Ultrazvučna priprema katalizatora za pretvorbu u dimetil-eter (DME)

Dimetil-eter (DME) povoljno je alternativno gorivo koje se katalizom može sintetizirati iz metanola, CO₂ ili sinteznog plina. Za katalitičku pretvorbu u DME potrebni su učinkoviti katalizatori. Mezoporozni katalizatori nanometarskih dimenzija, poput mezoporoznih kiselih zeolita, dekoriranih zeolita ili metalnih katalizatora nanometarskih dimenzija, poput aluminija ili bakra, mogu znatno poboljšati pretvorbu u DME. Ultrazvuk visokog intenziteta nadmoćna je tehnika za pripremu visokoreaktivnih nanokatalizatora. Saznajte više o tome kako primijeniti sonikaciju za proizvodnju mikroporoznih i mezoporoznih katalizatora s izvrsnom reaktivnošću i selektivnošću!

Bifunkcionalni katalizatori za izravnu pretvorbu u DME

Proizvodnja dimetil-etera (DME) dobro je uhodan industrijski proces podijeljen u dva koraka: prvi je katalitičko hidrogeniranje sinteznog plina u metanol (CO / CO₂ + 3H₂ → CH₃OH + H₂HO), a drugi naknadna katalitička dehidracija metanola na kiselim katalizatorima radi proizvodnje (2CH₃OH → CH₃OCH₃ + H₂O). Glavno ograničenje ove sinteze DME-a u dva koraka povezano je s niskom termodinamikom tijekom faze sinteze metanola, što rezultira niskom konverzijom plina po prolazu (15–25%). Pritom dolazi do visokih omjera recirkulacije te visokih kapitalnih i operativnih troškova.
Kako bi se prevladalo ovo termodinamičko ograničenje, izravna sinteza DME-a znatno je povoljnija: pri izravnoj pretvorbi u DME korak sinteze metanola povezuje se s korakom dehidracije u jednom reaktoru
(2CO / CO₂ + 6H₂ → CH₃OCH₃ + 3H₂O).

Izravna sinteza DME-a omogućuje povećanje stupnja konverzije po koraku, do 19%, što znači znatno smanjenje investicijskih i operativnih troškova proizvodnje DME-a. Prema procjenama, troškovi proizvodnje DME-a izravnom sintezom smanjuju se za 20–30% u usporedbi s konvencionalnim postupkom pretvorbe u dva koraka. Za provedbu izravne sinteze DME-a potreban je visokoučinkovit hibridni bifunkcionalni katalitički sustav. Potrebni katalizator mora imati funkcionalnost za hidrogeniranje CO / CO2 radi sinteze metanola te kisele funkcionalnosti koje potpomažu dehidraciju metanola. (usp. Millán et al. 2020)

Sinteza visokoreaktivnih katalizatora za pretvorbu u DME primjenom ultrazvuka velike snage

Reaktivnost i selektivnost katalizatora za pretvorbu u dimetil-eter mogu se znatno poboljšati ultrazvučnom obradom. Zeoliti poput kiselih zeolita (npr. aluminosilikatnog zeolita HZSM-5) i dekoriranih zeolita (npr. s CuO/ZnO/Al₂O₃) glavni su katalizatori koji se uspješno koriste za proizvodnju DME-a.

Kloriranje i fluoriranje zeolita učinkovite su metode za podešavanje katalitičke kiselosti. U istraživanju istraživačkog tima Aboul-Fotouha klorirani i fluorirani zeolitni katalizatori pripremljeni su impregnacijom zeolita (H-ZSM-5, H-MOR ili H-Y) primjenom dvaju halogenih prekursora (amonijeva klorida i amonijeva fluorida). Procijenjen je utjecaj ultrazvučnog ozračivanja radi optimizacije obaju halogenih prekursora za proizvodnju dimetil-etera (DME) dehidracijom metanola u reaktoru s nepokretnim slojem. Usporedno ispitivanje katalitičke proizvodnje DME-a pokazalo je da halogenirani zeolitni katalizatori pripremljeni uz ultrazvučno ozračivanje pokazuju veću učinkovitost u stvaranju DME-a. (Aboul-Fotouh et al., 2016)
U drugom istraživanju istraživački je tim ispitao sve važne varijable ultrazvučne obrade koje se pojavljuju pri provedbi dehidracije metanola na zeolitnim katalizatorima H-MOR radi proizvodnje dimetil-etera. Za svoje pokuse sonikacije istraživački je tim upotrijebio ultrazvučni uređaj sa sondom Hielscher UP50H. Snimanje sonikacijom obrađenog zeolita H-MOR (zeolita mordenita) pretražnim elektronskim mikroskopom (SEM) pokazalo je da sam metanol, kada se upotrebljava kao medij za ultrazvučnu obradu, daje najbolje rezultate u pogledu homogenosti veličina čestica u usporedbi s neobrađenim katalizatorom, u kojem su se pojavili veliki aglomerati i nehomogene nakupine. Ti su nalazi potvrdili da ultrazvučna obrada ima snažan učinak na razlučivost jedinične ćelije, a time i na katalitičko ponašanje pri dehidraciji metanola u dimetil-eter (DME). NH3-TPD pokazuje da je ultrazvučno ozračivanje povećalo kiselost katalizatora H-MOR, a time i njegovu katalitičku učinkovitost u stvaranju DME-a. (Aboul-Gheit et al., 2014)

Gotovo sav komercijalni DME proizvodi se dehidracijom metanola uz primjenu različitih čvrstih kiselih katalizatora kao što su zeoliti, silicijev dioksid–aluminijev oksid, aluminijev oksid, Al₂O₃–B₂O₃ itd., prema sljedećoj reakciji:
2CH₃OH <—> CH₃OCH₃ +H₂O(-22,6k jmol^-1)

Koshbin i Haghighi (2013) pripremili su nanokatalizatore CuO–ZnO–Al₂O₃/HZSM-5 kombiniranom metodom sutaloženja i ultrazvučne obrade. Istraživački je tim utvrdio „da primjena ultrazvučne energije ima velik utjecaj na raspršenost funkcije hidrogenacije CO, a time i na učinkovitost sinteze DME-a. Trajnost nanokatalizatora sintetiziranog uz pomoć ultrazvuka ispitana je tijekom reakcije pretvorbe sinteznog plina u DME. Nanokatalizator tijekom reakcije gubi zanemarivu aktivnost zbog stvaranja koksa na bakrenim vrstama.” [Khoshbin and Haghighi, 2013.]

Alternativni nezeolitni nanokatalizator, koji je također vrlo učinkovit u poticanju pretvorbe u DME, jest porozni katalizator od γ-aluminijeva oksida nanometarske veličine. Porozni γ-aluminijev oksid nanometarske veličine uspješno je sintetiziran taloženjem uz ultrazvučno miješanje. Sonokemijska obrada potiče sintezu nanočestica. (usp. Rahmanpour et al., 2012)

Zašto su ultrazvučno pripremljeni nanokatalizatori superiorni?

Za proizvodnju heterogenih katalizatora često su potrebni materijali visoke dodane vrijednosti, poput plemenitih metala. Zbog toga su katalizatori skupi pa su povećanje njihove učinkovitosti i produljenje životnog ciklusa važni ekonomski čimbenici. Među metodama pripreme nanokatalizatora sonokemijska tehnika smatra se vrlo učinkovitom metodom. Sposobnost ultrazvuka da stvara vrlo reaktivne površine, poboljšava miješanje i povećava prijenos tvari čini ga posebno obećavajućom tehnikom za istraživanje pripreme i aktivacije katalizatora. Njime se mogu proizvesti homogene i dispergirane nanočestice bez potrebe za skupim instrumentima i ekstremnim uvjetima.
U nekoliko istraživanja znanstvenici zaključuju da je ultrazvučna priprema katalizatora najpovoljnija metoda za proizvodnju homogenih nanokatalizatora. Među metodama pripreme nanokatalizatora sonokemijska tehnika smatra se vrlo učinkovitom metodom. Sposobnost intenzivne sonikacije da stvara vrlo reaktivne površine, poboljšava miješanje i povećava prijenos tvari čini je posebno obećavajućom tehnikom za istraživanje pripreme i aktivacije katalizatora. Njome se mogu proizvesti homogene i dispergirane nanočestice bez potrebe za skupim instrumentima i ekstremnim uvjetima. (usp. Koshbin i Haghighi, 2014)

Ultrazvučni uređaji visokih performansi za sintezu mezoporoznih katalizatora

Sonokemijska oprema za sintezu nanokatalizatora visokih performansi lako je dostupna u svim veličinama – od kompaktnih laboratorijskih ultrazvučnih uređaja do potpuno industrijskih ultrazvučnih reaktora. Hielscher Ultrasonics projektira, proizvodi i distribuira ultrazvučne uređaje velike snage. Svi ultrazvučni sustavi proizvode se u sjedištu tvrtke u Teltowu u Njemačkoj i odatle se distribuiraju diljem svijeta.
Sofisticirani hardver i pametni softver Hielscher ultrazvučnih uređaja osmišljeni su kako bi jamčili pouzdan rad, ponovljive rezultate i jednostavnost uporabe. Hielscher ultrazvučni uređaji robusni su i pouzdani, što omogućuje njihovu ugradnju i rad u teškim radnim uvjetima. Radnim postavkama može se lako pristupiti i podesiti ih putem intuitivnog izbornika, kojem se može pristupiti putem digitalnog zaslona u boji osjetljivog na dodir i daljinskog upravljanja putem preglednika. Stoga se svi uvjeti obrade, kao što su neto energija, ukupna energija, amplituda, vrijeme, tlak i temperatura, automatski bilježe na ugrađenu SD karticu. To vam omogućuje pregled i usporedbu prethodnih postupaka sonikacije te optimizaciju sinteze i funkcionalizacije nanokatalizatora radi postizanja najviše učinkovitosti.
Sustavi Hielscher Ultrasonics upotrebljavaju se diljem svijeta za postupke sonokemijske sinteze i dokazano su pouzdani za sintezu visokokvalitetnih zeolitnih nanokatalizatora i derivata zeolita. Hielscher industrijski ultrazvučni uređaji mogu lako raditi pri visokim amplitudama u kontinuiranom radu (24/7/365). Amplitude do 200µm mogu se lako kontinuirano generirati standardnim sonotrodama (ultrazvučnim sondama / rogovima). Za još više amplitude dostupne su prilagođene ultrazvučne sonotrode. Zbog svoje robusnosti i malih zahtjeva za održavanjem naši se ultrazvučni uređaji često ugrađuju za primjene u teškim radnim uvjetima i u zahtjevnim okruženjima.
Hielscher ultrazvučni procesori za sonokemijske sinteze, funkcionalizaciju, nanostrukturiranje i deaglomeraciju već su ugrađeni diljem svijeta u komercijalnom mjerilu. Obratite nam se sada kako bismo razgovarali o vašem postupku proizvodnje nanokatalizatora! Naše iskusno osoblje rado će vam pružiti više informacija o putu sonokemijske sinteze, ultrazvučnim sustavima i cijenama!
Zahvaljujući prednostima metode ultrazvučne sinteze vaša će se proizvodnja mezoporoznih nanokatalizatora isticati učinkovitošću, jednostavnošću i niskim troškovima u usporedbi s drugim postupcima sinteze katalizatora!

Tablica u nastavku daje pregled približnog kapaciteta obrade naših ultrazvučnih uređaja: