Katalizátorok ultrahangos előkészítése dimetil-éter (DME) átalakításához

A dimetil-éter (DME) kedvező alternatív üzemanyag, amely metanolból, CO-ból szintetizálható₂ vagy szintézisgáz katalízissel. A katalitikus DME-vé történő átalakításhoz erős katalizátorokra van szükség. A nanoméretű mezopórusos katalizátorok, például a mezopórusos savas zeolitok, a díszített zeolitok vagy a nanoméretű fémkatalizátorok, például az alumínium vagy a réz jelentősen javíthatják a DME átalakítását. A nagy intenzitású ultrahang a kiváló technika a nagyon reaktív nanokatalizátorok előállítására. Tudjon meg többet arról, hogyan kell használni az ultrahangos kezelést mikro- és mezopórusos katalizátorok előállításához, kiváló reakcióképességgel és szelektivitással!

Bifunkciós katalizátorok közvetlen DME átalakításhoz

A dimetil-éter (DME) előállítása egy jól megalapozott ipari folyamat, amely két lépésre oszlik: először a szintézisgáz katalitikus hidrogénezése metanollá (CO / CO₂ + 3 óra₂ CH →₃OH + H₂HO), másodszor pedig a metanol ezt követő katalitikus dehidratálása savas katalizátorok felett (2CH₃OH → CH₃OCH₃ + Óra₂O). Ennek a kétlépcsős DME-szintézisnek a fő korlátja a metanol-szintézis fázisának alacsony termodinamikájához kapcsolódik, ami alacsony gázkonverziót eredményez áthaladásonként (15-25%). Ezáltal magas recirkulációs arányok, valamint magas tőke- és működési költségek jelentkeznek.
Ennek a termodinamikai korlátnak a leküzdése érdekében a közvetlen DME-szintézis lényegesen kedvezőbb: a közvetlen DME-átalakítás során a metanol-szintézis lépése egyetlen reaktorban a dehidratációs lépéssel párosul
(2CO / CO₂ + 6 óra₂ CH →₃OCH₃ + 3 óra₂O).

A DME közvetlen szintézise lehetővé teszi a lépésenkénti konverziós szint növelését akár 19%-ra, ami jelentős költségcsökkenést jelent a DME beruházási és működési termelési költségei tekintetében. Becslések alapján a DME előállítási költsége a közvetlen szintézisben 20-30% -kal csökken a hagyományos kétlépcsős átalakítási folyamathoz képest. A közvetlen DME szintézis útvonal működtetéséhez nagy hatékonyságú hibrid bifunkcionális katalitikus rendszerre van szükség. A szükséges katalizátornak rendelkeznie kell a metanol-szintézishez szükséges CO / CO2 hidrogénezési funkcióval és a savas funkciókkal, amelyek elősegítik a metanol kiszáradását. (vö. Millán et al. 2020)

Nagyon reaktív katalizátorok szintézise DME átalakításhoz teljesítmény-ultrahanggal

A dimetil-éter átalakítására szolgáló katalizátorok reakcióképessége és szelektivitása ultrahangos kezeléssel jelentősen javítható. Zeolitok, például savas zeolitok (pl. HZSM-5 alumínium-szilikát-zeolit) és díszített zeolitok (pl. CuO/ZnO/Al-lal₂O₃) a DME-gyártásban sikeresen használt fő katalizátorok.

A zeolitok klórozása és fluorozása hatékony módszer a katalitikus savasság hangolására. A klórozott és fluorozott zeolit katalizátorokat zeolitok (H-ZSM-5, H-MOR vagy H-Y) impregnálásával állítottuk elő két halogén prekurzor (ammónium-klorid és ammónium-fluorid) felhasználásával az Aboul-Fotouh kutatócsoportjának tanulmányában. Az ultrahangos besugárzás hatását értékelték mindkét halogén-prekurzor optimalizálására dimetil-éter (DME) előállítására metanolos dehidratáción keresztül egy rögzített ágyas reaktorban. Az összehasonlító DME katalízis vizsgálat kimutatta, hogy az ultrahangos besugárzás alatt előállított halogénezett zeolit katalizátorok nagyobb teljesítményt mutatnak a DME képződésében. (Aboul-Fotouh et al., 2016)
Egy másik tanulmányban a kutatócsoport megvizsgálta az összes fontos ultrahangos változót, amely a metanol dehidratációja során H-MOR zeolit katalizátorokon dimetil-éter előállítására szolgál. Szonikációs tapasztalataikhoz a kutatócsoport a Hielscher UP50H szonda típusú ultrahangos készülék. Az ultrahangos H-MOR zeolit (Mordenite-zeolit) pásztázó elektronmikroszkóp (SEM) képalkotása tisztázta, hogy az ultrahangos közegként önmagában használt metanol a legjobb eredményeket adja a részecskeméretek homogenitásával kapcsolatban a kezeletlen katalizátorhoz képest, ahol nagy agglomerátumok és nem homogén klaszterek jelentek meg. Ezek az eredmények igazolták, hogy az ultrahangos kezelés mély hatással van az egységsejt felbontására, és ezáltal a metanol dimetil-éterre (DME) történő dehidratációjának katalitikus viselkedésére. Az NH3-TPD azt mutatja, hogy az ultrahang besugárzás fokozta a H-MOR katalizátor savasságát, és így katalitikus teljesítmény a DME képződéséhez. (Aboul-Gheit és mtsai., 2014)

Szinte az összes kereskedelmi forgalomban kapható DME-t a metanol dehidratálásával állítják elő különböző szilárd savas katalizátorok, például zeolitok, sillika-timföld, alumínium-oxid, Al felhasználásával₂O₃–B₂O₃stb. a következő reakcióval:
2CH₃Ó <—> CH₃OCH₃ +H₂O(-22,6k jmol^-1)

Koshbin és Haghighi (2013) elkészítették a CuO-ZnO-Al-t₂O₃/HZSM-5 nanokatalizátorok kombinált koprecipitációs-ultrahang módszerrel. A kutatócsoport megállapította, hogy "az ultrahangenergia alkalmazása nagy hatással van a CO hidrogénezési funkció diszperziójára és következésképpen a DME szintézis teljesítményére. Az ultrahanggal segített szintetizált nanokatalizátor tartósságát a szintézisgáz-DME reakció során vizsgáltuk. A nanokatalizátor elhanyagolható aktivitást veszít a reakció során a rézfajtákon kialakuló koksz miatt." [Khoshbin és Haghighi, 2013.]

Egy alternatív nem zeolit nanokatalizátor, amely szintén nagyon hatékonyan elősegíti a DME átalakítását, egy nanoméretű porózus γ-alumínium-oxid katalizátor. A nanoméretű porózus γ-alumínium-oxidot ultrahangos keverés során sikeresen szintetizáltuk kicsapással. A szonokémiai kezelés elősegíti a nanorészecskék szintézisét. (vö. Rahmanpour et al., 2012)

Miért jobbak az ultrahanggal előkészített nanokatalizátorok?

A heterogén katalizátorok előállításához gyakran nagy hozzáadott értékű anyagokra, például nemesfémekre van szükség. Ez drágává teszi a katalizátorokat, ezért a katalizátorok hatékonyságának növelése és életciklusának meghosszabbítása fontos gazdasági tényezők. A nanokatalizátorok előállítási módszerei közül a szonokémiai technikát rendkívül hatékony módszernek tekintik. Az ultrahang azon képessége, hogy erősen reaktív felületeket hozzon létre, javítsa a keverést és növelje a tömegszállítást, különösen ígéretes technikát jelent a katalizátor előkészítésének és aktiválásának feltárására. Homogén és diszpergált nanorészecskéket képes előállítani drága műszerek és szélsőséges körülmények nélkül.
Számos kutatási tanulmányban a tudósok arra a következtetésre jutottak, hogy az ultrahangos katalizátor előkészítése a legelőnyösebb módszer homogén nanokatalizátorok előállítására. A nanokatalizátorok előállítási módszerei közül a szonokémiai technikát rendkívül hatékony módszernek tekintik. Az intenzív szonikálás képessége, hogy nagyon reaktív felületeket hozzon létre, javítsa a keverést és növelje a tömegszállítást, különösen ígéretes technikát jelent a katalizátor előkészítésének és aktiválásának feltárására. Homogén és diszpergált nanorészecskéket képes előállítani drága műszerek és szélsőséges körülmények nélkül. (vö. Kosbin és Haghighi, 2014)

Nagy teljesítményű ultrahangos készülékek mezoporózus katalizátorok szintéziséhez

A nagy teljesítményű nanokatalizátorok szintézisére szolgáló szonokémiai berendezések bármilyen 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 Teltow központjában készül, és onnan terjeszti a világ minden tájáról.
A Hielscher ultrasonicators kifinomult hardverét és intelligens szoftverét úgy tervezték, hogy garantálja a megbízható működést, reprodukálható eredményeket és felhasználóbarát. A Hielscher ultrahangos készülékek robusztusak és megbízhatóak, amelyek lehetővé teszik a telepítést és üzemeltetést nagy teherbírású körülmények között. A működési beállítások könnyen elérhetők és tárcsázhatók az intuitív menü segítségével, amely digitális színes érintőképernyővel és böngésző távirányítóval érhető el. Ezért minden feldolgozási körülmény, például a nettó energia, a teljes energia, az amplitúdó, az idő, a nyomás és a hőmérséklet automatikusan rögzítésre kerül a beépített SD-kártyán. Ez lehetővé teszi a korábbi ultrahangos futtatások felülvizsgálatát és összehasonlítását, valamint a nanokatalizátorok szintézisének és funkcionalizálásának optimalizálását a legnagyobb hatékonyság érdekében.
Hielscher Ultrasonics rendszereket világszerte használják szonokémiai szintézis folyamatok, és bizonyítottan megbízhatóak a szintézis kiváló minőségű zeolit nano-katalizátorok, valamint zeolit származékok. A Hielscher ipari ultrahangos készülékek könnyen nagy amplitúdókat futtathatnak folyamatos üzemben (24/7/365). Az 200μm-ig terjedő amplitúdók könnyen folyamatosan generálhatók standard sonotrodes (ultrahangos szondák / szarvak) segítségével. Még nagyobb amplitúdók esetén testreszabott ultrahangos sonotrodes áll rendelkezésre. Robusztusságuk és alacsony karbantartásuk miatt ultrahangos készülékeinket általában nagy teherbírású alkalmazásokhoz és igényes környezetekhez telepítik.
Hielscher ultrahangos processzorok szonokémiai szintézisekhez, funkcionalizáláshoz, nano-strukturáláshoz és deagglomerációhoz már világszerte kereskedelmi méretekben vannak telepítve. Vegye fel velünk a kapcsolatot most, hogy megvitassák nanokatalizátor gyártási folyamatát! Jól tapasztalt munkatársaink örömmel osztanak meg több információt a szonokémiai szintézis útjáról, ultrahangos rendszereiről és áráról!
Az ultrahangos szintézis módszer előnyével a mezopórusos nanokatalizátor-gyártás hatékonyságban, egyszerűségben és alacsony költségben fog kitűnni más katalizátorszintézis folyamatokhoz képest!

Az alábbi táblázat jelzi ultrahangos készülékeink hozzávetőleges feldolgozási kapacitását: