Katalizátorok ultrahangos előállítása a dimetil-éter (DME) előállítására irányuló átalakításhoz

A dimetil-éter (DME) kedvező alternatív üzemanyag, amely katalízissel metanol, CO₂ vagy szintézisgáz felhasználásával állítható elő. A DME-vé történő katalitikus átalakításhoz hatékony katalizátorok szükségesek. A nanoméretű mezopórusos katalizátorok, például a mezopórusos savas zeolitok, a felületükön más komponensekkel ellátott zeolitok vagy a nanoméretű fémkatalizátorok, például az alumínium vagy a réz, jelentősen javíthatják a DME-vé történő átalakítást. A nagy intenzitású ultrahang a legkiválóbb technika a nagy reakcióképességű nanokatalizátorok előállítására. Tudjon meg többet arról, hogyan használható az ultrahangos kezelés kiváló reakcióképességű és szelektivitású mikro- és mezopórusos katalizátorok előállítására!

Bifunkciós katalizátorok a közvetlen DME-vé alakításhoz

A dimetil-éter (DME) előállítása jól bevált ipari eljárás, amely két lépésre oszlik: először a szintézisgáz katalitikus hidrogénezése metanollá (CO / CO₂ + 3H₂ → CH₃OH + H₂HO), másodszor pedig a metanol ezt követő katalitikus vízelvonása savas katalizátorokon, előállítás céljából (2CH₃OH → CH₃OCH₃ + H₂O). E kétlépéses DME-szintézis fő korlátja a metanolszintézis szakaszában fennálló alacsony termodinamikához kapcsolódik, amely áthaladásonként alacsony gázkonverziót eredményez (15–25%). Emiatt nagy visszaforgatási arányok, valamint magas beruházási és üzemeltetési költségek jelentkeznek.
E termodinamikai korlát leküzdésére a közvetlen DME-szintézis lényegesen kedvezőbb: a közvetlen DME-vé alakítás során a metanolszintézis lépését egyetlen reaktorban kapcsolják össze a vízelvonási lépéssel
(2CO / CO₂ + 6H₂ → CH₃OCH₃ + 3H₂O).

A DME közvetlen szintézise lehetővé teszi a lépésenkénti konverzió szintjének növelését, akár 19%-ig, ami jelentős költségcsökkenést jelent a DME előállításának beruházási és üzemeltetési költségeiben. Becslések szerint a közvetlen szintézis során a DME előállítási költségei 20–30%-kal csökkennek a hagyományos kétlépéses átalakítási eljáráshoz képest. A közvetlen DME-szintézis megvalósításához nagy hatékonyságú hibrid bifunkciós katalitikus rendszer szükséges. A szükséges katalizátornak rendelkeznie kell a metanolszintézishez szükséges CO / CO2-hidrogénezési funkcióval, valamint a metanol vízelvonását elősegítő savas funkciókkal. (vö. Millán et al. 2020)

Nagy reakcióképességű katalizátorok szintézise a DME-vé alakításhoz nagy teljesítményű ultrahanggal

A dimetil-éterré történő átalakítás katalizátorainak reakcióképessége és szelektivitása ultrahangos kezeléssel jelentősen javítható. A zeolitok, például a savas zeolitok (pl. a HZSM-5 alumínium-szilikát zeolit) és a felületükön más komponensekkel ellátott zeolitok (pl. CuO/ZnO/Al₂O₃-dal) a DME előállításához sikeresen használt fő katalizátorok.

A zeolitok klórozása és fluorozása hatékony módszer a katalitikus savasság beállítására. Aboul-Fotouh kutatócsoportjának tanulmányában a klórozott és fluorozott zeolitkatalizátorokat zeolitok (H-ZSM-5, H-MOR vagy H-Y) impregnálásával állították elő, két halogénprekurzor (ammónium-klorid és ammónium-fluorid) felhasználásával. Az ultrahangos besugárzás hatását mindkét halogénprekurzor optimalizálása érdekében értékelték a metanol állóágyas reaktorban végzett vízelvonásával történő dimetil-éter- (DME-) előállításhoz. Az összehasonlító DME-katalízisvizsgálat kimutatta, hogy az ultrahangos besugárzás mellett előállított halogénezett zeolitkatalizátorok nagyobb teljesítményt nyújtanak a DME képződésében. (Aboul-Fotouh et al., 2016)
Egy másik tanulmányban a kutatócsoport a metanol H-MOR zeolitkatalizátorokon végzett, dimetil-éter előállítását célzó vízelvonása során felmerülő összes fontos ultrahangos kezelési változót vizsgálta. Ultrahangos kezelési kísérleteikhez a kutatócsoport a Hielscher UP50H szondás ultrahangos készüléket használta. Az ultrahangosan kezelt H-MOR zeolit (mordenit zeolit) pásztázó elektronmikroszkópos (SEM) felvételei egyértelművé tették, hogy önmagában a metanol ultrahangos kezelési közegként történő használata adja a legjobb eredményeket a részecskeméretek homogenitása szempontjából a kezeletlen katalizátorhoz képest, amelyben nagy agglomerátumok és nem homogén részecskecsoportok jelentek meg. Ezek az eredmények igazolták, hogy az ultrahangos kezelés mélyreható hatást gyakorol az elemi cella felbontására, és ezáltal a metanol dimetil-éterré (DME) történő vízelvonásának katalitikus viselkedésére. Az NH3-TPD azt mutatja, hogy az ultrahangos besugárzás fokozta a H-MOR katalizátor savasságát, és ezáltal a DME képződésében nyújtott katalitikus teljesítményét. (Aboul-Gheit et al., 2014)

A kereskedelmi forgalomban kapható DME szinte teljes mennyiségét metanol vízelvonásával állítják elő, különböző szilárd savas katalizátorok, például zeolitok, szilícium-dioxid–alumínium-oxid, alumínium-oxid, Al₂O₃–B₂O₃ stb. felhasználásával, a következő reakció szerint:
2CH₃OH <—> CH₃OCH₃ +H₂O(-22,6k jmol^-1)

Koshbin és Haghighi (2013) CuO–ZnO–Al₂O₃/HZSM-5 nanokatalizátorokat állított elő kombinált együttkicsapásos–ultrahangos módszerrel. A kutatócsoport megállapította, „hogy az ultrahangos energia alkalmazása nagy hatással van a CO-hidrogénezési funkció diszperziójára, és ennek következtében a DME-szintézis teljesítményére. Az ultrahang segítségével szintetizált nanokatalizátor tartósságát a szintézisgáz DME-vé történő átalakulása során vizsgálták. A nanokatalizátor a reakció során elhanyagolható mértékű aktivitást veszít a rézvegyületeken történő kokszképződés miatt.” [Khoshbin and Haghighi, 2013.]

Egy alternatív, nem zeolitalapú nanokatalizátor, amely szintén nagyon hatékonyan segíti elő a DME-vé alakítást, a nanoméretű porózus γ-alumínium-oxid katalizátor. A nanoméretű porózus γ-alumínium-oxidot sikeresen szintetizálták ultrahangos keverés közben végzett kicsapással. A szonokémiai kezelés elősegíti a nanorészecskék szintézisét. (vö. Rahmanpour et al., 2012)

Miért kiválóbbak az ultrahangosan előállított nanokatalizátorok?

A heterogén katalizátorok előállításához gyakran nagy hozzáadott értékű anyagok, például nemesfémek szükségesek. Ez drágává teszi a katalizátorokat, ezért a hatékonyság növelése és a katalizátorok életciklusának meghosszabbítása fontos gazdasági tényezők. A nanokatalizátorok előállítási módszerei között a szonokémiai technikát rendkívül hatékony módszernek tekintik. Az ultrahang azon képessége, hogy nagy reakcióképességű felületeket hoz létre, javítja a keverést és fokozza az anyagtranszportot, különösen ígéretes, vizsgálatra érdemes technikává teszi a katalizátorok előállításához és aktiválásához. Homogén és diszpergált nanorészecskéket képes előállítani drága műszerek és szélsőséges körülmények nélkül.
Számos kutatásban a tudósok arra a következtetésre jutottak, hogy az ultrahangos katalizátorelőállítás a legelőnyösebb módszer a homogén nanokatalizátorok előállítására. A nanokatalizátorok előállítási módszerei között a szonokémiai technikát rendkívül hatékony módszernek tekintik. Az intenzív ultrahangos kezelés azon képessége, hogy nagy reakcióképességű felületeket hoz létre, javítja a keverést és fokozza az anyagtranszportot, különösen ígéretes, vizsgálatra érdemes technikává teszi a katalizátorok előállításához és aktiválásához. Homogén és diszpergált nanorészecskéket képes előállítani drága műszerek és szélsőséges körülmények nélkül. (vö. Koshbin és Haghighi, 2014)

Nagy teljesítményű ultrahangos készülékek mezopórusos katalizátorok szintéziséhez

A nagy teljesítményű nanokatalizátorok szintéziséhez szükséges szonokémiai berendezések minden méretben könnyen elérhetők – a kompakt laboratóriumi ultrahangos készülékektől a teljesen ipari ultrahangos reaktorokig. A Hielscher Ultrasonics nagy teljesítményű ultrahangos készülékeket tervez, gyárt és forgalmaz. Minden ultrahangos rendszer a németországi Teltowban található központban készül, és onnan szállítják őket a világ minden tájára.
A Hielscher ultrahangos készülékek kifinomult hardverét és intelligens szoftverét úgy tervezték, hogy megbízható működést, reprodukálható eredményeket és felhasználóbarát kezelést garantáljanak. A Hielscher ultrahangos készülékek robusztusak és megbízhatóak, ami lehetővé teszi telepítésüket és működtetésüket nagy igénybevételt jelentő körülmények között. Az üzemi beállítások könnyen elérhetők és megadhatók egy intuitív menüben, amely digitális színes érintőkijelzőn és böngészős távvezérléssel is hozzáférhető. Így minden kezelési körülmény, 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 kezelések áttekintését és összehasonlítását, valamint a nanokatalizátorok szintézisének és funkcionalizálásának optimalizálását a legnagyobb hatékonyság eléréséhez.
A Hielscher Ultrasonics rendszereit világszerte használják szonokémiai szintézisfolyamatokhoz, és megbízhatóságuk bizonyított a kiváló minőségű zeolit-nanokatalizátorok és zeolitszármazékok szintézisében. A Hielscher ipari ultrahangos készülékek folyamatos üzemmódban (24/7/365) könnyen működnek nagy amplitúdóval. Standard szonotródákkal (ultrahangos szondákkal / kürtökkel) könnyen és folyamatosan létrehozható akár 200µm amplitúdó is. Még nagyobb amplitúdókhoz egyedi ultrahangos szonotródák állnak rendelkezésre. Robusztus kialakításuk és alacsony karbantartási igényük miatt ultrahangos készülékeinket gyakran telepítik nagy igénybevételt jelentő alkalmazásokhoz és nehéz üzemi környezetekbe.
A szonokémiai szintézishez, funkcionalizáláshoz, nanoszerkezetek kialakításához és deagglomeráláshoz használt Hielscher ultrahangos processzorok már világszerte üzemelnek kereskedelmi léptékben. Vegye fel velünk a kapcsolatot most, hogy megbeszélhessük nanokatalizátor-gyártási folyamatát! Tapasztalt munkatársaink örömmel nyújtanak további tájékoztatást a szonokémiai szintézis útjáról, az ultrahangos rendszerekről és az árakról!
Az ultrahangos szintézismódszer előnyeinek köszönhetően mezopórusos nanokatalizátorainak előállítása a hatékonyság, az egyszerűség és az alacsony költség tekintetében kiemelkedő lesz más katalizátorszintézis-eljárásokhoz képest!

Az alábbi táblázat ultrahangos készülékeink hozzávetőleges feldolgozási kapacitását mutatja: