Ultrahangos előkészítése katalizátorok dimetil-éter (DME) átalakítás
Kétfunkciós katalizátorok a közvetlen DME átalakításhoz
A dimetil-éter (DME) előállítása jól bevált ipari folyamat, amely két lépésre oszlik: először is a szingáz katalitikus hidrogénezése metanollá (CO / CO2 + 3H2 → CH3OH + H2HO) és másodszor, a metanol későbbi katalitikus dehidratációja a sav-katalizátorok felett (2CH3OH → CH3OCH3 + H2O). Ennek a kétlépcsős DME szintézisnek a fő korlátja a metanolszintézis fázisában az alacsony termodinamika, ami alacsony gázátalakulást eredményez áthaladásonként (15-25%). Ezáltal magas recirkulációs arányok, valamint magas tőke- és működési költségek jelentkeznek.
E termodinamikai korlát leküzdése érdekében a közvetlen DME szintézis lényegesen kedvezőbb: A közvetlen DME átalakításban a metanol szintézis lépése egyetlen reaktor dehidratációs lépésével párosul
(2CO / CO2 + 6H2 → CH3OCH3 + 3H2O).

Az ultrahangos UIP2000hdT (2kW) az átfolyásos reaktorral a mezopotámiai nanokatalizátorok (pl. díszített zeolitok) szonokémiai szintézisére szolgáló általánosan használt beállítás.

Dimetil-éter (DME) közvetlen szintézise szingázból kétfunkciós katalizátoron.
(© Millán et al. 2020)
Szintézise erősen reaktív katalizátorok DME átalakítás segítségével Power-Ultrahang
A dimetil-éter átalakítás katalizátorainak reakcióképessége és szelektivitása jelentősen javítható ultrahangos kezeléssel. Zeolitok, például savas zeolitok (pl. aluminoszilicát zeolit HZSM-5) és díszített zeolitok (pl. CuO/ZnO/Al2O3) a DME-gyártásban sikeresen használt fő katalizátorok.

A CuO-ZnO-Al2O3/HZSM-5 hibrid ko-csapadék-ultrahang szintézise, amelyet a szingas és a dimetil-éter közvetlen konvergenciájában használnak zöld üzemanyagként.
Tanulmány és kép: Khoshbin és Haghighi, 2013.]
A zeolitok klórozása és fluorizálása hatékony módszerek a katalitikus savasság hangolására. A klórozott és fluorozott zeolit katalizátorokat zeolitok (H-ZSM-5, H-MOR vagy H-Y) impregnálásával készítették két halogén prekurzor (ammónium-klorid és ammónium-fluorid) felhasználásával az Aboul-Fotouh kutatócsoportjának tanulmányában. Az ultrahangos besugárzás hatását úgy értékelték, hogy mindkét halogén prekurzort dimetil-ether (DME) előállítására optimalizálták metanol dehidratációval egy rögzített ágyas reaktorban. Összehasonlító DME katalízis vizsgálat kimutatta, hogy a halogénezett zeolit katalizátorok alatt ultrahangos besugárzás azt mutatják, nagyobb teljesítményt DME kialakulását. (Aboul-Fotouh és mtsai., 2016)
Egy másik tanulmányban a kutatócsoport megvizsgálta az összes fontos ultrahangos változót, amely a metanol H-MOR zeolit katalizátorokon való dehidratációja során találkozott, hogy dimetil-etteret állítson elő. A Sonication eperiments, a kutatócsoport használta a Hielscher UP50H szonda típusú ultrahangos. Pásztázó elektronmikroszkóp (SEM) képalkotó a szonikált H-MOR zeolit (Mordenite zeolit) tisztázta, hogy a metanol önmagában használt ultrahangos közeg ad a legjobb eredményt a homogenitása részecskeméretek képest a kezeletlen katalizátor, ahol nagy agglomerátumok és nem homogén klaszterek jelentek meg. Ezek az eredmények igazolták, hogy az ultrahangos kezelés mély hatással van az egység sejtfelbontására, és így a metanol dimetil-éterre (DME) történő dehidratálásának katalitikus viselkedésére. NH3-TPD azt mutatja, hogy ultrahang besugárzás növelte a savasság a H-MOR katalizátor, és ezért katalitikus teljesítményt DME kialakulását. (Aboul-Gheit et al., 2014)

SEM ultrahangos H-MOR különböző adathordozókon
Tanulmány és képek: ©Aboul-Gheit et al., 2014
Szinte minden kereskedelmi DME-t a metanol dehidratálásával állítanak elő különböző szilárd sav katalizátorokkal, mint például zeolitok, sillica-timföld, timföld, Al2O3–B2O3, stb. a következő reakcióval:
2CH3Ó <—> Ch3OCH3 +H2O(-22.6k jmol-1)
Koshbin és Haghighi (2013) elkészítette a CuO–ZnO–Al2O3/HZSM-5 nanokatalizonok kombinált együttcsapás-ultrahang módszerrel. A kutatócsoport megállapította, hogy "az ultrahang energia alkalmazása nagy hatással van a CO hidrogénező funkció diszperziós hatására, és következésképpen a DME szintézis teljesítményére. Az ultrahang által támogatott szintetizált nanokatalizátor tartósságát vizsgálták a syngas-DME reakció során. A nanokataliszter a rézfajok kokszképződése miatt a reakció során elhanyagolható aktivitást veszít." [Khoshbin és Haghighi, 2013.]
Egy alternatív, nem zeolit nano-katalizátor, amely szintén nagyon hatékony a DME átalakítás előmozdításában, egy nano méretű porózus γ timföld katalizátor. Nano méretű porózus γ-timföld sikeresen szintetizált csapadék alatt ultrahangos keverés. A szonokémiai kezelés elősegíti a nanorészecskék szintézisét. (vö. Rahmanpour és mtsai., 2012)
Miért ultrahangosan elkészített Nano-Katalizátorok Superior?
A heterogén katalizátorok előállításához gyakran magas hozzáadott értékű anyagokra, például nemesfémekre van szükség. Ez költségessé teszi a katalizátorokat, ezért a hatékonyság növelése, valamint a katalizátorok életciklusának meghosszabbítása fontos gazdasági tényezők. A nanokataliziszták előkészítési módszerei közül a szonokémiai technikát rendkívül hatékony módszernek tekintik. Az ultrahang képessége, hogy rendkívül reaktív felületeket hozzon létre, javítsa a keverést és növelje a tömegszállítást, különösen ígéretes technikává teszi a katalizátor előkészítésének és aktiválásának feltárását. Homogén és diszpergált nanorészecskéket képes előállítani drága műszerek és szélsőséges körülmények nélkül.
Számos kutatási tanulmányban a tudósok arra a következtetésre jutnak, hogy az ultrahangos katalizátor-előkészítés a homogén nano-katalizátorok előállításának legelőnyösebb módszere. A nanokataliziszták előkészítési módszerei közül a szonokémiai technikát rendkívül hatékony módszernek tekintik. Az intenzív szonikálás képessége, hogy rendkívül reaktív felületeket hozzon létre, javítsa a keverést és növelje a tömegszállítást, különösen ígéretes technikává teszi a katalizátor előkészítésének és aktiválásának feltárását. Homogén és diszpergált nanorészecskéket képes előállítani drága műszerek és szélsőséges körülmények nélkül. (vö. Koshbin és Haghighi, 2014)

A szonokémiai szintézis egy rendkívül aktív nanoszerkezetű CuO–ZnO–Al2O3/HZSM–5 katalizátort eredményez.
Tanulmány és kép: Khoshbin és Haghighi, 2013.

Az akusztikus kavitáció fémrészecskék módosítására gyakorolt hatásainak sematikus bemutatása. Az alacsony olvadáspontú (MP) fémek, mint a cink (Zn) teljesen oxidáltak; a magas olvadáspontú fémek, mint a nikkel (Ni) és a titán (Ti) felületmódosítást mutatnak szonikáció alatt. Az alumínium (Al) és a magnézium (Mg) mezopotámiai szerkezeteket alkot. A Nobel-fémek ellenállnak az ultrahang besugárzásának az oxidációval szembeni stabilitásuk miatt. A fémek olvadási pontjait Kelvin (K) fokban határozták meg.
Nagy teljesítményű ultrahangosok a mezopotámiai katalizátorok szintéziséhez
A nagy teljesítményű nano-katalizátorok szintézisére szolgáló szonokémiai berendezések bármilyen méretben könnyen elérhetők – a kompakt labor ultrahangosátoroktól a teljesen ipari ultrahangos reaktorokig. A Hielscher Ultrasonics nagy teljesítményű ultrahangos eket tervez, gyárt és forgalmaz. Minden ultrahangos rendszerek készülnek a székhely teltow, Németország és elosztott onnan a világ minden tájáról.
A Hielscher ultrahangos készülék kifinomult hardverét és intelligens szoftverét úgy tervezték, hogy garantálja a megbízható működést, a reprodukálható eredményeket és a felhasználóbarátságot. A Hielscher ultrahangosok robusztusak és megbízhatóak, ami lehetővé teszi a nagy teherbírású körülmények között való telepítést és üzemeltetést. Az üzemeltetési beállítások könnyen elérhetők és tárcsázhatók intuitív menün keresztül, amely digitális színes érintőképernyővel és böngésző távirányítóval érhető el. Ezért minden feldolgozási feltétel, például a nettó energia, a teljes energia, az amplitúdó, az idő, a nyomás és a hőmérséklet automatikusan rögzítésre kerül egy beépített SD-kártyán. Ez lehetővé teszi a korábbi ultrahangos futások felülvizsgálatát és összehasonlítását, valamint a nano-katalizátorok szintézisének és funkcionalizálásának optimalizálását a legnagyobb hatékonyság érdekében.
A Hielscher Ultrasonics rendszereket világszerte használják szonokémiai szintézisi folyamatokhoz, és bizonyítottan megbízhatóak a kiváló minőségű zeolit nano-katalizátorok, valamint a zeolit származékok szintéziséhez. A Hielscher ipari ultrahangos sugárzók folyamatos működés mellett könnyen képesek nagy amplitúdók működtetésére (24/7/365). Az akár 200 μm amplitúdók könnyen folyamatosan előállhatók szabványos szonotródokkal (ultrahangos szondák / szarvak). A még nagyobb amplitúdókhoz testreszabott ultrahangos szonotródok állnak rendelkezésre. Robusztusságuk és alacsony karbantartásuk miatt ultrahangos sugárzóinkat általában nagy teherbírású alkalmazásokhoz és igényes környezetekhez szerelik fel.
Hielscher ultrahangos processzorok szonokémiai szintetizátorok, funkcionalizálás, nano-strukturálás és deagglomeration már telepítve van világszerte kereskedelmi méretekben. Vegye fel velünk a kapcsolatot most, hogy megvitassák a nano-katalizátor gyártási folyamat! Tapasztalt munkatársaink örömmel osztanak meg további információkat a szonokémiai szintézis útvonaláról, ultrahangos rendszerekről és árképzésről!
Az ultrahangos szintézis módszerének előnyével a mezopotámiai nano-katalizátor gyártás a hatékonyságban, az egyszerűségben és az alacsony költségben kiemelkedik más katalizátor szintézisi folyamatokhoz képest!
Az alábbi táblázat az ultrahangos készülékek hozzávetőleges feldolgozási kapacitását jelzi:
Kötegelt mennyiség | Áramlási sebesség | Ajánlott eszközök |
---|---|---|
1 - 500 ml | 10-200 ml / perc | UP100H |
10-2000 ml | 20-400 ml / perc | Uf200 ः t, UP400St |
0.1-20L | 02 - 4 L / perc | UIP2000hdT |
10-100 liter | 2 - 10 l / perc | UIP4000hdT |
na | 10 - 100 l / perc | UIP16000 |
na | nagyobb | klaszter UIP16000 |
Lépjen kapcsolatba velünk! / Kérdezz minket!

Dr. Andreeva-Bäumler, Bayreuth Egyetem, dolgozik a ultrahangos UIP1000hdT a fémek nanoszerkezetéről a kiváló katalizátorok elérése érdekében.
Irodalom / Referenciák
- 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.
Tudni érdemes
Dimetil-éter (DME) mint üzemanyag
A dimetil-éter egyik fő tervezett felhasználási módja a propán helyettesítésére történő alkalmazása a PB-gázban (folyékony propángáz), amelyet járművek üzemanyagaként használnak a háztartásokban és az iparban. A propán-autogázban a dimetil-éter keverékként is használható.
Ezenkívül a DME ígéretes üzemanyag a dízelmotorok és a gázturbinák számára is. A dízelmotorok esetében a magas, 55-ös cetszám, szemben a 40–53-as cetszámú kőolajból származó dízelüzemanyag számával, rendkívül előnyös. Csak mérsékelt módosításokra van szükség ahhoz, hogy a dízelmotor dimetil-éter égjen. Ennek a rövid szénláncú vegyületnek az egyszerűsége az égés során nagyon alacsony szállópor-kibocsátáshoz vezet. Ezen okok miatt, valamint a kén-mentes, dimetil-éter megfelel még a legszigorúbb kibocsátási előírások Európában (EURO5), az Egyesült Államokban (USA 2010) és Japánban (2009 Japán).

Hielscher Ultrahang gyárt nagy teljesítményű ultrahangos homogenizátorok Labor nak nek ipari méretben.