliseeritud tseoliidid, sünteesitakse edukalt ultrahelitöötluse all. Funktsionaliseeritud nanostruktuursed happelised tseoliidid, mis on sünteesitud sonokeemilistes tingimustes, annavad dimetüüleetri (DME) muundamiseks kõrgemad määrad.

Ultrasonikaator UIP2000hdT (2kW) läbivoolureaktoriga on tavaliselt kasutatav seadistus mesopoorsete nanokatalüsaatorite (nt kaunistatud tseoliidide) sonokeemiliseks sünteesiks.

DME otsene süntees võimaldab suurendada muundamise taset etapi kohta kuni 19%, mis tähendab märkimisväärset kulude vähendamist seoses DME investeerimis- ja tootmiskuludega. Hinnangute põhjal vähenevad DME tootmiskulud otseses sünteesis 20-30% võrreldes tavapärase kaheastmelise muundamisprotsessiga. Otsese DME sünteesiraja käitamiseks on vaja ülitõhusat hübriidset bifunktsionaalset katalüütilist süsteemi. Nõutav katalüsaator peab pakkuma CO / CO2 hüdrogeenimise funktsionaalsust metanooli sünteesiks ja happelisi funktsioone, mis aitavad metanooli dehüdratsiooni. (vrd Millán et al. 2020)

Dimetüüleetri (DME) otsene süntees nõuab väga reaktiivseid bifunktsionaalseid katalüsaatoreid. Ultraheli katalüsaatori süntees võimaldab luua väga tõhusaid nano-struktureeritud mesopoorseid katalüsaatoreid, nagu funktsionaliseeritud happelised tseoliidid paremate katalüütiliste reaktsioonide väljundite jaoks.

Dimetüüleetri (DME) otsene süntees sünteesigaasist bifunktsionaalsel katalüsaatoril.
© ( Millán et al. 2020)

Väga reaktiivsete katalüsaatorite süntees DME muundamiseks Power-Ultrasound abil

Dimetüüleetri muundamise katalüsaatorite reaktiivsust ja selektiivsust saab ultraheliravi abil oluliselt parandada. Tseoliidid nagu happelised tseoliidid (nt alumiinosilikaattseoliit HZSM-5) ja kaunistatud tseoliidid (nt CuO/ZnO/Al-ga₂O₃) on peamised katalüsaatorid, mida kasutatakse edukalt DME tootmiseks.

Ultraheli kaassadestamine võimaldab toota väga tõhusaid CuO-ZnO-Al2O3 / HZSM-5 nano-katalüsaatoreid

CuO-ZnO-Al2O3 / HZSM-5 hübriidne koossadestamine-ultrahelisüntees, mida kasutatakse sünteesigaasi otseses konvergeerimisel dimetüüleetriks rohelise kütusena.
Uuring ja pilt: Khoshbin ja Haghighi, 2013.]

Tseoliitide kloorimine ja fluorimine on tõhusad meetodid katalüütilise happesuse häälestamiseks. Klooritud ja fluoritud tseoliidi katalüsaatorid valmistati tseoliitide (H-ZSM-5, H-MOR või H-Y) immutamisel, kasutades kahte halogeeni prekursorit (ammooniumkloriid ja ammooniumfluoriid) Aboul-Fotouh uurimisrühma uuringus. Ultraheli kiirituse mõju hinnati mõlema halogeeni prekursorite optimeerimiseks dimetüüleetri (DME) tootmiseks metanooli dehüdratsiooni kaudu fikseeritud voodiga reaktoris. Võrdlev DME katalüüsi uuring näitas, et ultraheli kiiritamisel valmistatud halogeenitud tseoliidi katalüsaatorid näitavad DME moodustumisel suuremat jõudlust. (Aboul-Fotouh jt, 2016)
Teises uuringus uuris uurimisrühm kõiki olulisi ultraheli muutujaid, mis tekkisid metanooli dehüdratsiooni läbiviimisel H-MOR tseoliidi katalüsaatoritel dimetüüleetri tootmiseks. Ultrahelitöötluse jaoks kasutas uurimisrühm Hielscher UP50H sondi tüüpi ultrasonikaator. Ultraheliga töödeldud H-MOR-tseoliidi (Mordeniit tseoliit) skaneeriv elektronmikroskoobi (SEM) pildistamine on selgitanud, et metanool, mida iseenesest kasutatakse ultraheliuuringu söötmena, annab parimad tulemused osakeste suuruste homogeensuse kohta võrreldes töötlemata katalüsaatoriga, kus ilmusid suured aglomeraadid ja mittehomogeensed klastrid. Need leiud kinnitasid, et ultrahelil on sügav mõju ühikrakkude eraldusvõimele ja seega metanooli dehüdratsiooni katalüütilisele käitumisele dimetüüleetrile (DME). NH3-TPD näitab, et ultraheli kiiritus on suurendanud H-MOR katalüsaatori happesust ja seega on see katalüütiline jõudlus DME moodustamiseks. (Aboul-Gheit jt, 2014)

H-MOR (mordeniittseoliidi) katalüsaatori ultraheliuuring andis DME muundamiseks väga reaktiivse nano-katalüsaatori.

Ultraheli H-MOR-i SEM, kasutades erinevaid meediume
Uuring ja pildid: ©Aboul-Gheit et al., 2014

Peaaegu kogu kaubanduslik DME toodetakse metanooli dehüdratsiooni teel, kasutades erinevaid tahke happe katalüsaatoreid, nagu tseoliidid, sillika-alumiiniumoksiid, alumiiniumoksiid, Al₂O₃–B₂O₃jne, järgides reaktsiooni:
2CH₃OH <—> CH₃OCH₃ +H₂O(-22.6k jmol^-1)

Koshbin ja Haghighi (2013) valmistasid ette CuO–ZnO–Al₂O₃/HZSM-5 nanokatalüsaatorid kombineeritud sadestamise-ultraheli meetodil. Uurimisrühm leidis, et "ultraheli energia kasutamisel on suur mõju CO hüdrogeenimisfunktsiooni dispersioonile ja seega ka DME sünteesi jõudlusele. Ultraheli abil sünteesitud nanokatalüsaatori vastupidavust uuriti sünteesigaasi ja DME reaktsiooni ajal. Nanokatalüsaator kaotab reaktsiooni käigus tühise aktiivsuse, kuna vaskliikidel moodustub koks." [Khoshbin ja Haghighi, 2013.]

Ultraheli sadestunud gamma-Al2O3 nano-katalüsaator, mis näitab DME muundamisel suurt efektiivsust. Alternatiivne mitte-tseoliidi nanokatalüsaator, mis on samuti väga tõhus DME muundamise edendamisel, on nanosuuruses poorne γ-alumiiniumoksiidkatalüsaator. Nanosuuruses poorne γ-alumiiniumoksiid sünteesiti edukalt sadestamise teel ultraheli segamisel. Sonokeemiline töötlus soodustab nanoosakeste sünteesi. (vrd Rahmanpour et al., 2012)

Miks on ultraheliga valmistatud nano-katalüsaatorid paremad?

Heterogeensete katalüsaatorite tootmiseks on sageli vaja kõrge lisandväärtusega materjale, näiteks väärismetalle. See muudab katalüsaatorid kalliks ja seetõttu on katalüsaatorite tõhususe suurendamine ja elutsükli pikendamine olulised majanduslikud tegurid. Nanokatalüsaatorite valmistamismeetodite hulgas peetakse sonokemilist tehnikat väga tõhusaks meetodiks. Ultraheli võime luua väga reaktiivseid pindu, parandada segamist ja suurendada massitransporti muudab katalüsaatori ettevalmistamise ja aktiveerimise uurimiseks eriti paljutõotava tehnika. See võib toota homogeenseid ja hajutatud nanoosakesi, ilma et oleks vaja kalleid instrumente ja äärmuslikke tingimusi.
Mitmetes uuringutes jõuavad teadlased järeldusele, et ultraheli katalüsaatori ettevalmistamine on kõige soodsam meetod homogeensete nano-katalüsaatorite tootmiseks. Nanokatalüsaatorite valmistamismeetodite hulgas peetakse sonokemilist tehnikat väga tõhusaks meetodiks. Intensiivse ultrahelitöötluse võime luua väga reaktiivseid pindu, parandada segamist ja suurendada massitransporti muudab katalüsaatori ettevalmistamise ja aktiveerimise eriti paljutõotavaks tehnikaks. See võib toota homogeenseid ja hajutatud nanoosakesi, ilma et oleks vaja kalleid instrumente ja äärmuslikke tingimusi. (vrd Koshbin ja Haghighi, 2014)

Ultraheli katalüsaatori ettevalmistamine toob kaasa paremad mesopoorsed nanokatalüsaatorid dimetüüleetri (DME) muundamiseks

Sonokeemilise sünteesi tulemuseks on väga aktiivne nanostruktuurne CuO–ZnO–Al2O3/HZSM-5 katalüsaator.
Uuring ja pilt: Khoshbin ja Haghighi, 2013.

Suure võimsusega ultrasonikaatoreid, nagu UIP1000hdT, kasutatakse väga poorsete metallide ja mesopoorsete nano-katalüsaatorite nanostruktuuriks. (Suurendamiseks klõpsake!)

Akustilise kavitatsiooni mõju skemaatiline esitus metalliosakeste modifitseerimisele. Madala sulamistemperatuuriga metallid tsingina (Zn) oksüdeeruvad täielikult; kõrge sulamistemperatuuriga metallid, nagu nikkel (Ni) ja titaan (Ti), avaldavad ultrahelitöötluse ajal pinna modifitseerimist. Alumiinium (Al) ja magneesium (Mg) moodustavad mesopoorseid struktuure. Nobeli metallid on vastupidavad ultraheli kiiritusele, kuna need on oksüdatsiooni vastu. Metallide sulamistemperatuurid on määratletud Kelvini kraadides (K).

Suure jõudlusega ultrasonikaatorid mesopoorsete katalüsaatorite sünteesiks

Sonokeemilised seadmed suure jõudlusega nanokatalüsaatorite sünteesiks on kergesti kättesaadavad igas suuruses – kompaktsetest labori ultrasonikaatoritest kuni täielikult tööstuslike ultraheli reaktoriteni. Hielscher Ultrasonics projekteerib, toodab ja levitab suure võimsusega ultrasonikaatoreid. Kõik ultraheli süsteemid on valmistatud peakontoris Teltowis, Saksamaal ja levitatakse sealt üle kogu maailma.
Hielscheri ultrasonikaatoreid saab kaugjuhtida brauseri juhtimise kaudu. Sonikatsiooni parameetreid saab jälgida ja kohandada täpselt protsessi nõuetega. Hielscheri ultrasonikaatorite keerukas riistvara ja nutikas tarkvara on loodud usaldusväärse töö, reprodutseeritavate tulemuste ja kasutajasõbralikkuse tagamiseks. Hielscheri ultrasonikaatorid on tugevad ja usaldusväärsed, mis võimaldab paigaldada ja kasutada raskeveokite tingimustes. Tööseadetele pääseb hõlpsasti juurde ja neid saab valida intuitiivse menüü kaudu, millele pääseb juurde digitaalse värvilise puuteekraani ja brauseri kaugjuhtimispuldi kaudu. Seetõttu salvestatakse kõik töötlemistingimused, nagu netoenergia, koguenergia, amplituud, aeg, rõhk ja temperatuur, automaatselt sisseehitatud SD-kaardile. See võimaldab teil vaadata ja võrrelda varasemaid ultrahelitöötluse käike ning optimeerida nano-katalüsaatorite sünteesi ja funktsionaliseerimist kõrgeima efektiivsusega.
Hielscher Ultrasonics süsteeme kasutatakse kogu maailmas sonokeemiliste sünteesiprotsesside jaoks ja on tõestatud, et need on usaldusväärsed kvaliteetsete tseoliidi nano-katalüsaatorite ja tseoliidi derivaatide sünteesiks. Hielscheri tööstuslikud ultrasonikaatorid võivad pidevas töös kergesti käivitada kõrge amplituudiga (24/7/365). Amplituudid kuni 200 μm saab hõlpsasti pidevalt genereerida standardsete sonotroodidega (ultraheli sondid / sarved). Veelgi suuremate amplituudide jaoks on saadaval kohandatud ultraheli sonotroodid. Tänu oma vastupidavusele ja madalale hooldusele paigaldatakse meie ultrasonikaatorid tavaliselt raskeveokite rakenduste jaoks ja nõudlikes keskkondades.
Hielscheri ultraheli protsessorid sonokeemiliste sünteeside, funktsionaliseerimise, nano-struktureerimise ja deagglomeratsiooni jaoks on juba kaubanduslikul tasandil paigaldatud kogu maailmas. Võtke meiega kohe ühendust, et arutada oma nanokatalüsaatorite tootmisprotsessi! Meie kogenud töötajad jagavad hea meelega rohkem teavet sonokeemilise sünteesi raja, ultraheli süsteemide ja hinnakujunduse kohta!
Ultraheli sünteesi meetodi eeliseks on teie mesopoorne nano-katalüsaatori tootmine teiste katalüsaatorite sünteesiprotsessidega võrreldes silmapaistev tõhususe, lihtsuse ja madalate kuludega!

Allolev tabel annab teile ülevaate meie ultrasonikaatorite ligikaudsest töötlemisvõimsusest:

Partii maht	Voolukiirus	Soovitatavad seadmed
1 kuni 500 ml	10 kuni 200 ml / min	UP100H
10 kuni 2000 ml	20 kuni 400 ml / min	UP200Ht, UP400St
0.1 kuni 20L	0.2 kuni 4L / min	UIP2000hdT
10 kuni 100L	2 kuni 10L/min	UIP4000hdT
mujal liigitamata	10 kuni 100 L / min	UIP16000
mujal liigitamata	Suurem	klaster UIP16000

Võta meiega ühendust! / Küsi meilt!

Metallide ja tseoliitide ultraheli nano-struktureerimine on väga tõhus meetod suure jõudlusega katalüsaatorite tootmiseks.

Dr Andreeva-Bäumler, Bayreuthi ülikool, teeb koostööd Ultrasonikaator UIP1000hdT metallide nanostruktuuri kohta, et saada paremaid katalüsaatoreid.

Ultraheli kõrge nihkega homogenisaatoreid kasutatakse laboris, pink-topis, piloot- ja tööstuslikus töötlemises.

Hielscher Ultrasonics toodab suure jõudlusega ultraheli homogenisaatoreid rakenduste segamiseks, hajutamiseks, emulgeerimiseks ja ekstraheerimiseks laboris, piloot- ja tööstuslikus mastaabis.

Seotud teemad

Kirjandus / Viited

Ahmed, K.; Sameh, M.; Laila, I.; Naghmash, Mona (2014): Ultrasonication of H-MOR zeolite catalysts for dimethylether (DME) production as a clean fuel. Journal of Petroleum Technology and Alternative Fuels 5, 2014. 13-25.
Reza Khoshbin, Mohammad Haghighi (2013): Direct syngas to DME as a clean fuel: The beneficial use of ultrasound for the preparation of CuO–ZnO–Al2O3/HZSM-5 nanocatalyst. Chemical Engineering Research and Design, Volume 91, Issue 6, 2013. 1111-1122.
Kolesnikova, E.E., Obukhova, T.K., Kolesnichenko, N.V. et al. (2018): Ultrasound-Assisted Modification of Zeolite Catalyst for Dimethyl Ether Conversion to Olefins with Magnesium Compounds. Pet. Chem. 58, 2018. 863–868.
Reza Khoshbin, Mohammad Haghighi (2014): Direct Conversion of Syngas to Dimethyl Ether as a Green Fuel over Ultrasound- Assisted Synthesized CuO-ZnO-Al2O3/HZSM-5 Nanocatalyst: Effect of Active Phase Ratio on Physicochemical and Catalytic Properties at Different Process Conditions. Catalysis Science & Technology, Volume 6, 2014.
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2014/cy/c3cy01089a
Sameh M.K. Aboul-Fotouh, Laila I. Ali, Mona A. Naghmash, Noha A.K. Aboul-Gheit (2017): Effect of the Si/Al ratio of HZSM-5 zeolite on the production of dimethyl ether before and after ultrasonication. Journal of Fuel Chemistry and Technology, Volume 45, Issue 5, 2017. 581-588.
Rahmanpour, Omid; Shariati, Ahmad; Khosravi-Nikou, Mohammad Reza (2012): New Method for Synthesis Nano Size γ-Al2O3 Catalyst for Dehydration of Methanol to Dimethyl Ether. International Journal of Chemical Engineering and Applications 2012. 125-128.
Millán, Elena; Mota, Noelia; Guil-Lopez, R.; Pawelec, Barbara; Fierro, José; Navarro, Rufino (2020): Direct Synthesis of Dimethyl Ether from Syngas on Bifunctional Hybrid Catalysts Based on Supported H3PW12O40 and Cu-ZnO(Al): Effect of Heteropolyacid Loading on Hybrid Structure and Catalytic Activity. Catalysts 10, 2020.
Suslick, Kenneth S.; Hyeon, Taeghwan; Fang, Mingming; Cichowlas, Andrzej A. (1995): Sonochemical synthesis of nanostructured catalysts. Materials Science and Engineering: A. Proceedings of the Symposium on Engineering of Nanostructured Materials. ScienceDirect 204 (1–2): 186–192.
Pavel V. Cherepanov, Daria V. Andreeva (2017): Phase structuring in metal alloys: Ultrasound-assisted top-down approach to engineering of nanostructured catalytic materials. Ultrasonics Sonochemistry 2017.
Sameh M.K. Aboul-Fotouh, Noha A.K. Aboul-Gheit, Mona A. Naghmash (2016): Dimethylether production on zeolite catalysts activated by Cl−, F− and/or ultrasonication. Journal of Fuel Chemistry and Technology, Volume 44, Issue 4, 2016. 428-436.

Faktid, mida tasub teada

Dimetüüleeter (DME) kütusena

Üks peamisi dimetüüleetri kavandatud kasutusviise on selle kasutamine propaani asendajana vedelgaasis (vedel propaangaas), mida kasutatakse sõidukite kütusena kodumajapidamistes ja tööstuses. Propaaniautogaasis võib dimetüüleetrit kasutada ka seguna.
Lisaks on DME ka paljulubav kütus diiselmootoritele ja gaasiturbiinidele. Diiselmootorite puhul on kõrge tsetaaniarv 55, võrreldes naftast toodetud diislikütusega, mille tsetaaniarv on 40–53, väga kasulik. Dimetüüleetri põletamiseks on vaja ainult mõõdukaid modifikatsioone. Selle lühikese süsinikuahelaga ühendi lihtsus viib põlemisel väga väikeste tahkete osakeste heitkogusteni. Nendel põhjustel vastab dimetüüleeter lisaks väävlivabale ka kõige rangematele heitmeeeskirjadele Euroopas (EURO5), USA-s (USA 2010) ja Jaapanis (2009 Jaapan).

High performance ultrasonics! Hielscher's product range covers the full spectrum from the compact lab ultrasonicator over bench-top units to full-industrial ultrasonic systems.

Hielscher Ultrasonics toodab suure jõudlusega ultraheli homogenisaatoreid alates Lab kuni tööstuslik suurus.