Preparazione a ultrasuoni di catalizzatori per la conversione dell'etere dimetilico (DME)

L'etere dimetilico (DME) è un carburante alternativo favorevole, che può essere sintetizzato da metanolo, CO₂ o syngas attraverso la catalisi. Per la conversione catalitica in DME, sono necessari potenti catalizzatori. I catalizzatori mesoporosi di dimensioni nano come le zeoliti acide mesoporose, le zeoliti decorate o i catalizzatori metallici di dimensioni nano come l'alluminio o il rame possono migliorare significativamente la conversione del DME. Gli ultrasuoni ad alta intensità sono la tecnica superiore per la preparazione di nano-catalizzatori altamente reattivi. Scopri di più su come utilizzare gli ultrasuoni per la produzione di catalizzatori micro e mesoporosi con eccellente reattività e selettività!

Catalizzatori bifunzionali per la conversione diretta del DME

La produzione di dimetil etere (DME) è un processo industriale ben consolidato che si divide in due fasi: in primo luogo, l'idrogenazione catalitica del syngas in metanolo (CO / CO₂ + 3H₂ → CH₃OH + H₂HO) e in secondo luogo, una successiva disidratazione catalitica del metanolo su catalizzatori acidi per produrre (2CH₃OH → CH₃OCH₃ + H₂O). La principale limitazione di questa sintesi DME a due fasi è legata alla bassa termodinamica durante la fase di sintesi del metanolo, che si traduce in una bassa conversione del gas per passaggio (15-25%). Di conseguenza, si verificano alti rapporti di ricircolo e alti costi di capitale e operativi.
Per superare questa limitazione termodinamica, la sintesi diretta del DME è significativamente più favorevole: Nella conversione diretta del DME, la fase di sintesi del metanolo è accoppiata alla fase di disidratazione in un unico reattore
(2CO / CO₂ + 6H₂ → CH₃OCH₃ + 3H₂O).

La sintesi diretta del DME permette di aumentare i livelli di conversione per fase, fino al 19%, il che significa riduzioni significative dei costi di investimento e di produzione operativa del DME. In base alle stime, i costi di produzione del DME nella sintesi diretta sono ridotti del 20-30% rispetto al convenzionale processo di conversione a due fasi. Per far funzionare il percorso di sintesi diretta del DME, è necessario un sistema catalitico ibrido bifunzionale altamente efficiente. Il catalizzatore richiesto deve offrire la funzionalità per l'idrogenazione di CO / CO2 per la sintesi del metanolo e le funzionalità acide, che aiutano la disidratazione del metanolo. (cfr. Millán et al. 2020)

Sintesi di catalizzatori altamente reattivi per la conversione del DME utilizzando gli ultrasuoni di potenza

La reattività e la selettività dei catalizzatori per la conversione dell'etere dimetilico possono essere significativamente migliorate attraverso il trattamento ad ultrasuoni. Zeoliti come le zeoliti acide (ad esempio, la zeolite alluminosilicata HZSM-5) e le zeoliti decorate (ad esempio, con CuO/ZnO/Al₂O₃) sono i principali catalizzatori utilizzati con successo per la produzione di DME.

La clorurazione e la fluorurazione delle zeoliti sono metodi efficaci per regolare l'acidità catalitica. I catalizzatori di zeolite clorurati e fluorurati sono stati preparati dall'impregnazione di zeoliti (H-ZSM-5, H-MOR o H-Y) utilizzando due precursori alogeni (cloruro di ammonio e fluoruro di ammonio) nello studio del team di ricerca di Aboul-Fotouh. L'influenza dell'irradiazione ultrasonica è stata valutata per ottimizzare entrambi i precursori alogeni per la produzione di dimetiletere (DME) attraverso la disidratazione del metanolo in un reattore a letto fisso. La prova comparativa della catalisi del DME ha rivelato che i catalizzatori di zeolite alogenata preparati sotto irradiazione ultrasonica mostrano prestazioni più elevate per la formazione di DME. (Aboul-Fotouh et al., 2016)
In un altro studio, il team di ricerca ha studiato tutte le variabili di ultrasuoni importanti incontrate durante la disidratazione del metanolo su catalizzatori di zeolite H-MOR per produrre dimetiletere. Per i loro esperimenti di sonicazione, il team di ricerca ha utilizzato il Hielscher UP50H, ultrasuonatore a sonda. Le immagini al microscopio elettronico a scansione (SEM) della zeolite H-MOR sonicata (zeolite mordenite) hanno chiarito che il metanolo da solo usato come mezzo di ultrasuoni dà i migliori risultati per quanto riguarda l'omogeneità delle dimensioni delle particelle rispetto al catalizzatore non trattato, dove sono apparsi grandi agglomerati e cluster non omogenei. Questi risultati hanno certificato che l'ultrasuonazione ha un effetto profondo sulla risoluzione della cella unitaria e quindi sul comportamento catalitico della disidratazione del metanolo a dimetil etere (DME). La NH3-TPD mostra che l'irradiazione a ultrasuoni ha migliorato l'acidità del catalizzatore H-MOR e quindi le sue prestazioni catalitiche per la formazione di DME. (Aboul-Gheit et al., 2014)

Quasi tutto il DME commerciale è prodotto dalla disidratazione del metanolo usando diversi catalizzatori solidi-acidi come zeoliti, sillica-allumina, allumina, Al₂O₃-B₂O₃, ecc. mediante la seguente reazione:
2CH₃OH <—> CH₃OCH₃ +H₂O(-22.6k jmol^-1)

Koshbin e Haghighi (2013) hanno preparato CuO-ZnO-Al₂O₃/HZSM-5 nanocatalizzatori attraverso un metodo combinato di co-precipitazione-ultrasuoni. Il team di ricerca ha scoperto "che l'impiego dell'energia degli ultrasuoni ha una grande influenza sulla dispersione della funzione di idrogenazione del CO e di conseguenza sulle prestazioni della sintesi del DME. La durata del nanocatalizzatore sintetizzato ad ultrasuoni è stata studiata durante la reazione da syngas a DME. Il nanocatalizzatore perde un'attività trascurabile nel corso della reazione a causa della formazione di coke sulle specie di rame." [Khoshbin e Haghighi, 2013].

Un nano-catalizzatore alternativo alla zeolite, che è anche molto efficiente nel promuovere la conversione del DME, è un catalizzatore di γ-allumina porosa di dimensioni nano. La γ-allumina porosa di dimensioni nano è stata sintetizzata con successo per precipitazione sotto miscelazione ultrasonica. Il trattamento sonochemical promuove la sintesi delle nano particelle. (cfr. Rahmanpour et al., 2012)

Perché i nanocatalizzatori preparati ad ultrasuoni sono superiori?

Per la produzione di catalizzatori eterogenei sono spesso necessari materiali ad alto valore aggiunto come i metalli preziosi. Questo rende i catalizzatori costosi e quindi il miglioramento dell'efficienza così come l'estensione del ciclo di vita dei catalizzatori sono importanti fattori economici. Tra i metodi di preparazione dei nanocatalizzatori, la tecnica sonochemical è considerata un metodo altamente efficiente. La capacità degli ultrasuoni di creare superfici altamente reattive, di migliorare la miscelazione e di aumentare il trasporto di massa lo rende una tecnica particolarmente promettente da esplorare per la preparazione e l'attivazione dei catalizzatori. Può produrre nanoparticelle omogenee e disperse senza bisogno di strumenti costosi e condizioni estreme.
In diversi studi di ricerca, gli scienziati giungono alla conclusione che la preparazione del catalizzatore a ultrasuoni è il metodo più vantaggioso per la produzione di nanocatalizzatori omogenei. Tra i metodi di preparazione dei nanocatalizzatori, la tecnica sonochemical è considerata un metodo altamente efficiente. La capacità della sonicazione intensa di creare superfici altamente reattive, di migliorare la miscelazione e di aumentare il trasporto di massa la rende una tecnica particolarmente promettente da esplorare per la preparazione e l'attivazione dei catalizzatori. Può produrre nanoparticelle omogenee e disperse senza bisogno di strumenti costosi e condizioni estreme. (cfr. Koshbin e Haghighi, 2014)

Ultrasuoni ad alte prestazioni per la sintesi di catalizzatori mesoporosi

L'attrezzatura ecochimica per la sintesi di nano-catalizzatori ad alte prestazioni è facilmente disponibile in qualsiasi dimensione – dagli ultrasuonatori compatti da laboratorio ai reattori a ultrasuoni completamente industriali. Hielscher Ultrasonics progetta, produce e distribuisce ultrasuoni ad alta potenza. Tutti i sistemi a ultrasuoni sono prodotti nella sede centrale di Teltow, in Germania, e distribuiti da lì in tutto il mondo.
L'hardware sofisticato e il software intelligente degli ultrasuoni Hielscher sono progettati per garantire un funzionamento affidabile, risultati riproducibili e facilità d'uso. Gli ultrasuonatori Hielscher sono robusti e affidabili, il che permette di installarli e farli funzionare in condizioni di lavoro pesanti. Le impostazioni operative sono facilmente accessibili e selezionabili tramite un menu intuitivo, al quale si può accedere tramite un display digitale a colori touch-display e un telecomando browser. Pertanto, tutte le condizioni di elaborazione come l'energia netta, l'energia totale, l'ampiezza, il tempo, la pressione e la temperatura vengono registrate automaticamente su una scheda SD integrata. Questo permette di rivedere e confrontare le precedenti esecuzioni di sonicazione e di ottimizzare la sintesi e la funzionalizzazione di nano-catalizzatori alla massima efficienza.
I sistemi Hielscher Ultrasonics sono utilizzati in tutto il mondo per i processi di sintesi sonochimica e si sono dimostrati affidabili per la sintesi di nano-catalizzatori di zeolite di alta qualità e di derivati di zeolite. Gli ultrasuoni industriali Hielscher possono facilmente eseguire ampiezze elevate in funzionamento continuo (24/7/365). Ampiezze fino a 200µm possono essere facilmente generate in continuo con sonotrodi standard (sonde a ultrasuoni / corni). Per ampiezze ancora maggiori, sono disponibili sonotrodi a ultrasuoni personalizzati. Grazie alla loro robustezza e alla bassa manutenzione, i nostri ultrasuonatori sono comunemente installati per applicazioni pesanti e in ambienti esigenti.
I processori a ultrasuoni Hielscher per le sintesi sonochemiche, la funzionalizzazione, la nano-strutturazione e la deagglomerazione sono già installati in tutto il mondo su scala commerciale. Contattateci ora per discutere il vostro processo di produzione di nano-catalizzatori! Il nostro personale esperto sarà lieto di condividere ulteriori informazioni sul percorso di sintesi sonochemica, sui sistemi a ultrasuoni e sui prezzi!
Con il vantaggio del metodo di sintesi ad ultrasuoni, la vostra produzione di nano-catalizzatori mesoporosi eccellerà in efficienza, semplicità e basso costo rispetto ad altri processi di sintesi del catalizzatore!

La tabella seguente fornisce un'indicazione della capacità di lavorazione approssimativa dei nostri ultrasuoni: