הכנה אולטרסונית של זרזים להמרה לדימתיל אתר (DME)

דימתיל אתר (DME) הוא דלק חלופי מועדף, שניתן לסנתז ממתנול, מ-CO₂ או מגז סינתזה באמצעות קטליזה. להמרה הקטליטית ל-DME נדרשים זרזים רבי עוצמה. זרזים מזופוריים בגודל ננומטרי, כגון זאוליטים חומציים מזופוריים, זאוליטים מעוטרים או זרזים מתכתיים בגודל ננומטרי כגון אלומיניום או נחושת, יכולים לשפר משמעותית את ההמרה ל-DME. אולטרסאונד בעוצמה גבוהה הוא הטכניקה העדיפה להכנת ננו-זרזים בעלי תגובתיות גבוהה. למדו עוד כיצד להשתמש בסוניקציה לייצור זרזים מיקרופוריים ומזופוריים בעלי תגובתיות וסלקטיביות מצוינות!

זרזים דו-תפקודיים להמרה ישירה ל-DME

ייצור דימתיל אתר (DME) הוא תהליך תעשייתי מבוסס היטב, המחולק לשני שלבים: ראשית, הידרוגנציה קטליטית של גז סינתזה למתנול (CO / CO₂ + 3H₂ → CH₃OH + H₂HO) ושנית, דהידרציה קטליטית עוקבת של המתנול על גבי זרזים חומציים לייצור (2CH₃OH → CH₃OCH₃ + H₂O). המגבלה העיקרית של סינתזת DME דו-שלבית זו קשורה לתרמודינמיקה הנמוכה במהלך שלב סינתזת המתנול, המביאה להמרה נמוכה של גז בכל מעבר (15–25%). כתוצאה מכך נדרשים יחסי סחרור חוזר גבוהים, ונגרמות עלויות הון ותפעול גבוהות.
כדי להתגבר על מגבלה תרמודינמית זו, סינתזה ישירה של DME עדיפה באופן משמעותי: בהמרה הישירה ל-DME, שלב סינתזת המתנול משולב עם שלב הדהידרציה בכור יחיד
(2CO / CO₂ + 6H₂ → CH₃OCH₃ + 3H₂O).

הסינתזה הישירה של DME מאפשרת להגדיל את רמות ההמרה בכל שלב, עד ל-19%, ומשמעות הדבר היא הפחתות משמעותיות בעלויות ההשקעה ובעלויות התפעול של ייצור DME. לפי הערכות, עלויות ייצור DME בסינתזה ישירה מופחתות ב-20–30% בהשוואה לתהליך ההמרה הדו-שלבי המקובל. כדי להפעיל את מסלול הסינתזה הישירה של DME, נדרשת מערכת קטליטית היברידית דו-תפקודית יעילה ביותר. הזרז הנדרש חייב לספק תפקוד להידרוגנציה של CO / CO2 לצורך סינתזת מתנול, וכן תפקודים חומציים המסייעים לדהידרציה של המתנול. (ראו Millán et al. 2020)

סינתזה של זרזים בעלי תגובתיות גבוהה להמרה ל-DME באמצעות אולטרסאונד רב-עוצמה

ניתן לשפר משמעותית את התגובתיות והסלקטיביות של זרזים להמרה לדימתיל אתר באמצעות טיפול אולטרסוני. זאוליטים כגון זאוליטים חומציים (למשל זאוליט האלומינוסיליקט HZSM-5) וזאוליטים מעוטרים (למשל ב-CuO/ZnO/Al₂O₃) הם הזרזים העיקריים המשמשים בהצלחה לייצור DME.

הכלרה והפלרה של זאוליטים הן שיטות יעילות לכוונון החומציות הקטליטית. במחקר של צוות המחקר של Aboul-Fotouh הוכנו זרזי הזאוליט המוכלרים והמופלרים באמצעות הספגת זאוליטים (H-ZSM-5, H-MOR או H-Y) בשני חומרי מוצא הלוגניים (אמוניום כלוריד ואמוניום פלואוריד). השפעת ההקרנה האולטרסונית הוערכה לצורך אופטימיזציה של שני חומרי המוצא ההלוגניים לייצור דימתיל אתר (DME) באמצעות דהידרציה של מתנול בריאקטור מצע קבוע. ניסוי השוואתי בקטליזה של DME הראה כי זרזי הזאוליט שעברו הלוגנציה והוכנו תחת הקרנה אולטרסונית מציגים ביצועים גבוהים יותר ביצירת DME. (Aboul-Fotouh et al., 2016)
במחקר אחר בחן צוות המחקר את כל משתני הסוניקציה החשובים במהלך ביצוע דהידרציה של מתנול על זרזי זאוליט H-MOR לייצור דימתיל אתר. לצורך ניסויי הסוניקציה השתמש צוות המחקר במכשיר הסוניקציה Hielscher UP50H מסוג גשוש. דימות במיקרוסקופ אלקטרונים סורק (SEM) של זאוליט H-MOR שעבר סוניקציה (זאוליט מורדניט) הבהיר כי שימוש במתנול לבדו כתווך לסוניקציה מספק את התוצאות הטובות ביותר מבחינת אחידות גודלי החלקיקים, בהשוואה לזרז שלא טופל, שבו הופיעו אגלומרטים גדולים וצברים לא אחידים. ממצאים אלה אישרו כי לסוניקציה יש השפעה עמוקה על רזולוציית תא היחידה, ומכאן גם על ההתנהגות הקטליטית של דהידרציית מתנול לדימתיל אתר (DME). NH3-TPD מראה כי ההקרנה האולטרסונית הגבירה את החומציות של זרז H-MOR, ובכך גם את ביצועיו הקטליטיים ביצירת DME. (Aboul-Gheit et al., 2014)

כמעט כל ה-DME המסחרי מיוצר באמצעות דהידרציה של מתנול תוך שימוש בזרזים חומציים מוצקים שונים, כגון זאוליטים, סיליקה–אלומינה, אלומינה, Al₂O₃–B₂O₃, וכו׳, לפי התגובה הבאה:
2CH₃OH <—> CH₃OCH₃ +H₂O(-22.6k jmol^-1)

Koshbin and Haghighi (2013) הכינו ננו־זרזי CuO–ZnO–Al₂O₃/HZSM-5 בשיטה משולבת של שיקוע משותף ואולטרסאונד. צוות המחקר מצא ״כי לשימוש באנרגיה אולטרסונית יש השפעה רבה על פיזור הפונקציה האחראית להידרוגנציה של CO, וכתוצאה מכך על ביצועי סינתזת ה-DME. עמידותו של הננו־זרז שסונתז בסיוע אולטרסאונד נבחנה במהלך תגובת ההמרה של גז סינתזה ל-DME. הננו־זרז מאבד מידה זניחה של פעילות במהלך התגובה עקב היווצרות קוק על צורוני נחושת.״ [Khoshbin and Haghighi, 2013.]

ננו־זרז חלופי שאינו זאוליט, שגם הוא יעיל מאוד בקידום ההמרה ל-DME, הוא זרז γ-אלומינה נקבובי בגודל ננומטרי. γ-אלומינה נקבובית בגודל ננומטרי סונתזה בהצלחה באמצעות שיקוע תוך ערבוב אולטרסוני. הטיפול הסונוכימי מקדם את סינתזת הננו־חלקיקים. (ראו Rahmanpour et al., 2012)

מדוע ננו־זרזים שהוכנו באמצעות אולטרסאונד עדיפים?

לייצור זרזים הטרוגניים נדרשים לעיתים קרובות חומרים בעלי ערך מוסף גבוה, כגון מתכות יקרות. הדבר מייקר את הזרזים, ולכן שיפור היעילות והארכת מחזור החיים של הזרזים הם גורמים כלכליים חשובים. מבין השיטות להכנת ננו-זרזים, הטכניקה הסונוכימית נחשבת לשיטה יעילה ביותר. היכולת של אולטרסאונד ליצור משטחים בעלי תגובתיות גבוהה, לשפר את הערבוב ולהגביר את מעבר המסה הופכת אותו לטכניקה מבטיחה במיוחד למחקר בתחום ההכנה והשפעול של זרזים. באמצעותה אפשר לייצר ננו-חלקיקים הומוגניים ומפוזרים ללא צורך במכשור יקר ובתנאים קיצוניים.
בכמה מחקרים הגיעו המדענים למסקנה שהכנת זרזים באמצעות אולטרסאונד היא השיטה בעלת היתרונות הרבים ביותר לייצור ננו-זרזים הומוגניים. מבין השיטות להכנת ננו-זרזים, הטכניקה הסונוכימית נחשבת לשיטה יעילה ביותר. היכולת של סוניקציה בעוצמה גבוהה ליצור משטחים בעלי תגובתיות גבוהה, לשפר את הערבוב ולהגביר את מעבר המסה הופכת אותה לטכניקה מבטיחה במיוחד למחקר בתחום ההכנה והשפעול של זרזים. באמצעותה אפשר לייצר ננו-חלקיקים הומוגניים ומפוזרים ללא צורך במכשור יקר ובתנאים קיצוניים. (ראו Koshbin and Haghighi, 2014)

מכשירי אולטרסאונד עתירי ביצועים לסינתזה של זרזים מזופוריים

ציוד סונוכימי לסינתזה של ננו-זרזים עתירי ביצועים זמין בכל גודל – ממכשירי אולטרסאונד מעבדתיים קומפקטיים ועד לכורים אולטרסוניים תעשייתיים מלאים. Hielscher Ultrasonics מתכננת, מייצרת ומפיצה מכשירי אולטרסאונד בהספק גבוה. כל המערכות האולטרסוניות מיוצרות במטה החברה בטלטו, גרמניה, ומופצות משם לכל רחבי העולם.
החומרה המתוחכמת והתוכנה החכמה של המכשירים האולטרסוניים של Hielscher תוכננו להבטיח פעולה אמינה, תוצאות הניתנות לשחזור וידידותיות למשתמש. המכשירים האולטרסוניים של Hielscher עמידים ואמינים, ולכן ניתן להתקינם ולהפעילם בתנאי עבודה קשים. ניתן לגשת בקלות להגדרות ההפעלה ולכוונן אותן באמצעות תפריט אינטואיטיבי, הנגיש דרך צג מגע דיגיטלי צבעוני ובאמצעות שליטה מרחוק דרך הדפדפן. לפיכך, כל תנאי העיבוד, כגון אנרגיה נטו, אנרגיה כוללת, משרעת, זמן, לחץ וטמפרטורה, מתועדים אוטומטית בכרטיס SD מובנה. כך ניתן לבחון ולהשוות מחזורי סוניקציה קודמים ולמטב את הסינתזה והפונקציונליזציה של ננו־זרזים להשגת היעילות הגבוהה ביותר.
מערכות Hielscher Ultrasonics משמשות ברחבי העולם לתהליכי סינתזה סונוכימית, ואמינותן הוכחה בסינתזה של ננו־זרזי זאוליט באיכות גבוהה וכן של נגזרות זאוליט. המכשירים האולטרסוניים התעשייתיים של Hielscher יכולים לפעול בקלות במשרעות גבוהות בהפעלה רציפה (24/7/365). ניתן להפיק בקלות וברציפות משרעות של עד 200µm באמצעות סונוטרודות סטנדרטיות (גשושיות / קרניים אולטרסוניות). להשגת משרעות גבוהות אף יותר, זמינות סונוטרודות אולטרסוניות מותאמות אישית. בזכות עמידותם ודרישות התחזוקה הנמוכות שלהם, המכשירים האולטרסוניים שלנו מותקנים לעיתים קרובות ביישומים הכרוכים בעומסי עבודה כבדים ובסביבות תובעניות.
מעבדים אולטרסוניים של Hielscher לסינתזות סונוכימיות, לפונקציונליזציה, ליצירת מבנים ננומטריים ולפירוק אגלומרטים כבר מותקנים ברחבי העולם בקנה מידה מסחרי. צרו איתנו קשר כעת כדי לדון בתהליך ייצור הננו־זרזים שלכם! הצוות המנוסה שלנו ישמח לספק מידע נוסף על מסלול הסינתזה הסונוכימית, המערכות האולטרסוניות והתמחור!
בזכות יתרונה של שיטת הסינתזה האולטרסונית, ייצור הננו־זרזים המזופוריים שלכם יצטיין ביעילות, בפשטות ובעלות נמוכה בהשוואה לתהליכים אחרים לסינתזת זרזים!

הטבלה שלהלן מספקת אינדיקציה לכושר העיבוד המשוער של המכשירים האולטרסוניים שלנו: