הכנה קולית של זרזים להמרת אתר דימתיל (DME)

אתר דימתיל (DME) הוא דלק חלופי מועדף, אשר ניתן לסנתז מתנול, CO₂ או סינגז באמצעות קטליזה. עבור ההמרה הקטליטית ל-DME, נדרשים זרזים חזקים. זרזים מזופוריים בגודל ננומטרי כגון זאוליטים חומציים מזופורוס, זאוליטים מעוטרים או זרזי מתכת בגודל ננומטרי כגון אלומיניום או נחושת יכולים לשפר את המרת ה- DME באופן משמעותי. אולטרסאונד בעוצמה גבוהה הוא הטכניקה הטובה ביותר להכנת ננו-זרזים תגובתיים מאוד. למידע נוסף על אופן השימוש ultrasonication לייצור של זרזים micro- ו mesoporous עם תגובתיות מעולה סלקטיביות!

זרזים דו-תכליתיים להמרת DME ישירה

הייצור של אתר dimethyl (DME) הוא תהליך תעשייתי מבוסס היטב המחולק לשני שלבים: הראשון, הידרוגנציה קטליטית של סינגז לתוך מתנול (CO / CO₂ + 3 שעות₂ → CH₃אוה + ח₂HO) ושנית, התייבשות קטליטית עוקבת של מתנול על זרזים חומציים לייצור (2CH₃אוה → CH₃אוצ'₃ + ח₂O). המגבלה העיקרית של סינתזת DME דו-שלבית זו קשורה לתרמודינמיקה הנמוכה במהלך שלב סינתזת מתנול, מה שמביא להמרת גז נמוכה למעבר (15-25%). בכך מתרחשים יחסי מחזור גבוהים וכן עלויות הון ותפעול גבוהות.
על מנת להתגבר על מגבלה תרמודינמית זו, סינתזת DME ישירה עדיפה באופן משמעותי: בהמרת DME ישירה, שלב סינתזת המתנול משולב עם שלב ההתייבשות בכור יחיד
(2CO / CO₂ + 6 שעות₂ → CH₃אוצ'₃ + 3 שעות₂O).

הסינתזה הישירה של DME מאפשרת להגדיל את רמות ההמרה לכל שלב, עד 19%, מה שאומר הפחתת עלויות משמעותית לגבי עלות ההשקעה והייצור התפעולי של DME. בהתבסס על הערכות, עלות הייצור של DME בסינתזה ישירה מופחתת ב 20-30% בהשוואה לתהליך ההמרה הדו-שלבי הקונבנציונלי. על מנת להפעיל את מסלול הסינתזה הישיר של DME, יש צורך במערכת קטליטית היברידית דו-תפקודית יעילה ביותר. הזרז הנדרש חייב להציע את הפונקציונליות עבור הידרוגנציה CO / CO2 עבור סינתזת מתנול ואת פונקציות חומציות, אשר מסייעים להתייבשות של מתנול. (ראה: Millán et al. 2020)

סינתזה של זרזים תגובתיים מאוד להמרת DME באמצעות Power-Ultrasound

תגובתיות וסלקטיביות של זרזים להמרת אתר דימתיל ניתן לשפר באופן משמעותי באמצעות טיפול קולי. זאוליטים כגון זאוליטים חומציים (למשל, אלומינוסיליקט זאוליט HZSM-5) וזאוליטים מעוטרים (למשל, עם CuO/ZnO/Al₂O₃) הם הזרזים העיקריים המשמשים בהצלחה לייצור DME.

הכלרה והפלרה של זאוליטים הן שיטות יעילות לכוונון החומציות הקטליטית. זרזי הזאוליט המכילים כלור ופלואור הוכנו על ידי ספיגת זאוליטים (H-ZSM-5, H-MOR או H-Y) באמצעות שני מבשרי הלוגן (אמוניום כלורי ואמוניום פלואוריד) במחקר של צוות המחקר של אבול-פוטו. ההשפעה של קרינה על-קולית הוערכה לצורך אופטימיזציה של שני מבשרי הלוגן לייצור דימתילאתר (DME) באמצעות התייבשות מתנול בכור מיטה קבועה. ניסוי השוואתי של קטליזה DME גילה כי זרזי הזאוליט ההלוגניים שהוכנו תחת קרינה על-קולית מראים ביצועים גבוהים יותר עבור היווצרות DME. (אבו אל-פותוח ואח', 2016)
במחקר אחר, צוות המחקר חקר את כל משתני האולטרסוניקציה החשובים בהם נתקלו במהלך ביצוע התייבשות מתנול על זרזי זאוליט H-MOR לייצור דימתילאתר. עבור חוויות הסוניקציה שלהם, צוות המחקר השתמש ב Hielscher UP50H בדיקה סוג ultrasonicator. הדמיית מיקרוסקופ אלקטרונים סורק (SEM) של הזאוליט H-MOR הסוניק (זאוליט מורדניט) הבהירה כי מתנול כשלעצמו המשמש כמדיום אולטרה-סוניקציה נותן את התוצאות הטובות ביותר לגבי ההומוגניות של גדלי חלקיקים בהשוואה לזרז שלא טופל, שם הופיעו אגלומרטים גדולים וצבירים לא הומוגניים. ממצאים אלה אישרו כי לאולטרסוניקציה יש השפעה עמוקה על רזולוציית תא היחידה ומכאן על ההתנהגות הקטליטית של התייבשות מתנול לדימתיל אתר (DME). NH3-TPD מראה כי הקרנת אולטרסאונד הגבירה את החומציות של זרז H-MOR ולכן מדובר בביצועים קטליטיים ליצירת DME. (אבו אל-רייט ואח', 2014)

כמעט כל DME מסחרי מיוצר על ידי התייבשות מתנול באמצעות זרזים שונים של חומצה מוצקה כגון זאוליטים, סיליקה-אלומינה, אלומינה, אל₂O₃–ב₂O₃וכו' על ידי התגובה הבאה:,
2CH₃אוי <—> CH₃אוצ'₃ +H₂O(-22.6k jmol^-1)

קושבין וחגי (2013) הכינו את CuO–ZnO–Al₂O₃/HZSM-5 ננו-זרזים בשיטה משולבת של קו-משקעים-אולטרסאונד. צוות המחקר מצא כי "לשימוש באנרגיית אולטרסאונד יש השפעה רבה על פיזור פונקציית הידרוגנציית CO וכתוצאה מכך על ביצועי סינתזת DME. העמידות של ננו-זרז מסונתז בסיוע אולטרסאונד נחקרה במהלך תגובת סינגז ל-DME. הננו-זרז מאבד פעילות זניחה במהלך התגובה עקב היווצרות קולה על מיני נחושת". [חושבין וחגיגי, 2013.]

ננו-זרז חלופי שאינו זאוליט, שהוא גם יעיל מאוד בקידום המרת DME, הוא זרז γ-אלומינה נקבובי בגודל ננומטרי. ננו-גודל נקבובי γ-אלומינה סונתז בהצלחה על ידי משקעים תחת ערבוב קולי. הטיפול הסונוכימי מקדם את סינתזת הננו-חלקיקים. (ראה: Rahmanpour et al., 2012)

מדוע ננו-זרזים מוכנים באולטרסאונד עדיפים?

לייצור זרזים הטרוגניים, לעתים קרובות נדרשים חומרים בעלי ערך מוסף גבוה כגון מתכות יקרות. זה הופך את הזרזים ליקרים ולכן, שיפור היעילות כמו גם הארכת מחזור החיים של הזרזים הם גורמים כלכליים חשובים. בין שיטות ההכנה של ננוזרזים, הטכניקה הסונוכימית נחשבת לשיטה יעילה ביותר. היכולת של אולטרסאונד ליצור משטחים תגובתיים מאוד, לשפר את הערבוב ולהגדיל את התחבורה ההמונית הופכת אותו לטכניקה מבטיחה במיוחד לחקור להכנת זרזים והפעלתם. הוא יכול לייצר ננו-חלקיקים הומוגניים ומפוזרים ללא צורך במכשירים יקרים ובתנאים קיצוניים.
במספר מחקרים, המדענים מגיעים למסקנה כי הכנת זרז קולי היא השיטה המועילה ביותר לייצור ננו-זרזים הומוגניים. בין שיטות ההכנה של ננוזרזים, הטכניקה הסונוכימית נחשבת לשיטה יעילה ביותר. היכולת של סוניקציה אינטנסיבית ליצור משטחים תגובתיים מאוד, לשפר את הערבוב ולהגביר את התחבורה ההמונית הופכת אותה לטכניקה מבטיחה במיוחד לחקור לצורך הכנה והפעלה של זרזים. הוא יכול לייצר ננו-חלקיקים הומוגניים ומפוזרים ללא צורך במכשירים יקרים ובתנאים קיצוניים. (ראה: קושבין והאגהיגי, 2014)

Ultrasonicators ביצועים גבוהים לסינתזה של זרזים mesoporous

ציוד סונוכימי לסינתזה של ננו-זרזים בעלי ביצועים גבוהים זמין בכל גודל – מאולטרסאונד מעבדה קומפקטי ועד כורים על-קוליים תעשייתיים לחלוטין. Hielscher Ultrasonics מתכננת, מייצרת ומפיצה ultrasonicators כוח גבוה. כל המערכות העל-קוליות מיוצרות במטה בטלטו, גרמניה ומופצות משם לכל רחבי העולם.
החומרה המתוחכמת והתוכנה החכמה של Hielscher ultrasonicators נועדו להבטיח פעולה אמינה, תוצאות לשחזור, כמו גם ידידותיות למשתמש. אולטרסוניקטורים Hielscher הם חזקים ואמינים, אשר מאפשר להיות מותקן ומופעל בתנאי חובה כבדים. ניתן לגשת בקלות להגדרות תפעוליות ולחייג אליהן באמצעות תפריט אינטואיטיבי, אליו ניתן לגשת באמצעות תצוגת מגע צבעונית דיגיטלית ושלט רחוק של הדפדפן. לכן, כל תנאי העיבוד כגון אנרגיה נטו, אנרגיה כוללת, משרעת, זמן, לחץ וטמפרטורה נרשמים באופן אוטומטי על כרטיס SD מובנה. זה מאפשר לך לשנות ולהשוות ריצות סוניקציה קודמות ולמטב את הסינתזה והפונקציונליות של ננו-זרזים ליעילות הגבוהה ביותר.
מערכות Hielscher Ultrasonics משמשות ברחבי העולם לתהליכי סינתזה סונוכימיים ומוכחות כאמינות לסינתזה של ננו-זרזים זאוליטים באיכות גבוהה, כמו גם נגזרות זאוליטים. Hielscher תעשייתי ultrasonicators יכול בקלות להפעיל אמפליטודות גבוהות בפעולה מתמשכת (24/7/365). אמפליטודות של עד 200μm ניתן ליצור בקלות ברציפות עם sonotrodes סטנדרטי (בדיקות קולי / קרניים). עבור אמפליטודות גבוהות עוד יותר, sonotrodes קולי מותאם אישית זמינים. בשל עמידותם ותחזוקתם הנמוכה, האולטרה-סאונד שלנו מותקן בדרך כלל עבור יישומים כבדים ובסביבות תובעניות.
Hielscher מעבדים קוליים עבור סינתזות סונוכימיות, פונקציונליזציה, ננו-מבנה ו deagglomeration כבר מותקנים ברחבי העולם בקנה מידה מסחרי. צרו איתנו קשר עכשיו כדי לדון בתהליך ייצור הננו זרז שלכם! הצוות המנוסה שלנו ישמח לחלוק מידע נוסף על מסלול הסינתזה הסונוכימית, מערכות קוליות ותמחור!
עם היתרון של שיטת הסינתזה העל-קולית, ייצור ננו-זרז מזופורוס שלך יצטיין ביעילות, פשטות ועלות נמוכה בהשוואה לתהליכי סינתזת זרזים אחרים!

הטבלה הבאה נותנת לך אינדיקציה ליכולת העיבוד המשוערת של האולטרסאונד שלנו: