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 par catalyse à partir de méthanol, de CO₂ ou de gaz de synthèse. Pour la conversion catalytique en DME, des catalyseurs puissants sont nécessaires. Des catalyseurs mésoporeux de taille nanométrique, tels que des zéolithes acides mésoporeuses, des zéolithes décorées ou des catalyseurs métalliques nanométriques à base d’aluminium ou de cuivre, peuvent améliorer considérablement la conversion en DME. Les ultrasons de haute intensité constituent la technique supérieure pour la préparation de nanocatalyseurs hautement réactifs. Découvrez comment utiliser la sonication pour la production de catalyseurs micro- et mésoporeux présentant une excellente réactivité et sélectivité !

Catalyseurs bifonctionnels pour la conversion directe en DME

La production d’éther diméthylique (DME) est un procédé industriel bien établi qui se divise en deux étapes : premièrement, l’hydrogénation catalytique du gaz de synthèse en méthanol (CO / CO₂ + 3H₂ → CH₃OH + H₂HO) et deuxièmement, une déshydratation catalytique subséquente du méthanol sur des catalyseurs acides pour produire (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 entraîne une faible conversion du gaz par passage (15–25%). Il en résulte des taux de recirculation élevés ainsi que des coûts d’investissement et d’exploitation élevés.
Afin de surmonter cette limitation thermodynamique, la synthèse directe du DME est nettement plus avantageuse : dans la conversion directe en 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 de coûts significatives en ce qui concerne l’investissement et les coûts opérationnels de production du DME. Selon les estimations, les coûts de production du DME par synthèse directe sont réduits de 20–30% par rapport au procédé de conversion conventionnel en deux étapes. Pour exploiter la voie de synthèse directe du DME, un système catalytique hybride bifonctionnel hautement efficace est nécessaire. Le catalyseur requis doit offrir la fonctionnalité d’hydrogénation du CO / CO2 pour la synthèse du méthanol ainsi que les fonctionnalités acides qui favorisent la déshydratation du méthanol. (cf. Millán et al. 2020)

Synthèse de catalyseurs hautement réactifs pour la conversion en 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 (p. ex. la zéolithe aluminosilicate HZSM-5) et les zéolithes décorées (p. ex. 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. Dans l’étude de l’équipe de recherche d’Aboul-Fotouh, 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). L’influence de l’irradiation ultrasonore a été évaluée afin d’optimiser les deux précurseurs halogénés pour la production d’éther diméthylique (DME) par déshydratation du méthanol dans un réacteur à lit fixe. Un essai comparatif de catalyse du DME a révélé que les catalyseurs zéolithiques halogénés préparés sous irradiation ultrasonore présentent des performances supérieures pour la formation de DME. (Aboul-Fotouh et al., 2016)
Dans une autre étude, l’équipe de recherche a examiné toutes les variables importantes de la sonication rencontrées lors de la déshydratation du méthanol sur des catalyseurs zéolithiques H-MOR pour produire de l’éther diméthylique. Pour leurs expériences de sonication, les chercheurs ont utilisé l’ultrasonicateur à sonde Hielscher UP50H. L’imagerie au microscope électronique à balayage (MEB) de la zéolithe H-MOR soniquée (zéolithe mordénite) a montré que le méthanol utilisé seul comme milieu de sonication donne les meilleurs résultats en ce qui concerne l’homogénéité de la taille des particules, par rapport au catalyseur non traité, dans lequel apparaissaient de grands agglomérats et des amas non homogènes. Ces résultats ont confirmé que la sonication a un effet profond sur la résolution de la maille élémentaire et donc sur le comportement catalytique de la déshydratation du méthanol en éther diméthylique (DME). La NH3-TPD montre que l’irradiation ultrasonore a augmenté l’acidité du catalyseur H-MOR et donc sa performance catalytique pour la formation de DME. (Aboul-Gheit et al., 2014)

Presque tout le DME commercial est produit par déshydratation du méthanol à l’aide de différents catalyseurs acides solides tels que les zéolithes, la silice–alumine, l’alumine, Al₂O₃–B₂O₃, etc. selon la réaction suivante :
2CH₃OH <—> CH₃OCH₃ +H₂O(-22,6k jmol^-1)

Koshbin et Haghighi (2013) ont préparé des nanocatalyseurs CuO–ZnO–Al₂O₃/HZSM-5 par une méthode combinée coprécipitation–ultrasons. L’équipe de recherche a constaté « que l’emploi de l’énergie ultrasonore a une grande influence sur la dispersion de la fonction d’hydrogénation du CO et, par conséquent, sur les performances de synthèse du DME. La durabilité du nanocatalyseur synthétisé avec assistance ultrasonore a été étudiée au cours de la réaction de conversion du gaz de synthèse en DME. Le nanocatalyseur ne perd qu’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 nanocatalyseur alternatif non zéolithique, également très efficace pour favoriser la conversion en DME, est un catalyseur à base de γ-alumine poreuse de taille nanométrique. La γ-alumine poreuse de taille nanométrique a été synthétisée avec succès par précipitation sous mélange par ultrasons. 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 ; c’est pourquoi l’amélioration de l’efficacité ainsi que la prolongation de la durée de vie des catalyseurs sont des facteurs économiques importants. Parmi les méthodes de préparation des nanocatalyseurs, la technique sonochimique est considérée comme une méthode hautement efficace. La capacité des ultrasons à créer des surfaces hautement réactives, à améliorer le mélange et à accroître le transfert de masse en fait une technique particulièrement prometteuse à explorer pour la préparation et l’activation des catalyseurs. Elle permet de produire des nanoparticules homogènes et dispersées sans recourir à des instruments coûteux ni à des conditions extrêmes.
Dans plusieurs travaux de recherche, les scientifiques parviennent à la conclusion que la préparation de catalyseurs par ultrasons 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 hautement efficace. La capacité d’une sonication intense à créer des surfaces hautement réactives, à améliorer le mélange et à accroître le transfert de masse en fait une technique particulièrement prometteuse à explorer pour la préparation et l’activation des catalyseurs. Elle permet de produire des nanoparticules homogènes et dispersées sans recourir à des instruments coûteux ni à des conditions extrêmes. (cf. Koshbin et Haghighi, 2014)

Ultrasonicateurs haute performance pour la synthèse de catalyseurs mésoporeux

Les équipements sonochimiques pour la synthèse de nanocatalyseurs haute performance sont facilement disponibles dans toutes les tailles – des ultrasonicateurs de laboratoire compacts aux réacteurs à ultrasons entièrement industriels. Hielscher Ultrasonics conçoit, fabrique et distribue des ultrasonicateurs de forte puissance. Tous les systèmes à ultrasons sont fabriqués au siège de Teltow, en Allemagne, et distribués de là dans le monde entier.
Le matériel sophistiqué et le logiciel intelligent des ultrasonicateurs Hielscher sont conçus pour garantir un fonctionnement fiable, des résultats reproductibles ainsi qu’une grande facilité d’utilisation. Les ultrasonicateurs Hielscher sont robustes et fiables, ce qui permet de les installer et de les exploiter dans des conditions intensives. Les réglages de fonctionnement sont facilement accessibles et sélectionnables via un menu intuitif, accessible par l’écran tactile numérique couleur et par la commande à distance via navigateur. Ainsi, toutes les conditions de traitement telles que l’énergie nette, l’énergie totale, l’amplitude, la durée, 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 pour une efficacité maximale.
Les systèmes Hielscher Ultrasonics sont utilisés dans le monde entier pour des procédés de synthèse sonochimique et ont fait leurs preuves en matière de fiabilité pour la synthèse de nanocatalyseurs zéolithiques de haute qualité ainsi que de dérivés de zéolithes. Les ultrasonicateurs industriels Hielscher peuvent facilement fonctionner à des amplitudes élevées en fonctionnement continu (24/7/365). Des amplitudes allant jusqu’à 200µm peuvent être facilement générées en continu avec des sonotrodes standard (sondes / cornets à ultrasons). Pour des amplitudes encore plus élevées, des sonotrodes à ultrasons personnalisées sont disponibles. Grâce à leur robustesse et à leur faible besoin d’entretien, nos ultrasonicateurs sont couramment installés pour des applications intensives et dans des environnements exigeants.
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Le tableau ci-dessous vous donne une indication de la capacité de traitement approximative de nos ultrasonicateurs :