Katalyyttien valmistus ultraäänellä dimetyylieetterin (DME) konversiota varten

Dimetyylieetteri (DME) on edullinen vaihtoehtoinen polttoaine, jota voidaan syntetisoida katalyyttisesti seuraavista lähtöaineista: metanoli, CO₂ tai synteesikaasu. Katalyyttinen konversio DME:ksi edellyttää tehokkaita katalyyttejä. Nanokokoiset mesohuokoiset katalyytit, kuten mesohuokoiset happamat zeoliitit, pintamuokatut zeoliitit tai nanokokoiset metallikatalyytit, kuten alumiini tai kupari, voivat parantaa DME-konversiota merkittävästi. Voimakas ultraääni on ylivoimainen tekniikka erittäin reaktiivisten nanokatalyyttien valmistukseen. Lue lisää siitä, miten ultraäänikäsittelyä voidaan käyttää mikro- ja mesohuokoisten katalyyttien valmistukseen, kun tavoitteena ovat erinomainen reaktiivisuus ja selektiivisyys!

Kaksitoimiset katalyytit suoraan DME-konversioon

Dimetyylieetterin (DME) tuotanto on vakiintunut teollinen prosessi, joka jakautuu kahteen vaiheeseen: ensin synteesikaasun katalyyttiseen hydraukseen metanoliksi (CO / CO₂ + 3H₂ → CH₃OH + H₂HO) ja toiseksi sitä seuraavaan metanolin katalyyttiseen dehydraatioon happamilla katalyyteillä tuottamiseksi (2CH₃OH → CH₃OCH₃ + H₂O). Tämän kaksivaiheisen DME-synteesin keskeinen rajoitus liittyy metanolisynteesivaiheen vähäiseen termodynamiikkaan, mikä johtaa pieneen kaasun konversioon yhdellä läpimenolla (15–25%). Tästä aiheutuu suuria kierrätyssuhteita sekä suuria investointi- ja käyttökustannuksia.
Tämän termodynaamisen rajoituksen voittamiseksi suora DME-synteesi on huomattavasti edullisempi: suorassa DME-konversiossa metanolin synteesivaihe yhdistetään dehydraatiovaiheeseen samassa reaktorissa
(2CO / CO₂ + 6H₂ → CH₃OCH₃ + 3H₂O).

DME:n suora synteesi mahdollistaa vaihekohtaisen konversioasteen kasvattamisen jopa 19%:iin, mikä merkitsee huomattavia vähennyksiä DME:n tuotannon investointi- ja käyttökustannuksiin. Arvioiden mukaan DME:n tuotantokustannukset alenevat suorassa synteesissä 20–30% tavanomaiseen kaksivaiheiseen konversioprosessiin verrattuna. Suoran DME-synteesireitin käyttö edellyttää erittäin tehokasta kaksitoimista hybridikatalyyttijärjestelmää. Tarvittavan katalyytin on mahdollistettava CO / CO2:n hydraus metanolisynteesiä varten sekä tarjottava happamia toiminnallisuuksia, jotka edistävät metanolin dehydraatiota. (vrt. Millán et al. 2020)

Erittäin reaktiivisten katalyyttien synteesi DME-konversiota varten teho-ultraäänellä

Dimetyylieetterin konversiossa käytettävien katalyyttien reaktiivisuutta ja selektiivisyyttä voidaan parantaa merkittävästi ultraäänikäsittelyllä. Zeoliitit, kuten happamat zeoliitit (esim. alumiinisilikaattizeoliitti HZSM-5) ja pintamuokatut zeoliitit (esim. CuO/ZnO/Al₂O₃-yhdisteellä), ovat tärkeimpiä DME:n tuotannossa menestyksekkäästi käytettyjä katalyyttejä.

Zeoliittien klooraus ja fluoraus ovat tehokkaita menetelmiä katalyyttisen happamuuden säätämiseen. Aboul-Fotouhin tutkimusryhmän tutkimuksessa klooratut ja fluoratut zeoliittikatalyytit valmistettiin impregnoimalla zeoliitteja (H-ZSM-5, H-MOR tai H-Y) kahdella halogeeniprekursorilla (ammoniumkloridilla ja ammoniumfluoridilla). Ultraäänisäteilytyksen vaikutusta arvioitiin molempien halogeeniprekursorien optimoimiseksi dimetyylieetterin (DME) tuotantoon metanolin dehydraatiolla kiintopetireaktorissa. Vertaileva DME-katalyysikoe osoitti, että ultraäänisäteilytyksen aikana valmistetut halogenoidut zeoliittikatalyytit toimivat tehokkaammin DME:n muodostuksessa. (Aboul-Fotouh et al., 2016)
Toisessa tutkimuksessa tutkimusryhmä selvitti kaikkia tärkeitä ultraäänikäsittelyn muuttujia, joita esiintyi metanolin dehydraatiossa H-MOR-zeoliittikatalyyteillä dimetyylieetterin tuottamiseksi. Ultraäänikäsittelykokeissaan tutkimusryhmä käytti Hielscher UP50H -sondiultraäänilaitetta. Ultraäänikäsitellyn H-MOR-zeoliitin (mordeniittizeoliitin) pyyhkäisyelektronimikroskooppikuvat (SEM) osoittivat, että pelkkä metanoli ultraäänikäsittelyn väliaineena antaa parhaat tulokset hiukkaskokojen tasalaatuisuudessa verrattuna käsittelemättömään katalyyttiin, jossa esiintyi suuria agglomeraatteja ja epähomogeenisia ryppäitä. Nämä havainnot vahvistivat, että ultraäänikäsittelyllä on syvällinen vaikutus alkeiskopin resoluutioon ja siten katalyyttiseen käyttäytymiseen metanolin dehydraatiossa dimetyylieetteriksi (DME). NH3-TPD osoittaa, että ultraäänisäteilytys on lisännyt H-MOR-katalyytin happamuutta ja siten sen katalyyttistä suorituskykyä DME:n muodostuksessa. (Aboul-Gheit et al., 2014)

Lähes kaikki kaupallinen DME tuotetaan metanolin dehydraatiolla käyttäen erilaisia kiinteitä happokatalyyttejä, kuten zeoliitteja, piidioksidi–alumiinioksidia, alumiinioksidia, Al₂O₃–B₂O₃ jne., seuraavan reaktion mukaisesti:
2CH₃OH <—> CH₃OCH₃ +H₂O(-22,6k jmol^-1)

Koshbin and Haghighi (2013) valmistivat CuO–ZnO–Al₂O₃/HZSM-5-nanokatalyyttejä yhdistetyllä yhteissaostus–ultraäänimenetelmällä. Tutkimusryhmä havaitsi, ”että ultraäänienergian käytöllä on suuri vaikutus CO:n hydraustoiminnallisuuden dispergoitumiseen ja siten DME-synteesin suorituskykyyn. Ultraääniavusteisesti syntetisoidun nanokatalyytin kestävyyttä tutkittiin synteesikaasun muuntuessa DME:ksi. Nanokatalyytin aktiivisuus vähenee reaktion aikana vain merkityksettömän vähän kuparispesieksiin muodostuvan koksin vuoksi.” [Khoshbin and Haghighi, 2013.]

Vaihtoehtoinen zeoliititon nanokatalyytti, joka myös edistää DME-konversiota erittäin tehokkaasti, on nanokokoinen huokoinen γ-alumiinioksidikatalyytti. Nanokokoista huokoista γ-alumiinioksidia syntetisoitiin onnistuneesti saostamalla ultraäänisekoituksen aikana. Sonokemiallinen käsittely edistää nanohiukkasten synteesiä. (vrt. Rahmanpour et al., 2012)

Miksi ultraäänellä valmistetut nanokatalyytit ovat ylivoimaisia?

Heterogeenisten katalyyttien valmistukseen tarvitaan usein korkean lisäarvon materiaaleja, kuten jalometalleja. Tämä tekee katalyyteistä kalliita, joten niiden tehokkuuden parantaminen ja elinkaaren pidentäminen ovat tärkeitä taloudellisia tekijöitä. Nanokatalyyttien valmistusmenetelmistä sonokemiallista tekniikkaa pidetään erittäin tehokkaana menetelmänä. Ultraäänen kyky luoda erittäin reaktiivisia pintoja, parantaa sekoittumista ja lisätä aineensiirtoa tekee siitä erityisen lupaavan tekniikan tutkittavaksi katalyyttien valmistuksessa ja aktivoinnissa. Sen avulla voidaan tuottaa homogeenisia ja dispergoituneita nanohiukkasia ilman kalliita laitteita ja äärimmäisiä olosuhteita.
Useissa tutkimuksissa tutkijat ovat päätyneet siihen, että katalyyttien valmistus ultraäänellä on edullisin menetelmä homogeenisten nanokatalyyttien tuottamiseen. Nanokatalyyttien valmistusmenetelmistä sonokemiallista tekniikkaa pidetään erittäin tehokkaana menetelmänä. Voimakkaan ultraäänikäsittelyn kyky luoda erittäin reaktiivisia pintoja, parantaa sekoittumista ja lisätä aineensiirtoa tekee siitä erityisen lupaavan tekniikan tutkittavaksi katalyyttien valmistuksessa ja aktivoinnissa. Sen avulla voidaan tuottaa homogeenisia ja dispergoituneita nanohiukkasia ilman kalliita laitteita ja äärimmäisiä olosuhteita. (vrt. Koshbin and Haghighi, 2014)

Tehokkaat ultraäänilaitteet mesohuokoisten katalyyttien synteesiin

Sonokemiallisia laitteita tehokkaiden nanokatalyyttien synteesiin on helposti saatavilla kaikissa kokoluokissa – kompakteista laboratorion ultraäänilaitteista täyden teollisen mittakaavan ultraäänireaktoreihin. Hielscher Ultrasonics suunnittelee, valmistaa ja toimittaa suuritehoisia ultraäänilaitteita. Kaikki ultraäänijärjestelmät valmistetaan päätoimipaikassa Teltowissa, Saksassa, ja toimitetaan sieltä kaikkialle maailmaan.
Hielscher-ultraäänilaitteiden edistyksellinen laitteisto ja älykäs ohjelmisto on suunniteltu takaamaan luotettava toiminta, toistettavat tulokset ja käyttäjäystävällisyys. Hielscher-ultraäänilaitteet ovat kestäviä ja luotettavia, joten ne voidaan asentaa ja niitä voidaan käyttää vaativissa käyttöolosuhteissa. Käyttöasetuksia on helppo tarkastella ja säätää intuitiivisen valikon avulla, jota voi käyttää digitaalisen värikosketusnäytön ja selaimella tapahtuvan etäohjauksen kautta. Näin kaikki käsittelyolosuhteet, kuten nettoenergia, kokonaisenergia, amplitudi, aika, paine ja lämpötila, tallennetaan automaattisesti sisäänrakennetulle SD-kortille. Tämä mahdollistaa aiempien ultraäänikäsittelyajojen tarkastelun ja vertailun sekä nanokatalyyttien synteesin ja funktionalisoinnin optimoinnin mahdollisimman tehokkaiksi.
Hielscher Ultrasonics -järjestelmiä käytetään maailmanlaajuisesti sonokemiallisissa synteesiprosesseissa, ja ne ovat osoittautuneet luotettaviksi korkealaatuisten zeoliittinanokatalyyttien ja zeoliittijohdannaisten synteesissä. Hielscher-teollisuusultraäänilaitteet toimivat helposti suurilla amplitudeilla jatkuvassa käytössä (24/7/365). Jopa 200µm:n amplitudeja voidaan helposti tuottaa jatkuvasti vakiosonotrodeilla (ultraäänisondit / -torvet). Vielä suurempia amplitudeja varten on saatavilla räätälöityjä ultraäänisonotrodeja. Kestävyytensä ja vähäisen huoltotarpeensa ansiosta ultraäänilaitteitamme asennetaan yleisesti raskaaseen käyttöön ja vaativiin ympäristöihin.
Hielscher-ultraääniprosessoreita sonokemiallisiin synteeseihin, funktionalisointiin, nanorakenteistamiseen ja deagglomerointiin on jo asennettu kaupallisessa mittakaavassa kaikkialle maailmaan. Ota meihin yhteyttä nyt keskustellaksesi nanokatalyyttien valmistusprosessistasi! Kokenut henkilökuntamme antaa mielellään lisätietoja sonokemiallisesta synteesireitistä, ultraäänijärjestelmistä ja hinnoittelusta!
Ultraäänisynteesimenetelmän etujen ansiosta mesohuokoisten nanokatalyyttiesi tuotanto on tehokkuudeltaan, yksinkertaisuudeltaan ja alhaisilta kustannuksiltaan erinomaista muihin katalyyttien synteesiprosesseihin verrattuna!

Alla oleva taulukko antaa käsityksen ultraäänilaitteidemme likimääräisestä käsittelykapasiteetista: