הכנה קולית של זרזים להמרת אתר דימתיל (DME)
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).

האולטרסוניקטור UIP2000hdT (2kW) כור עם זרימה הוא מערך נפוץ לסינתזה סונוכימית של ננו-זרזים מזופוריים (למשל זאוליטים מעוטרים).

סינתזה ישירה של אתר דימתיל (DME) מסינגז על זרז דו-תפקודי.
© ( 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.

סינתזת קו-משקעים-אולטרסאונד היברידית של CuO-ZnO-Al2O3/HZSM-5 המשמשת בהתכנסות ישירה של סינגז לדימתיל אתר כדלק ירוק.
מחקר ותמונה: חושבין והאגיגי, 2013.]
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)

SEM של H-MOR קולי באמצעות מדיה שונה
מחקר ותמונות: ©Aboul-Gheit et al., 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)

הסינתזה הסונוכימית יוצרת זרז ננו-מובנה פעיל ביותר CuO–ZnO–Al2O3/HZSM-5.
מחקר ותמונה: חושבין וחגיגי, 2013.

הצגה סכמטית של השפעות קוויטציה אקוסטית על שינוי חלקיקי מתכת. מתכות עם נקודת התכה נמוכה (MP) כמו אבץ (Zn) מחומצנים לחלוטין; מתכות עם נקודת התכה גבוהה כמו ניקל (Ni) וטיטניום (Ti) מציגות שינוי פני שטח תחת סוניקציה. אלומיניום (Al) ומגנזיום (Mg) יוצרים מבנים מזופוריים. מתכות נובל עמידות לקרינת אולטרסאונד בשל יציבותן מפני חמצון. נקודות ההתכה של המתכות מוגדרות במעלות קלווין (K).
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:
נפח אצווה | קצב זרימה | מכשירים מומלצים |
---|---|---|
1 עד 500 מ"ל | 10 עד 200 מ"ל/דקה | UP100H |
10 עד 2000 מ"ל | 20 עד 400 מ"ל/דקה | UP200Ht, UP400ST |
00.1 עד 20 ליטר | 00.2 עד 4L/דקה | UIP2000hdT |
10 עד 100 ליטר | 2 עד 10 ליטר/דקה | UIP4000hdT |
נ.א. | 10 עד 100 ליטר/דקה | UIP16000 |
נ.א. | גדול | אשכול של UIP16000 |
צרו קשר! / שאל אותנו!

ד"ר אנדרייבה-באומלר, אוניברסיטת ביירוית, עובדת עם Ultrasonicator UIP1000hdT על ננו-מבנה של מתכות על מנת להשיג זרזים מעולים.
ספרות / מקורות
- Ahmed, K.; Sameh, M.; Laila, I.; Naghmash, Mona (2014): Ultrasonication of H-MOR zeolite catalysts for dimethylether (DME) production as a clean fuel. Journal of Petroleum Technology and Alternative Fuels 5, 2014. 13-25.
- Reza Khoshbin, Mohammad Haghighi (2013): Direct syngas to DME as a clean fuel: The beneficial use of ultrasound for the preparation of CuO–ZnO–Al2O3/HZSM-5 nanocatalyst. Chemical Engineering Research and Design, Volume 91, Issue 6, 2013. 1111-1122.
- Kolesnikova, E.E., Obukhova, T.K., Kolesnichenko, N.V. et al. (2018): Ultrasound-Assisted Modification of Zeolite Catalyst for Dimethyl Ether Conversion to Olefins with Magnesium Compounds. Pet. Chem. 58, 2018. 863–868.
- Reza Khoshbin, Mohammad Haghighi (2014): Direct Conversion of Syngas to Dimethyl Ether as a Green Fuel over Ultrasound- Assisted Synthesized CuO-ZnO-Al2O3/HZSM-5 Nanocatalyst: Effect of Active Phase Ratio on Physicochemical and Catalytic Properties at Different Process Conditions. Catalysis Science & Technology, Volume 6, 2014.
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2014/cy/c3cy01089a - Sameh M.K. Aboul-Fotouh, Laila I. Ali, Mona A. Naghmash, Noha A.K. Aboul-Gheit (2017): Effect of the Si/Al ratio of HZSM-5 zeolite on the production of dimethyl ether before and after ultrasonication. Journal of Fuel Chemistry and Technology, Volume 45, Issue 5, 2017. 581-588.
- Rahmanpour, Omid; Shariati, Ahmad; Khosravi-Nikou, Mohammad Reza (2012): New Method for Synthesis Nano Size γ-Al2O3 Catalyst for Dehydration of Methanol to Dimethyl Ether. International Journal of Chemical Engineering and Applications 2012. 125-128.
- Millán, Elena; Mota, Noelia; Guil-Lopez, R.; Pawelec, Barbara; Fierro, José; Navarro, Rufino (2020): Direct Synthesis of Dimethyl Ether from Syngas on Bifunctional Hybrid Catalysts Based on Supported H3PW12O40 and Cu-ZnO(Al): Effect of Heteropolyacid Loading on Hybrid Structure and Catalytic Activity. Catalysts 10, 2020.
- Suslick, Kenneth S.; Hyeon, Taeghwan; Fang, Mingming; Cichowlas, Andrzej A. (1995): Sonochemical synthesis of nanostructured catalysts. Materials Science and Engineering: A. Proceedings of the Symposium on Engineering of Nanostructured Materials. ScienceDirect 204 (1–2): 186–192.
- Pavel V. Cherepanov, Daria V. Andreeva (2017): Phase structuring in metal alloys: Ultrasound-assisted top-down approach to engineering of nanostructured catalytic materials. Ultrasonics Sonochemistry 2017.
- Sameh M.K. Aboul-Fotouh, Noha A.K. Aboul-Gheit, Mona A. Naghmash (2016): Dimethylether production on zeolite catalysts activated by Cl−, F− and/or ultrasonication. Journal of Fuel Chemistry and Technology, Volume 44, Issue 4, 2016. 428-436.
עובדות שכדאי לדעת
דימתיל אתר (DME) כדלק
אחד השימושים העיקריים החזויים של אתר דימתיל הוא היישום שלו כתחליף לפרופאן בגפ"מ (גז פרופאן נוזלי), המשמש כדלק לכלי רכב, במשקי בית ובתעשייה. בפרופאן אוטוגז, אתר דימתיל יכול לשמש גם כבלנדסטוק.
יתר על כן, DME הוא גם דלק מבטיח עבור מנועי דיזל וטורבינות גז. עבור מנועי דיזל, מספר cetane גבוה של 55, לעומת זה של סולר מנפט עם מספרי cetane של 40-53, הוא יתרון גדול. רק שינויים מתונים נדרשים כדי לאפשר למנוע דיזל לשרוף אתר דימתיל. הפשטות של תרכובת שרשרת פחמן קצרה זו מובילה במהלך הבעירה לפליטות נמוכות מאוד של חומר חלקיקי. מסיבות אלה, בנוסף להיותו נטול גופרית, אתר דימתיל עומד אפילו בתקנות הפליטה המחמירות ביותר באירופה (EURO5), ארה"ב (ארה"ב 2010) ויפן (יפן 2009).

Hielscher Ultrasonics מייצרת הומוגנייזרים קוליים בעלי ביצועים גבוהים מ המעבדה ל גודל תעשייתי.