Preparazione a ultrasuoni di catalizzatori per la conversione in dimetiletere (DME)

Il dimetiletere (DME) è un combustibile alternativo vantaggioso, che può essere sintetizzato a partire da metanolo, CO₂ o gas di sintesi mediante catalisi. Per la conversione catalitica in DME sono necessari catalizzatori efficaci. Catalizzatori mesoporosi di dimensioni nanometriche, come zeoliti acide mesoporose, zeoliti decorate o catalizzatori metallici di dimensioni nanometriche, come alluminio o rame, possono migliorare significativamente la conversione in DME. Gli ultrasuoni ad alta intensità sono la tecnica più efficace per la preparazione di nanocatalizzatori altamente reattivi. Scoprite come utilizzare la sonicazione per produrre catalizzatori microporosi e mesoporosi con un’eccellente reattività e selettività!

Catalizzatori bifunzionali per la conversione diretta in DME

La produzione di dimetiletere (DME) è un processo industriale consolidato, suddiviso in due fasi: dapprima l’idrogenazione catalitica del gas di sintesi a metanolo (CO / CO₂ + 3H₂ → CH₃OH + H₂HO) e, successivamente, la disidratazione catalitica del metanolo su catalizzatori acidi per produrre (2CH₃OH → CH₃OCH₃ + H₂O). Il principale limite di questa sintesi del DME in due fasi è legato alle condizioni termodinamiche poco favorevoli durante la fase di sintesi del metanolo, che determinano una bassa conversione del gas per passaggio (15–25%). Ne conseguono elevati rapporti di ricircolo e alti costi di investimento e di esercizio.
Per superare questo limite termodinamico, la sintesi diretta del DME è significativamente più vantaggiosa: nella conversione diretta in DME, la fase di sintesi del metanolo viene abbinata alla fase di disidratazione in un unico reattore
(2CO / CO₂ + 6H₂ → CH₃OCH₃ + 3H₂O).

La sintesi diretta del DME consente di aumentare i livelli di conversione per fase fino al 19%, con conseguenti riduzioni significative dei costi di investimento e dei costi operativi di produzione del DME. Secondo le stime, i costi di produzione del DME mediante sintesi diretta si riducono del 20–30% rispetto al processo convenzionale di conversione in due fasi. Per attuare il percorso di sintesi diretta del DME è necessario un sistema catalitico ibrido bifunzionale altamente efficiente. Il catalizzatore richiesto deve offrire la funzionalità di idrogenazione di CO / CO2 per la sintesi del metanolo e le funzionalità acide che favoriscono la disidratazione del metanolo. (cfr. Millán et al. 2020)

Sintesi di catalizzatori altamente reattivi per la conversione in DME mediante ultrasuoni di potenza

La reattività e la selettività dei catalizzatori per la conversione in dimetiletere possono essere migliorate significativamente mediante trattamento a ultrasuoni. Zeoliti quali le zeoliti acide (ad es. la zeolite alluminosilicatica HZSM-5) e le zeoliti decorate (ad es. 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. Nello studio del gruppo di ricerca di Aboul-Fotouh, i catalizzatori zeolitici clorurati e fluorurati sono stati preparati mediante impregnazione delle zeoliti (H-ZSM-5, H-MOR o H-Y) utilizzando due precursori alogenati (cloruro di ammonio e fluoruro di ammonio). L’influenza dell’irradiazione ultrasonica è stata valutata per ottimizzare entrambi i precursori alogenati per la produzione di dimetiletere (DME) mediante disidratazione del metanolo in un reattore a letto fisso. Una prova comparativa di catalisi del DME ha rivelato che i catalizzatori zeolitici alogenati preparati mediante irradiazione ultrasonica mostrano prestazioni superiori nella formazione di DME. (Aboul-Fotouh et al., 2016)
In un altro studio, il gruppo di ricerca ha esaminato tutte le variabili importanti della sonicazione durante la disidratazione del metanolo su catalizzatori zeolitici H-MOR per produrre dimetiletere. Per gli esperimenti di sonicazione, il gruppo di ricerca ha utilizzato il sonicatore a sonda Hielscher UP50H. Le immagini ottenute mediante microscopia elettronica a scansione (SEM) della zeolite H-MOR sonicata (zeolite mordenite) hanno chiarito che il metanolo da solo, utilizzato come mezzo di sonicazione, fornisce i migliori risultati in termini di omogeneità delle dimensioni delle particelle rispetto al catalizzatore non trattato, nel quale erano presenti grandi agglomerati e aggregati non omogenei. Questi risultati hanno confermato che la sonicazione ha un effetto profondo sulla risoluzione della cella unitaria e quindi sul comportamento catalitico della disidratazione del metanolo a dimetiletere (DME). L’analisi NH3-TPD mostra che l’irradiazione ultrasonica ha aumentato l’acidità del catalizzatore H-MOR e quindi le sue prestazioni catalitiche nella formazione di DME. (Aboul-Gheit et al., 2014)

Quasi tutto il DME commerciale viene prodotto mediante disidratazione del metanolo utilizzando diversi catalizzatori acidi solidi, come zeoliti, silice–allumina, allumina, Al₂O₃–B₂O₃, ecc., secondo la seguente reazione:
2CH₃OH <—> CH₃OCH₃ +H₂O(-22,6k jmol^-1)

Koshbin e Haghighi (2013) hanno preparato nanocatalizzatori CuO–ZnO–Al₂O₃/HZSM-5 mediante un metodo combinato di coprecipitazione e ultrasuoni. Il gruppo di ricerca ha riscontrato «che l’impiego dell’energia ultrasonica ha una grande influenza sulla dispersione della funzione di idrogenazione del CO e, di conseguenza, sulle prestazioni della sintesi del DME. La durabilità del nanocatalizzatore sintetizzato con l’assistenza degli ultrasuoni è stata studiata durante la reazione di conversione del gas di sintesi in DME. Il nanocatalizzatore perde un’attività trascurabile nel corso della reazione a causa della formazione di coke sulle specie di rame.» [Khoshbin and Haghighi, 2013.]

Un nanocatalizzatore alternativo non zeolitico, anch’esso molto efficiente nel promuovere la conversione in DME, è un catalizzatore poroso di γ-allumina di dimensioni nanometriche. La γ-allumina porosa di dimensioni nanometriche è stata sintetizzata con successo mediante precipitazione con miscelazione a ultrasuoni. Il trattamento sonochimico favorisce la sintesi delle nanoparticelle. (cfr. Rahmanpour et al., 2012)

Perché i nanocatalizzatori preparati mediante ultrasuoni sono superiori?

Per la produzione di catalizzatori eterogenei sono spesso necessari materiali ad alto valore aggiunto, come i metalli preziosi. Ciò rende costosi i catalizzatori e, pertanto, il miglioramento dell’efficienza e il prolungamento del loro ciclo di vita sono importanti fattori economici. Tra i metodi di preparazione dei nanocatalizzatori, la tecnica sonochimica è considerata altamente efficiente. La capacità degli ultrasuoni di creare superfici altamente reattive, migliorare la miscelazione e 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 richiedere strumenti costosi e condizioni estreme.
In diversi studi, i ricercatori giungono alla conclusione che la preparazione dei catalizzatori mediante ultrasuoni è il metodo più vantaggioso per la produzione di nanocatalizzatori omogenei. Tra i metodi di preparazione dei nanocatalizzatori, la tecnica sonochimica è considerata altamente efficiente. La capacità della sonicazione intensa di creare superfici altamente reattive, migliorare la miscelazione e 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 richiedere strumenti costosi e condizioni estreme. (cfr. Koshbin e Haghighi, 2014)

Sonicatori ad alte prestazioni per la sintesi di catalizzatori mesoporosi

Le apparecchiature sonochimiche per la sintesi di nanocatalizzatori ad alte prestazioni sono disponibili in ogni dimensione – dai sonicatori compatti da laboratorio ai reattori a ultrasuoni interamente industriali. Hielscher Ultrasonics progetta, produce e distribuisce sonicatori ad alta potenza. Tutti i sistemi a ultrasuoni sono prodotti presso la sede centrale di Teltow, in Germania, e da lì distribuiti in tutto il mondo.
L’hardware sofisticato e il software intelligente dei sonicatori Hielscher sono progettati per garantire un funzionamento affidabile, risultati riproducibili e facilità d’uso. I sonicatori Hielscher sono robusti e affidabili e possono essere installati e utilizzati in condizioni gravose. Le impostazioni operative possono essere facilmente consultate e regolate tramite un menu intuitivo, accessibile dal display digitale touch a colori e mediante controllo remoto tramite browser. Tutte le condizioni di trattamento, come energia netta, energia totale, ampiezza, tempo, pressione e temperatura, vengono quindi registrate automaticamente su una scheda SD integrata. Ciò consente di riesaminare e confrontare i precedenti cicli di sonicazione e di ottimizzare la sintesi e la funzionalizzazione dei nanocatalizzatori per ottenere la massima efficienza.
I sistemi Hielscher Ultrasonics vengono utilizzati in tutto il mondo per i processi di sintesi sonochimica e hanno dimostrato la loro affidabilità nella sintesi di nanocatalizzatori zeolitici di alta qualità e di derivati delle zeoliti. I sonicatori industriali Hielscher possono operare facilmente ad ampiezze elevate in funzionamento continuo (24/7/365). Con sonotrodi standard (sonde / corni a ultrasuoni) è possibile generare facilmente e in modo continuo ampiezze fino a 200µm. Per ampiezze ancora più elevate sono disponibili sonotrodi a ultrasuoni personalizzati. Grazie alla loro robustezza e alla ridotta manutenzione, i nostri sonicatori vengono comunemente installati per applicazioni gravose e in ambienti impegnativi.
I processori a ultrasuoni Hielscher per sintesi sonochimiche, funzionalizzazione, nanostrutturazione e deagglomerazione sono già installati su scala commerciale in tutto il mondo. Contattateci ora per discutere del vostro processo di produzione di nanocatalizzatori! Il nostro personale esperto sarà lieto di fornire ulteriori informazioni sul percorso di sintesi sonochimica, sui sistemi a ultrasuoni e sui prezzi!
Grazie ai vantaggi del metodo di sintesi a ultrasuoni, la vostra produzione di nanocatalizzatori mesoporosi eccellerà in termini di efficienza, semplicità e costi contenuti rispetto ad altri processi di sintesi dei catalizzatori!

La tabella seguente fornisce un’indicazione della capacità di trattamento approssimativa dei nostri sonicatori: