הכנה אולטרה סאונד של זרזים עבור דימתיל אתר (DME) המרה

אתר דימתיל (DME) הוא דלק חלופי חיובי, אשר ניתן לסנתז מתנול, CO₂ או סינגות דרך קטליזה. עבור ההמרה הקטליטית ל- DME, נדרשים זרזים חזקים. זרזים מזופוריים בגודל ננו כגון זוליטים חומציים מזופוריים, זאוליטים מעוטרים או זרזים מתכתיים בגודל ננו כגון אלומיניום או נחושת יכולים לשפר את המרת DME באופן משמעותי. אולטרסאונד בעוצמה גבוהה היא טכניקה מעולה להכנת ננו-זרזים תגובתי מאוד. למידע נוסף על אופן השימוש באולטרסאונד לייצור זרזים מיקרו- ו mesoporous עם תגובתיות מעולה סלקטיביות!

זרזים ביפונליים להמרת DME ישירה

הייצור של אתר דימתיל (DME) הוא תהליך תעשייתי מבוסס היטב המחולק לשני שלבים: הראשון, הידרוגנציה קטליטית של סינגות למתנול (CO / CO₂ + 3H₂ → CH₃OH + H₂HO) ושנית, התייבשות קטליטית עוקבת של מתנול על זרזים חומצה לייצר (2CH₃הו → CH₃אוך (OCH)₃ + H₂O. המגבלה העיקרית של סינתזת DME דו-שלבית זו קשורה לתרמודינמיקה הנמוכה במהלך שלב סינתזת המתנול, שתוצאתה המרת גז נמוכה למעבר (15-25%). ובכך מתרחשים יחסי מחזור גבוהים, כמו גם עלויות הון ותפעול גבוהות.
על מנת להתגבר על מגבלה תרמודינמית זו, סינתזת DME ישירה היא חיובית יותר באופן משמעותי: בהמרה DME ישירה, שלב סינתזת מתנול הוא בשילוב עם שלב התייבשות בכור יחיד
(2CO / CO₂ + 6H₂ → CH₃אוך (OCH)₃ + 3H₂O).

Nano-catalysts such as functionalized zeolites are successfully synthezized under sonication. Functionalized nano-structured acidic zeolites - syntheiszed under sonochemical conditions - give superior rates for dimethyl ether (DME) conversion.

אולטראסאונד UIP2000hdT (2kW) עם כור זרימה דרך הוא התקנה נפוצה עבור סינתזה sonochemical של nanocatalysts mesoporous (למשל זאוליטים מעוטרים).

הסינתזה הישירה של DME מאפשרת להגדיל את רמות ההמרה לכל צעד, עד 19%, כלומר הפחתות עלויות משמעותיות לגבי ההשקעה ועלות הייצור התפעולי של DME. בהתבסס על אומדנים, עלות הייצור של DME בסינתזה ישירה מופחתת ב-20-30% בהשוואה לתהליך ההמרה הדו-שלבי הקונבנציונלי. על מנת להפעיל את מסלול סינתזת DME ישירה, מערכת קטליטית היברידית יעילה מאוד היא הכרחית. הזרז הנדרש חייב להציע את הפונקציונליות עבור הידרוגנציה CO / CO2 עבור סינתזת מתנול ואת פונקציות חומציות, אשר מסייעים התייבשות של מתנול. (cf. מילן ואח ' 2020)

Direct synthesis of dimethyl ether (DME) requires highly reactive, bifunctional catalysts. Ultrasonic catalyst synthesis allows to create highly efficient nano-structured mesoporous catalysts such as functionalized acidic zeolites for superior catalytic reaction outputs.

סינתזה ישירה של אתר דימתיל (DME) מסינגה על זרז bifunctional.
(© מילן ואח' 2020)

סינתזה של זרזים תגובתי מאוד עבור המרת DME באמצעות כוח אולטרסאונד

תגובתיות סלקטיביות של זרזים עבור המרת אתר דימתיל ניתן לשפר באופן משמעותי באמצעות טיפול קולי. זאוליטים כגון זוליט חומצה (למשל, אלומינוסיליט זוליט HZSM-5) וזאוליטים מעוטרים (למשל, עם CuO/ZnO/Al₂הו₃) הם הזרזים העיקריים המשמשים בהצלחה לייצור DME.

Ultrasonic co-precipitation allows for the production of highly efficient CuO-ZnO-Al2O3/HZSM-5 nano-catalysts

סינתזת אולטרסאונד-משקעים היברידית של CuO-ZnO-Al2O3/HZSM-5 המשמשת בקונבר ישיר- סיון של סינגות לדימתיל אתר כדלק ירוק.
מחקר ותמונה: ח'ושבין והאגי, 2013.]

כלור הפלרה של zeolites הן שיטות יעילות כדי לכוונן את החומציות הקטליטית. זרזים זאוליט כלור ופלואורין הוכנו על ידי הפריה של זאוליטים (H-ZSM-5, H-MOR או H-Y) באמצעות שני מבשרי הלוגן (אמוניום כלוריד ואמוניום פלואוריד) במחקר על ידי צוות המחקר של Aboul-Fotouh. ההשפעה של הקרנה קולית הוערכה עבור אופטימיזציה הן מבשרי הלוגן לייצור דימתילת'ר (DME) באמצעות התייבשות מתנול בכור מיטה קבועה. ניסוי קטליזה DME השוואתי גילה כי זרזים zeolite הלוגן מוכן תחת הקרנה קולית להראות ביצועים גבוהים יותר עבור היווצרות DME. (אבול-פוטוח ואח', 2016)
במחקר אחר, צוות המחקר חקר את כל משתני ultrasonication חשובים נתקל במהלך ביצוע התייבשות של מתנול על זרזים H-MOR zeolite לייצר dimethylether. עבור רירית Sonication שלהם, צוות המחקר השתמש ב אולטראטור מסוג בדיקה Hielscher UP50H. סריקת מיקרוסקופ אלקטרונים (SEM) הדמיה של sonicated H-MOR zeolite (מורדניט zeolite) הבהירו כי מתנול כשלעצמו משמש מדיום ultrasonication נותן את התוצאות הטובות ביותר לגבי הומוגניות של גדלי חלקיקים לעומת זרז מטופל, שבו agglomerates גדול אשכולות שאינם הומוגניים הופיעו. ממצאים אלה אישרו כי ultrasonication יש השפעה עמוקה על רזולוציית תא היחידה ומכאן על ההתנהגות הקטליטית של התייבשות של מתנול לאתר דימתיל (DME). NH3-TPD מראה כי הקרנת אולטרסאונד שיפרה את החומציות של זרז H-MOR ולכן זה ביצועים קטליטיים עבור היווצרות DME. (אבול-ע'יט ואח', 2014)

Ultrasonication of H-MOR (mordenite zeolite) catalyst gave highly reactive nano-catalyst for DME conversion.

SEM של H-MOR קולי באמצעות מדיה שונה
מחקר ותמונות: ©אבול-ע'ית ואח', 2014

כמעט כל DME מסחרי מופק על ידי התייבשות של מתנול באמצעות זרזים חומצה מוצקה שונים כגון zeolites, סיליקה-אלומינה, אלומינה, אל₂הו₃–B₂הו₃וכו', על ידי התגובה הבאה:
2CH (2CH)₃אוי <—> CH₃אוך (OCH)₃ +H₂O(-22.6k ג'מול^{. אני לא מבין})

קושבין והאגי (2013) הכינו את CuO-ZnO-Al₂הו₃/HZSM-5 nanocatalysts באמצעות שילוב של משקעים-אולטרסאונד שיטה. צוות המחקר מצא "כי העסקת אנרגיית אולטרסאונד יש השפעה רבה על פיזור של תפקוד הידרוגנציה CO וכתוצאה מכך את ביצועי סינתזת DME. העמידות של אולטרסאונד סייע ננו-קתליסט מסונתז נחקר במהלך סינגות לתגובת DME. הננו-קתליסט מאבד פעילות זניחה במהלך התגובה עקב היווצרות קוקאין על מיני נחושת." [ח'ושבין והאגיגי, 2013].

ננו-זרז חלופי שאינו זאוליט, שהוא גם יעיל מאוד בקידום המרת DME, הוא זרז נקבובי בגודל ננו γ אלומינה. ננו בגודל נקבובי γ אלומינה סונתז בהצלחה על ידי משקעים תחת ערבוב קולי. הטיפול הסונוכימי מקדם את סינתזת חלקיקי הננו. (cf. רחמנמפור ואח', 2012)

למה הם מוכנים באולטרסאונד ננו-זרזים מעולה?

לייצור של זרזים הטרוגניים לעתים קרובות חומרים בעלי ערך מוסף גבוה כגון מתכות יקרות נדרשים. זה עושה זרזים יקרים ולכן, שיפור יעילות, כמו גם הארכת מחזור החיים של הזרזים הם גורמים כלכליים חשובים. בין שיטות ההכנה של nanocatalysts, הטכניקה sonochemical נחשב כשיטה יעילה מאוד. היכולת של אולטרסאונד ליצור משטחים תגובתי מאוד, כדי לשפר את הערבוב ולהגדיל את הובלת ההמונים עושה את זה טכניקה מבטיחה במיוחד לחקור הכנה והפעלה זרז. זה יכול לייצר חלקיקים הומוגניים מפוזרים ללא צורך במכשירים יקרים ותנאים קיצוניים.
במספר מחקרים, המדענים מגיעים למסקנה כי הכנת זרז קולי היא השיטה היתרון ביותר לייצור ננו-זרזים הומוגניים. בין שיטות ההכנה של nanocatalysts, הטכניקה sonochemical נחשב כשיטה יעילה מאוד. היכולת של sonication אינטנסיבי ליצור משטחים תגובתי מאוד, כדי לשפר את הערבוב ולהגדיל את הובלת ההמונים עושה את זה טכניקה מבטיחה במיוחד לחקור הכנה זרז והפעלה. זה יכול לייצר חלקיקים הומוגניים מפוזרים ללא צורך במכשירים יקרים ותנאים קיצוניים. (cf. קושבין והאגיגי, 2014)

Ultrasonic catalyst preparation results in superior mesoporous nanocatalysts for dimethyl ether (DME) conversion

סינתזה sonochemical תוצאות פעיל מאוד ננו מובנה CuO-ZnO-Al2O3/HZSM-5 זרז.
מחקר ותמונה: ח'ושבין והאגיגי, 2013.

High-power ultrasonicators such as the UIP1000hdT are used for the nanostructuring of highly porous metals and mesoporous nano-catalysts. (Click to enlarge!)

מצגת סכמטית של השפעות של cavitation אקוסטי על שינוי של חלקיקי מתכת. מתכות עם נקודת התכה נמוכה (MP) כמו אבץ (Zn) הם מחומצנים לחלוטין; מתכות עם נקודת התכה גבוהה כמו ניקל (Ni) וטיטניום (Ti) להציג שינוי פני השטח תחת sonication. אלומיניום (Al) ומגנזיום (Mg) יוצרים מבנים מזופוריים. מתכות נובל עמידים הקרנת אולטרסאונד בשל היציבות שלהם נגד חמצון. נקודות ההיתוך של המתכות מפורטות במעלות קלווין (K).

אולטרה סאונד ביצועים גבוהים עבור הסינתזה של זרזים Mesoporous

ציוד Sonochemical לסינתזה של ננו-זרזים ביצועים גבוהים זמין בכל גודל – ממעבדה קומפקטית ultrasonicators לכורים קוליים תעשייתיים לחלוטין. Hielscher אולטרסוניקה עיצובים, מייצרת, ומפיצה ultrasonicators כוח גבוה. כל המערכות הקוליות מיוצרות במפקדה בטלטו, גרמניה ומופצות משם בכל רחבי העולם.
החומרה מתוחכמת ותוכנה חכמה של אולטראסאונד Hielscher נועדו להבטיח פעולה אמינה, תוצאות לשחזור, כמו גם ידידותיות למשתמש. Ultrasonicators Hielscher הם חזקים ואמינים, אשר מאפשר להיות מותקן ומופעל בתנאים כבדים. ניתן לגשת בקלות להגדרות תפעוליות ולחייג אליהן באמצעות תפריט אינטואיטיבי, אליו ניתן לגשת באמצעות תצוגת מגע צבעונית דיגיטלית ושלט רחוק בדפדפן. לכן, כל תנאי העיבוד כגון אנרגיה נטו, אנרגיה כוללת, משרעת, זמן, לחץ וטמפרטורה נרשמים באופן אוטומטי על כרטיס SD מובנה. זה מאפשר לך לתקן ולהשוות ריצות sonication הקודם כדי לייעל את הסינתזה ואת הפונקציונליזציה של ננו זרזים ליעילות הגבוהה ביותר.
מערכות אולטרסוניקה Hielscher משמשים ברחבי העולם עבור תהליכי סינתזה sonochemical והם הוכיחו להיות אמין עבור סינתזה של ננו-זרזים zeolite באיכות גבוהה, כמו גם נגזרות zeolite. אולטראסאונד תעשייתי Hielscher יכול בקלות להפעיל משרעת גבוהה בפעולה רציפה (24/7/365). אמפליטודות של עד 200μm ניתן ליצור בקלות ברציפות עם sonotrodes סטנדרטי (בדיקות קוליות / קרניים). עבור משרעת גבוהה עוד יותר, sonotrodes קולי מותאם אישית זמינים. בשל החוסן שלהם ותחזוקה נמוכה, ultrasonicators שלנו מותקנים בדרך כלל עבור יישומים חובה כבדה בסביבות תובעניות.
מעבדי אולטראסאונד Hielscher עבור סינתיסייזרים sonochemical, פונקציונליזציה, ננו-מבנה ו deagglomeration מותקנים כבר ברחבי העולם בקנה מידה מסחרי. צרו קשר עכשיו כדי לדון בתהליך הייצור של הננו-זרז שלכם! הצוות המנוסה שלנו ישמח לשתף מידע נוסף על מסלול הסינתזה הסונוכימית, המערכות הקוליות והתמחור!
עם היתרון של שיטת סינתזה קולי, ייצור ננו-זרז mesoporous שלך יצטיין ביעילות, פשטות ועלות נמוכה בהשוואה לתהליכי סינתזה זרז אחרים!

הטבלה להלן נותן לך אינדיקציה של יכולת עיבוד משוער של ultrasonicators שלנו:

נפח תצווה	קצב זרימה	התקנים מומלצים
1 עד 500mL	10 עד 200mL / min	מעלהay
10 עד 2000mL	20 עד 400mL / min	Uf200 ः t, UP400St
0.1 ל 20L	0.2 ל 4 ליטר / דקה	UIP2000hdT
10 עד 100 ליטר	2 עד 10L / min	UIP4000hdT
N.A.	10 עד 100L / min	UIP16000
N.A.	יותר גדול	אשכול UIP16000

תיצור איתנו קשר! / שאל אותנו!

Ultrasonic nano-structuring of metals and zeolites is a highly effective technique to produce high-performance catalysts.

ד"ר אנדריבה-באמלר, אוניברסיטת ביירוית, עובדת עם אולטראסאונד UIP1000hdT על ננו-מבנה של מתכות על מנת להשיג זרזים מעולה.

Ultrasonic high-shear homogenizers are used in lab, bench-top, pilot and industrial processing.

Hielscher אולטרסוניקה מייצרת הומוגניזרים אולטראסוניות ביצועים גבוהים עבור ערבוב יישומים, פיזור, אמולסיה וחילוץ על מעבדה, טייס בקנה מידה תעשייתי.

פוסטים קשורים

ספרות/הפניות

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 שראוי לדעת

דימתיל אתר (DME) כדלק

אחד השימושים העיקריים הצפויים של אתר דימתיל הוא היישום שלה כתחליף פרופאן גפ"מ (גז פרופאן נוזלי), אשר משמש דלק לכלי רכב, במשקי בית ובתעשייה. ב autogas פרופאן, אתר דימתיל יכול לשמש גם blendstock.
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 נחוצים כדי לאפשר למנוע דיזל לשרוף אתר דימתיל. הפשטות של תרכובת זו שרשרת פחמן קצר מוביל במהלך בעירה לפליטות נמוכות מאוד של חומר חלקיקי. מסיבות אלה, כמו גם להיות ללא גופרית, אתר דימתיל עומד אפילו תקנות הפליטה המחמירות ביותר באירופה (EURO5), ארה"ב (ארה"ב. 2010), ויפן (2009 יפן).

High performance ultrasonics! Hielscher's product range covers the full spectrum from the compact lab ultrasonicator over bench-top units to full-industrial ultrasonic systems.

Hielscher אולטרסוניקה מייצרת homogenizers קולי ביצועים גבוהים מ מַעבָּדָה ל גודל תעשייתי.