Ultrazvučna priprema katalizatora za pretvorbu dimetil etera (DME).

Dimetil eter (DME) je povoljno alternativno gorivo, koje se može sintetizirati iz metanola, CO₂ ili sintetskog plina putem katalize. Za katalitičku pretvorbu u DME potrebni su snažni katalizatori. Mezoporozni katalizatori nano veličine kao što su mezoporozni kiseli zeoliti, ukrašeni zeoliti ili metalni katalizatori nano veličine kao što su aluminij ili bakar mogu značajno poboljšati pretvorbu DME. Ultrazvuk visokog intenziteta je vrhunska tehnika za pripremu visoko reaktivnih nano-katalizatora. Saznajte više o tome kako koristiti ultrazvuk za proizvodnju mikro- i mezoporoznih katalizatora s izvrsnom reaktivnošću i selektivnošću!

Bifunkcionalni katalizatori za izravnu pretvorbu DME

Proizvodnja dimetil etera (DME) dobro je uhodan industrijski proces koji je podijeljen u dva koraka: prvo, katalitičko hidrogeniranje sintetičkog plina u metanol (CO / CO₂ + 3H₂ → CH₃OH + H₂HO) i drugo, naknadna katalitička dehidracija metanola preko kiselih katalizatora za proizvodnju (2CH₃OH → CH₃OCH₃ + H₂O). Glavno ograničenje ove dvostupanjske DME sinteze povezano je s niskom termodinamikom tijekom faze sinteze metanola, što rezultira niskom konverzijom plina po prolazu (15-25%). Pritom nastaju visoki omjeri recirkulacije kao i visoki kapitalni i operativni troškovi.
Kako bi se prevladalo ovo termodinamičko ograničenje, izravna sinteza DME-a znatno je povoljnija: u izravnoj pretvorbi DME-a, korak sinteze metanola povezan je s korakom dehidracije u jednom reaktoru
(2CO / CO₂ + 6H₂ → CH₃OCH₃ + 3H₂O).

Izravna sinteza DME-a omogućuje povećanje razine konverzije po koraku, do 19%, što znači značajno smanjenje troškova u pogledu ulaganja i operativnih troškova proizvodnje DME-a. Na temelju procjena, troškovi proizvodnje DME-a u izravnoj sintezi smanjeni su za 20-30% u usporedbi s konvencionalnim procesom konverzije u dva koraka. Kako bi se upravljao direktnim putem sinteze DME-a, neophodan je visoko učinkovit hibridni bifunkcionalni katalitički sustav. Potreban katalizator mora nuditi funkcionalnost za hidrogenaciju CO / CO2 za sintezu metanola i kisele funkcionalnosti, koje pomažu dehidraciju metanola. (usp. Millán et al. 2020.)

Sinteza visokoreaktivnih katalizatora za pretvorbu DME pomoću Power-Ultrasounda

Reaktivnost i selektivnost katalizatora za pretvorbu dimetil etera može se značajno poboljšati ultrazvučnom obradom. Zeoliti kao što su kiseli zeoliti (npr. aluminosilikatni zeolit HZSM-5) i ukrašeni zeoliti (npr. s CuO/ZnO/Al₂O₃) su glavni katalizatori koji se uspješno koriste za proizvodnju DME.

Kloriranje i fluoriranje zeolita su učinkovite metode za podešavanje katalitičke kiselosti. Klorirani i fluorirani zeolit katalizatori pripremljeni su impregnacijom zeolita (H-ZSM-5, H-MOR ili HY) korištenjem dva halogena prekursora (amonijev klorid i amonijev fluorid) u studiji istraživačkog tima Aboul-Fotouh. Utjecaj ultrazvučnog zračenja procijenjen je za optimizaciju oba halogena prekursora za proizvodnju dimetiletera (DME) dehidracijom metanola u reaktoru s fiksnim slojem. Usporedno ispitivanje DME katalize pokazalo je da halogenirani zeolit katalizatori pripremljeni pod ultrazvučnim zračenjem pokazuju veću učinkovitost za stvaranje DME. (Aboul-Fotouh i sur., 2016.)
U drugoj studiji, istraživački tim istraživao je sve važne varijable ultrazvučne obrade koje su se pojavile tijekom provođenja dehidracije metanola na H-MOR zeolitnim katalizatorima za proizvodnju dimetiletera. Za svoje pokuse sonikacije, istraživački tim koristio je Hielscher UP50H ultrazvučni uređaj tipa sonde. Snimanje ultrazvučnim H-MOR zeolita (Mordenite zeolita) skeniranim elektronskim mikroskopom (SEM) razjasnilo je da metanol sam po sebi upotrijebljen kao medij za ultrazvučnu obradu daje najbolje rezultate u pogledu homogenosti veličina čestica u usporedbi s neobrađenim katalizatorom, gdje su veliki aglomerati i ne -pojavili su se homogeni grozdovi. Ovi su nalazi potvrdili da ultrazvuk ima dubok učinak na rezoluciju jedinične ćelije, a time i na katalitičko ponašanje dehidracije metanola u dimetil eter (DME). NH3-TPD pokazuje da je ultrazvučno zračenje povećalo kiselost H-MOR katalizatora i stoga ima katalitičku izvedbu za stvaranje DME. (Aboul-Gheit i sur., 2014.)

Gotovo sav komercijalni DME proizvodi se dehidracijom metanola korištenjem različitih krutih kiselinskih katalizatora kao što su zeoliti, silika-aluminijev oksid, aluminijev oksid, Al₂O₃–B₂O₃, itd. sljedećom reakcijom:
2CH₃OH <—> CH₃OCH₃ +H₂O(-22,6k jmol^-1)

Koshbin i Haghighi (2013) pripremili su CuO–ZnO–Al₂O₃/HZSM-5 nanokatalizatora kombiniranom metodom koprecipitacije i ultrazvuka. Istraživački tim otkrio je „da korištenje ultrazvučne energije ima veliki utjecaj na disperziju funkcije hidrogenacije CO i posljedično na izvedbu sinteze DME. Trajnost sintetiziranog nanokatalizatora potpomognutog ultrazvukom istražena je tijekom reakcije sinteznog plina u DME. Nanokatalizator gubi zanemarivu aktivnost tijekom reakcije zbog stvaranja koksa na vrstama bakra.” [Khoshbin i Haghighi, 2013.]

Alternativni nano-katalizator bez zeolita, koji je također vrlo učinkovit u promicanju pretvorbe DME, je porozni γ-aluminijev oksid katalizator nano veličine. Porozni γ-aluminijev oksid nano veličine uspješno je sintetiziran taloženjem uz ultrazvučno miješanje. Sonokemijski tretman potiče sintezu nano čestica. (usp. Rahmanpour et al., 2012.)

Zašto su ultrazvučno pripremljeni nano-katalizatori superiorni?

Za proizvodnju heterogenih katalizatora često su potrebni materijali visoke dodane vrijednosti kao što su plemeniti metali. To čini katalizatore skupima i stoga su povećanje učinkovitosti kao i produljenje životnog ciklusa katalizatora važni ekonomski čimbenici. Među metodama pripreme nanokatalizatora, sonokemijska tehnika se smatra visoko učinkovitom metodom. Sposobnost ultrazvuka da stvori visoko reaktivne površine, da poboljša miješanje i poveća prijenos mase čini ga tehnikom koja posebno obećava za istraživanje za pripremu i aktivaciju katalizatora. Može proizvoditi homogene i raspršene nanočestice bez potrebe za skupim instrumentima i ekstremnim uvjetima.
U nekoliko istraživačkih studija znanstvenici su došli do zaključka da je ultrazvučna priprema katalizatora najpovoljnija metoda za proizvodnju homogenih nano-katalizatora. Među metodama pripreme nanokatalizatora, sonokemijska tehnika se smatra visoko učinkovitom metodom. Sposobnost intenzivne sonikacije za stvaranje visoko reaktivnih površina, poboljšanje miješanja i povećanje transporta mase čini ovu tehniku posebno obećavajućom za istraživanje za pripremu i aktivaciju katalizatora. Može proizvoditi homogene i raspršene nanočestice bez potrebe za skupim instrumentima i ekstremnim uvjetima. (usp. Koshbin i Haghighi, 2014.)

Visokoučinkoviti ultrazvučni uređaji za sintezu mezoporoznih katalizatora

Sonokemijska oprema za sintezu visokoučinkovitih nano-katalizatora lako je dostupna u bilo kojoj veličini – od kompaktnih laboratorijskih ultrazvučnih uređaja do potpuno industrijskih ultrazvučnih reaktora. Hielscher Ultrasonics dizajnira, proizvodi i distribuira ultrazvučne uređaje velike snage. Svi ultrazvučni sustavi izrađuju se u sjedištu u Teltowu u Njemačkoj i odatle se distribuiraju diljem svijeta.
Sofisticirani hardver i pametni softver Hielscher ultrasoničara dizajnirani su da jamče pouzdan rad, ponovljive rezultate kao i lakoću korištenja. Hielscher ultrasonicators su robusni i pouzdani, što omogućuje instaliranje i rad pod teškim uvjetima rada. Operativnim postavkama može se jednostavno pristupiti i birati putem intuitivnog izbornika, kojem se može pristupiti putem digitalnog zaslona u boji osjetljivog na dodir i daljinskog upravljača 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 reviziju i usporedbu prethodnih sonikacijskih ciklusa i optimizaciju sinteze i funkcionalizacije nano-katalizatora do najveće učinkovitosti.
Hielscher Ultrasonics sustavi koriste se diljem svijeta za procese sonokemijske sinteze i dokazano su pouzdani za sintezu visokokvalitetnih zeolitnih nano-katalizatora kao i derivata zeolita. Hielscher industrijski ultrasonicators može lako pokrenuti visoke amplitude u kontinuiranom radu (24/7/365). Amplitude do 200 µm mogu se lako kontinuirano generirati sa standardnim sonotrodama (ultrazvučne sonde / rogovi). Za još veće amplitude dostupne su prilagođene ultrazvučne sonotrode. Zbog svoje robusnosti i malog održavanja, naši ultrazvučni uređaji obično se instaliraju za teške primjene iu zahtjevnim okruženjima.
Hielscher ultrazvučni procesori za sonokemijske sinteze, funkcionalizaciju, nano-strukturiranje i deaglomeraciju već su instalirani širom svijeta na komercijalnoj razini. Kontaktirajte nas sada kako bismo razgovarali o vašem procesu proizvodnje nano-katalizatora! Naše iskusno osoblje rado će podijeliti više informacija o putu sonokemijske sinteze, ultrazvučnim sustavima i cijenama!
Uz prednost ultrazvučne metode sinteze, vaša proizvodnja mezoporoznog nano-katalizatora isticat će se u učinkovitosti, jednostavnosti i niskoj cijeni u usporedbi s drugim procesima sinteze katalizatora!

Donja tablica daje vam naznaku približnog kapaciteta obrade naših ultrazvučnih uređaja: