Préparation par ultrasons de catalyseurs pour la conversion de l'éther diméthylique (DME)

L'éther diméthylique (DME) est un carburant alternatif avantageux, qui peut être synthétisé à partir de méthanol, de CO₂ ou de gaz de synthèse par catalyse. Pour la conversion catalytique en DME, des catalyseurs puissants sont nécessaires. Les catalyseurs mésoporeux de taille nanométrique, tels que les zéolithes acides mésoporeuses, les zéolithes décorées ou les catalyseurs métalliques de taille nanométrique, tels que l'aluminium ou le cuivre, peuvent améliorer la conversion du DME de manière significative. Les ultrasons à haute intensité sont la technique la plus performante pour la préparation de nanocatalyseurs hautement réactifs. En savoir plus sur l'utilisation des ultrasons pour la production de catalyseurs micro et mésoporeux présentant une réactivité et une sélectivité excellentes !

Catalyseurs bifonctionnels pour la conversion directe du DME

La production d'éther diméthylique (DME) est un processus industriel bien établi qui se divise en deux étapes : tout d'abord, l'hydrogénation catalytique du gaz de synthèse en méthanol (CO / CO₂ + 3H₂ → CH₃OH + H₂HO) et, deuxièmement, une déshydratation catalytique ultérieure du méthanol sur des catalyseurs acides pour produire du (2CH₃OH → CH₃OCH₃ + H₂O). La principale limitation de cette synthèse du DME en deux étapes est liée à la faible thermodynamique pendant la phase de synthèse du méthanol, qui se traduit par une faible conversion des gaz par passage (15-25%). Il en résulte des taux de recirculation élevés ainsi que des coûts d'investissement et d'exploitation importants.
Pour surmonter cette limitation thermodynamique, la synthèse directe du DME est nettement plus favorable : Dans la conversion directe du DME, l'étape de synthèse du méthanol est couplée à l'étape de déshydratation dans un seul réacteur.
(2CO / CO₂ + 6H₂ → CH₃OCH₃ + 3H₂O).

La synthèse directe du DME permet d'augmenter les niveaux de conversion par étape, jusqu'à 19 %, ce qui se traduit par des réductions significatives des coûts d'investissement et de production opérationnelle du DME. D'après les estimations, le coût de production du DME dans la synthèse directe est réduit de 20 à 30 % par rapport au processus de conversion conventionnel en deux étapes. Afin d'exploiter la voie de synthèse directe du DME, un système catalytique hybride bifonctionnel très efficace est nécessaire. Le catalyseur requis doit offrir la fonctionnalité d'hydrogénation du CO / CO2 pour la synthèse du méthanol et les fonctionnalités acides, qui aident à la déshydratation du méthanol. (cf. Millán et al. 2020)

Synthèse de catalyseurs hautement réactifs pour la conversion du DME à l'aide d'ultrasons de puissance

La réactivité et la sélectivité des catalyseurs pour la conversion de l'éther diméthylique peuvent être considérablement améliorées par un traitement aux ultrasons. Les zéolithes telles que les zéolithes acides (par exemple, la zéolite d'aluminosilicate HZSM-5) et les zéolithes décorées (par exemple, avec CuO/ZnO/Al₂O₃) sont les principaux catalyseurs utilisés avec succès pour la production de DME.

La chloration et la fluoration des zéolithes sont des méthodes efficaces pour ajuster l'acidité catalytique. Les catalyseurs zéolithiques chlorés et fluorés ont été préparés par imprégnation de zéolithes (H-ZSM-5, H-MOR ou H-Y) à l'aide de deux précurseurs halogénés (chlorure d'ammonium et fluorure d'ammonium) dans l'étude de l'équipe de recherche d'Aboul-Fotouh. L'influence de l'irradiation ultrasonique a été évaluée pour optimiser les deux précurseurs halogénés pour la production de diméthyléther (DME) via la déshydratation du méthanol dans un réacteur à lit fixe. Des essais comparatifs de catalyse du DME ont révélé que les catalyseurs zéolithiques halogénés préparés sous irradiation ultrasonique sont plus performants pour la formation de DME. (Aboul-Fotouh et al., 2016)
Dans une autre étude, l'équipe de recherche a étudié toutes les variables importantes de l'ultrasonication rencontrées lors de la déshydratation du méthanol sur des catalyseurs zéolithiques H-MOR pour produire de l'éther diméthylique. Pour ses expériences de sonication, l'équipe de recherche a utilisé la technologie Ultrasonateur à sonde Hielscher UP50H. L'imagerie au microscope électronique à balayage (MEB) de la zéolithe H-MOR soniquée (zéolithe Mordenite) a permis de clarifier que le méthanol utilisé seul comme milieu d'ultrasonication donne les meilleurs résultats concernant l'homogénéité de la taille des particules par rapport au catalyseur non traité, où de gros agglomérats et des grappes non homogènes sont apparus. Ces résultats certifient que l'ultrasonication a un effet profond sur la résolution de la cellule unitaire et donc sur le comportement catalytique de la déshydratation du méthanol en éther diméthylique (DME). La NH3-TPD montre que l'irradiation aux ultrasons a amélioré l'acidité du catalyseur H-MOR et donc sa performance catalytique pour la formation de DME. (Aboul-Gheit et al., 2014)

La quasi-totalité du DME commercial est produite par déshydratation du méthanol à l'aide de différents catalyseurs solides-acides tels que les zéolithes, la sillica-alumine, l'alumine, l'Al₂O₃-B₂O₃etc. par la réaction suivante :
2CH₃OH <—> CH₃OCH₃ +H₂O(-22,6k jmol^-1)

Koshbin et Haghighi (2013) ont préparé des échantillons de CuO-ZnO-Al₂O₃/HZSM-5 par une méthode combinée de co-précipitation et d'ultrasons. L'équipe de recherche a découvert que l'utilisation de l'énergie des ultrasons avait une grande influence sur la dispersion de la fonction d'hydrogénation du CO et, par conséquent, sur les performances de la synthèse du DME. La durabilité du nanocatalyseur synthétisé à l'aide d'ultrasons a été étudiée lors de la transformation du gaz de synthèse en DME. Le nanocatalyseur perd une activité négligeable au cours de la réaction en raison de la formation de coke sur les espèces de cuivre". [Khoshbin et Haghighi, 2013].

Un autre nanocatalyseur non zéolitique, également très efficace pour promouvoir la conversion du DME, est un catalyseur poreux de taille nanométrique à base de γ-alumine. La γ-alumine poreuse de taille nanométrique a été synthétisée avec succès par précipitation sous mélange ultrasonique. Le traitement sonochimique favorise la synthèse des nanoparticules. (cf. Rahmanpour et al., 2012)

Pourquoi les nanocatalyseurs préparés par ultrasons sont-ils supérieurs ?

La production de catalyseurs hétérogènes nécessite souvent des matériaux à haute valeur ajoutée, tels que des métaux précieux. Cela rend les catalyseurs coûteux et, par conséquent, l'amélioration de l'efficacité ainsi que l'extension du cycle de vie des catalyseurs sont des facteurs économiques importants. Parmi les méthodes de préparation des nanocatalyseurs, la technique sonochimique est considérée comme une méthode très efficace. La capacité des ultrasons à créer des surfaces hautement réactives, à améliorer le mélange et à augmenter le transport de masse en fait une technique particulièrement prometteuse à explorer pour la préparation et l'activation des catalyseurs. Elle peut produire des nanoparticules homogènes et dispersées sans nécessiter d'instruments coûteux ni de conditions extrêmes.
Dans plusieurs études, les scientifiques sont parvenus à la conclusion que la préparation ultrasonique des catalyseurs est la méthode la plus avantageuse pour la production de nanocatalyseurs homogènes. Parmi les méthodes de préparation des nanocatalyseurs, la technique sonochimique est considérée comme une méthode très efficace. La capacité de la sonication intense à créer des surfaces hautement réactives, à améliorer le mélange et à augmenter le transport de masse en fait une technique particulièrement prometteuse à explorer pour la préparation et l'activation des catalyseurs. Elle peut produire des nanoparticules homogènes et dispersées sans nécessiter d'instruments coûteux ni de conditions extrêmes. (cf. Koshbin et Haghighi, 2014)

Ultrasons à haute performance pour la synthèse de catalyseurs mésoporeux

L'équipement sonochimique pour la synthèse de nanocatalyseurs de haute performance est facilement disponible, quelle que soit la taille. – des ultrasons de laboratoire compacts aux réacteurs ultrasoniques entièrement industriels. Hielscher Ultrasonics conçoit, fabrique et distribue des ultrasons de grande puissance. Tous les systèmes à ultrasons sont fabriqués au siège de Teltow, en Allemagne, et distribués à partir de là dans le monde entier.
Le matériel sophistiqué et le logiciel intelligent des ultrasons Hielscher sont conçus pour garantir un fonctionnement fiable, des résultats reproductibles et une grande facilité d'utilisation. Les ultrasons Hielscher sont robustes et fiables, ce qui permet de les installer et de les utiliser dans des conditions difficiles. Les paramètres de fonctionnement sont facilement accessibles et sélectionnables par le biais d'un menu intuitif, auquel on peut accéder via un écran tactile couleur numérique et une télécommande à navigateur. Par conséquent, toutes les conditions de traitement telles que l'énergie nette, l'énergie totale, l'amplitude, le temps, la pression et la température sont automatiquement enregistrées sur une carte SD intégrée. Cela vous permet de réviser et de comparer les cycles de sonication précédents et d'optimiser la synthèse et la fonctionnalisation des nanocatalyseurs avec une efficacité maximale.
Les systèmes ultrasoniques Hielscher sont utilisés dans le monde entier pour les processus de synthèse sonochimique et se sont avérés fiables pour la synthèse de nanocatalyseurs zéolithiques de haute qualité ainsi que de dérivés zéolithiques. Les ultrasons industriels Hielscher peuvent facilement fonctionner avec des amplitudes élevées en continu (24/7/365). Des amplitudes allant jusqu'à 200µm peuvent être facilement générées en continu avec des sonotrodes standard (sondes à ultrasons / cornets). Pour des amplitudes encore plus élevées, des sonotrodes ultrasoniques personnalisées sont disponibles. En raison de leur robustesse et de leur faible maintenance, nos ultrasons sont couramment installés pour des applications lourdes et dans des environnements exigeants.
Les processeurs à ultrasons Hielscher pour les synthèses sonochimiques, la fonctionnalisation, la nano-structuration et la désagglomération sont déjà installés dans le monde entier à l'échelle commerciale. Contactez-nous dès maintenant pour discuter de votre processus de fabrication de nanocatalyseurs ! Notre personnel expérimenté se fera un plaisir de vous fournir de plus amples informations sur la voie de la synthèse sonochimique, les systèmes à ultrasons et les prix !
Grâce à la méthode de synthèse par ultrasons, votre production de nanocatalyseurs mésoporeux se distinguera par son efficacité, sa simplicité et son faible coût par rapport à d'autres procédés de synthèse de catalyseurs !

Le tableau ci-dessous vous donne une indication de la capacité de traitement approximative de nos ultrasons :