Katalyyttien ultraäänivalmistus dimetyylieetterin (DME) muuntamiseen

Dimetyylieetteri (DME) on suotuisa vaihtoehtoinen polttoaine, jota voidaan syntetisoida metanolista, CO₂ tai synteesikaasua katalyysin kautta. Katalyyttiseen muuntamiseen DME:ksi tarvitaan voimakkaita katalyyttejä. Nanokokoiset mesohuokoiset katalyytit, kuten mesohuokoiset happamat zeoliitit, koristellut zeoliitit tai nanokokoiset metallikatalyytit, kuten alumiini tai kupari, voivat parantaa DME-konversiota merkittävästi. Korkean intensiteetin ultraääni on ylivoimainen tekniikka erittäin reaktiivisten nanokatalyyttien valmistamiseksi. Lue lisää siitä, miten ultrasonicationia käytetään mikro- ja mesohuokoisten katalyyttien tuotantoon, joilla on erinomainen reaktiivisuus ja selektiivisyys!

Bifunktionaaliset katalyytit suoraan DME-muunnokseen

Dimetyylieetterin (DME) tuotanto on vakiintunut teollinen prosessi, joka on jaettu kahteen vaiheeseen: ensinnäkin synteesikaasun katalyyttinen hydraus metanoliksi (CO / CO₂ + 3H₂ → CH₃OH + H₂HO) ja toiseksi metanolin katalyyttinen dehydratointi happokatalyyttien yli tuottamiseksi (2CH₃VOI → MVA₃OCH₃ + H₂O). Tämän kaksivaiheisen DME-synteesin suurin rajoitus liittyy alhaiseen termodynamiikkaan metanolisynteesin vaiheessa, mikä johtaa alhaiseen kaasun muuntumiseen kulkua kohti (15-25%). Näin ollen kierrätysaste on korkea sekä korkeat pääoma- ja käyttökustannukset.
Tämän termodynaamisen rajoituksen voittamiseksi suora DME-synteesi on huomattavasti edullisempi: Suorassa DME-konversiossa metanolisynteesivaihe yhdistetään dehydraatiovaiheeseen yhdessä reaktorissa
(2CO / CO₂ + 6H₂ → CH₃OCH₃ + 3H₂O).

DME:n suora synteesi mahdollistaa vaihekohtaisen muuntotason nostamisen jopa 19 prosenttiin, mikä tarkoittaa merkittäviä kustannussäästöjä DME:n investointi- ja tuotantokustannuksissa. Arvioiden mukaan DME:n tuotantokustannukset suorassa synteesissä pienenevät 20–30 % verrattuna perinteiseen kaksivaiheiseen muuntoprosessiin. Suoran DME-synteesireitin käyttämiseksi tarvitaan erittäin tehokas hybridi-bifunktionaalinen katalyyttijärjestelmä. Vaaditun katalyytin on tarjottava CO / CO2-hydrauksen toiminnallisuus metanolisynteesille ja happamat toiminnot, jotka auttavat metanolin kuivumista. (vrt. Millán ym. 2020)

Erittäin reaktiivisten katalyyttien synteesi DME-muuntamiseen teho-ultraäänellä

Dimetyylieetterin muuntamiseen tarkoitettujen katalyyttien reaktiivisuutta ja selektiivisyyttä voidaan parantaa merkittävästi ultraäänikäsittelyllä. Zeoliitit, kuten happamat zeoliitit (esim. alumiinisilikaattizeoliitti HZSM-5) ja koristellut zeoliitit (esim. CuO/ZnO/Al₂O₃) ovat tärkeimmät katalyytit, joita käytetään menestyksekkäästi DME:n tuotannossa.

Zeoliittien klooraus ja fluoraus ovat tehokkaita menetelmiä katalyyttisen happamuuden virittämiseksi. Klooratut ja fluoratut zeoliittikatalyytit valmistettiin kyllästämällä zeoliitteja (H-ZSM-5, H-MOR tai H-Y) käyttäen kahta halogeenin esiastetta (ammoniumkloridia ja ammoniumfluoridia) Aboul-Fotouhin tutkimusryhmän tutkimuksessa. Ultraäänisäteilytyksen vaikutusta arvioitiin molempien halogeenin esiasteiden optimoimiseksi dimetyylieetterin (DME) tuottamiseksi metanolidehydraation avulla kiinteän kerroksen reaktorissa. Vertaileva DME-katalyysitutkimus paljasti, että ultraäänisäteilytyksessä valmistetut halogenoidut zeoliittikatalyytit osoittavat parempaa suorituskykyä DME:n muodostumisessa. (Aboul-Fotouh et ai., 2016)
Toisessa tutkimuksessa tutkimusryhmä tutki kaikkia tärkeitä ultraäänimuuttujia, joita havaittiin metanolin dehydraation aikana H-MOR-zeoliittikatalyytteillä dimetyylieetterin tuottamiseksi. Tutkimusryhmä käytti sonikaatiokokemuksiinsa Hielscher UP50H -anturityyppinen ultraäänilaite. Sonikoidun H-MOR-zeoliitin (Mordeniittizeoliitti) pyyhkäisyelektronimikroskooppi (SEM) kuvantaminen on selventänyt, että metanoli itsessään käytetään ultraääniväliaineena antaa parhaat tulokset hiukkaskokojen homogeenisuudesta verrattuna käsittelemättömään katalyyttiin, jossa esiintyi suuria agglomeraatteja ja epähomogeenisia klustereita. Nämä havainnot vahvistivat, että ultrasonicationilla on syvä vaikutus yksikkösolujen resoluutioon ja siten metanolin dehydraation katalyyttiseen käyttäytymiseen dimetyylieetteriksi (DME). NH3-TPD osoittaa, että ultraäänisäteilytys on parantanut H-MOR-katalyytin happamuutta ja siten se on katalyyttinen suorituskyky DME: n muodostumiselle. (Aboul-Gheit et ai., 2014)

Lähes kaikki kaupallinen DME tuotetaan dehydratoimalla metanolia käyttämällä erilaisia kiinteähappoisia katalyyttejä, kuten zeoliitteja, sillica-alumiinioksidia, alumiinioksidia, Al₂O₃–B₂O₃jne. seuraavalla reaktiolla:
2CH₃OH <—> CH₃OCH₃ +H₂O(-22.6k jmol^-1)

Koshbin ja Haghighi (2013) valmistelivat CuO–ZnO–Al₂O₃/HZSM-5-nanokatalyytit yhdistetyllä saostus-ultraäänimenetelmällä. Tutkimusryhmä havaitsi, että "ultraäänienergian käytöllä on suuri vaikutus CO-hydraustoiminnon dispersioon ja siten DME-synteesin suorituskykyyn. Ultraääniavusteisen syntetisoidun nanokatalyytin kestävyyttä tutkittiin synteesikaasusta DME-reaktioon. Nanokatalyytti menettää merkityksettömän aktiivisuutensa reaktion aikana kuparilajien koksin muodostumisen vuoksi." [Khoshbin ja Haghighi, 2013.]

Vaihtoehtoinen ei-zeoliittinen nanokatalyytti, joka on myös erittäin tehokas DME-muunnoksen edistämisessä, on nanokokoinen huokoinen γ-alumiinioksidikatalyytti. Nanokokoinen huokoinen γ-alumiinioksidi syntetisoitiin onnistuneesti saostamalla ultraäänisekoituksella. Sonokemiallinen käsittely edistää nanohiukkasten synteesiä. (vrt. Rahmanpour et al., 2012)

Miksi ultraäänellä valmistetut nanokatalyytit ovat parempia?

Heterogeenisten katalyyttien valmistukseen tarvitaan usein korkean lisäarvon materiaaleja, kuten jalometalleja. Tämä tekee katalyytteistä kalliita, ja siksi katalyyttien 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 massaliikennettä tekee siitä erityisen lupaavan tekniikan tutkia katalyytin valmistusta ja aktivointia. Se voi tuottaa homogeenisia ja dispergoituneita nanohiukkasia ilman kalliita instrumentteja ja äärimmäisiä olosuhteita.
Useissa tutkimuksissa tutkijat päättelevät, että ultraäänikatalyyttivalmiste on edullisin menetelmä homogeenisten nanokatalyyttien tuottamiseksi. Nanokatalyyttien valmistusmenetelmistä sonokemiallista tekniikkaa pidetään erittäin tehokkaana menetelmänä. Voimakkaan sonikoinnin kyky luoda erittäin reaktiivisia pintoja, parantaa sekoittumista ja lisätä massaliikennettä tekee siitä erityisen lupaavan tekniikan tutkia katalyytin valmistusta ja aktivointia. Se voi tuottaa homogeenisia ja dispergoituneita nanohiukkasia ilman kalliita instrumentteja ja äärimmäisiä olosuhteita. (vrt. Koshbin ja Haghighi, 2014)

Korkean suorituskyvyn ultraääniastiat mesohuokoisten katalyyttien synteesiin

Sonokemialliset laitteet korkean suorituskyvyn nanokatalyyttien synteesiin ovat helposti saatavilla missä tahansa koossa – kompakteista laboratorioultraäänilaitteista täysin teollisiin ultraäänireaktoreihin. Hielscher Ultrasonics suunnittelee, valmistaa ja jakelee suuritehoisia ultraäänilaitteita. Kaikki ultraäänijärjestelmät valmistetaan pääkonttorissa Teltowissa, Saksassa ja jaetaan sieltä ympäri maailmaa.
Hielscher-ultraäänilaitteiden hienostunut laitteisto ja älykäs ohjelmisto on suunniteltu takaamaan luotettava toiminta, toistettavat tulokset sekä käyttäjäystävällisyys. Hielscher-ultraäänilaitteet ovat kestäviä ja luotettavia, mikä mahdollistaa asennuksen ja käytön raskaissa olosuhteissa. Käyttöasetuksiin pääsee helposti käsiksi ja niihin voi valita intuitiivisen valikon kautta, johon pääsee digitaalisen värikosketusnäytön ja selaimen kaukosäätimen kautta. Siksi kaikki käsittelyolosuhteet, kuten nettoenergia, kokonaisenergia, amplitudi, aika, paine ja lämpötila, tallennetaan automaattisesti sisäänrakennetulle SD-kortille. Näin voit tarkistaa ja verrata aiempia sonikaatioajoja ja optimoida nanokatalyyttien synteesin ja funktionalisoinnin mahdollisimman tehokkaasti.
Hielscher Ultrasonics -järjestelmiä käytetään maailmanlaajuisesti sonokemiallisiin synteesiprosesseihin, ja niiden on osoitettu olevan luotettavia korkealaatuisten zeoliittinanokatalyyttien sekä zeoliittijohdannaisten synteesissä. Hielscherin teolliset ultraäänilaitteet voivat helposti ajaa suuria amplitudit jatkuvassa toiminnassa (24/7/365). Jopa 200 μm: n amplitudit voidaan helposti tuottaa jatkuvasti tavallisilla sonotrodeilla (ultraäänianturit / sarvet). Vielä suuremmille amplitudille on saatavana räätälöityjä ultraäänisonotrodeja. Kestävyytensä ja vähäisen huoltonsa vuoksi ultraäänilaitteemme asennetaan yleisesti raskaisiin sovelluksiin ja vaativiin ympäristöihin.
Hielscherin ultraääniprosessorit sonokemiallisiin synteeseihin, funktionalisointiin, nanorakenteeseen ja deagglomeraatioon on jo asennettu maailmanlaajuisesti kaupallisessa mittakaavassa. Ota yhteyttä nyt keskustellaksesi nanokatalyytin valmistusprosessistasi! Kokenut henkilökuntamme jakaa mielellään lisätietoja sonokemiallisen synteesin reitistä, ultraäänijärjestelmistä ja hinnoittelusta!
Ultraäänisynteesimenetelmän etuna mesohuokoinen nanokatalyyttituotanto on erinomainen tehokkuudessa, yksinkertaisuudessa ja alhaisissa kustannuksissa verrattuna muihin katalyytin synteesiprosesseihin!

Alla oleva taulukko antaa sinulle viitteitä ultraäänilaitteidemme likimääräisestä käsittelykapasiteetista: