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

Il dimetil etere (DME) è un combustibile alternativo favorevole, che può essere sintetizzato a partire da metanolo, CO₂ o syngas attraverso la catalisi. Per la conversione catalitica in DME sono necessari potenti catalizzatori. I catalizzatori mesoporosi di dimensioni nanometriche, come le zeoliti acide mesoporose, le zeoliti decorate o i catalizzatori metallici di dimensioni nanometriche, come l'alluminio o il rame, possono migliorare notevolmente la conversione del DME. Gli ultrasuoni ad alta intensità sono la tecnica migliore per la preparazione di nano-catalizzatori altamente reattivi. Per saperne 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 consolidato che si articola in due fasi: la prima è 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). Il limite principale di questa sintesi a due fasi del DME è legato alla bassa termodinamica durante la fase di sintesi del metanolo, che comporta 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 decisamente 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 consente di aumentare i livelli di conversione per fase, fino al 19%, il che comporta una significativa riduzione dei costi di investimento e di produzione operativa del DME. Secondo le stime, i costi di produzione del DME nella sintesi diretta sono ridotti del 20-30% rispetto al processo di conversione convenzionale a due fasi. Per operare 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 mediante ultrasuoni di potenza

La reattività e la selettività dei catalizzatori per la conversione dell'etere dimetilico possono essere migliorate in modo significativo con il trattamento a 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 clorazione e la fluorazione delle zeoliti sono metodi efficaci per regolare l'acidità catalitica. I catalizzatori di zeolite clorurati e fluorurati sono stati preparati mediante 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 gruppo di ricerca di Aboul-Fotouh. L'influenza dell'irradiazione a ultrasuoni è stata valutata per ottimizzare entrambi i precursori alogeni per la produzione di dimetiletere (DME) tramite disidratazione del metanolo in un reattore a letto fisso. La prova comparativa di catalisi del DME ha rivelato che i catalizzatori di zeolite alogenata preparati sotto irradiazione ultrasonica mostrano prestazioni superiori per la formazione di DME. (Aboul-Fotouh et al., 2016)
In un altro studio, il team di ricerca ha analizzato tutte le variabili importanti dell'ultrasonicazione 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 Ultrasuonatore a sonda Hielscher UP50H. Le immagini al microscopio elettronico a scansione (SEM) della zeolite H-MOR sonicata (zeolite Mordenite) hanno chiarito che il metanolo di per sé, usato come mezzo di ultrasuoni, dà i migliori risultati per quanto riguarda l'omogeneità delle dimensioni delle particelle rispetto al catalizzatore non trattato, in cui apparivano grandi agglomerati e cluster non omogenei. Questi risultati certificano che gli ultrasuoni hanno un effetto profondo sulla risoluzione delle cellule unitarie e quindi sul comportamento catalitico della disidratazione del metanolo in dimetil etere (DME). L'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 viene prodotto per disidratazione del metanolo utilizzando diversi catalizzatori solidi-acidi come zeoliti, sillica-allumina, allumina, Al₂O₃-B₂O₃, ecc. per reazione:
2CH₃OH <—> CH₃OCH₃ +H₂O(-22,6k jmol^-1)

Koshbin e Haghighi (2013) hanno preparato CuO-ZnO-Al₂O₃/HZSM-5 attraverso un metodo combinato di co-precipitazione e 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 di sintesi del DME". La durata del nanocatalizzatore sintetizzato con l'assistenza degli 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 non a base di zeolite, anch'esso molto efficiente nel promuovere la conversione del DME, è un catalizzatore di γ-allumina porosa di dimensioni nanometriche. La γ-allumina porosa di dimensioni nanometriche è stata sintetizzata con successo per precipitazione sotto miscelazione a ultrasuoni. Il trattamento sonico favorisce la sintesi delle nanoparticelle. (cfr. Rahmanpour et al., 2012)

Perché i nanocatalizzatori preparati a ultrasuoni sono superiori?

Per la produzione di catalizzatori eterogenei sono spesso necessari materiali ad alto valore aggiunto, come i metalli preziosi. Ciò rende i catalizzatori costosi e quindi il miglioramento dell'efficienza e l'estensione del ciclo di vita dei catalizzatori sono fattori economici importanti. Tra i metodi di preparazione dei nanocatalizzatori, la tecnica sonochemica 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 ne fa 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 diverse ricerche, gli scienziati sono giunti alla conclusione che la preparazione dei catalizzatori con gli ultrasuoni è il metodo più vantaggioso per la produzione di nanocatalizzatori omogenei. Tra i metodi di preparazione dei nanocatalizzatori, la tecnica sonica 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)

Ultrasuonatori ad alte prestazioni per la sintesi di catalizzatori mesoporosi

L'apparecchiatura sionochimica per la sintesi di nano-catalizzatori ad alte prestazioni è prontamente disponibile in qualsiasi dimensione – dagli ultrasuoni compatti da laboratorio ai reattori a ultrasuoni completamente industriali. Hielscher Ultrasonics progetta, produce e distribuisce ultrasuonatori 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 ultrasonori Hielscher sono progettati per garantire un funzionamento affidabile, risultati riproducibili e facilità d'uso. Gli ultrasuonatori Hielscher sono robusti e affidabili e possono essere installati e utilizzati in condizioni di lavoro gravose. Le impostazioni operative sono facilmente accessibili e selezionabili attraverso un menu intuitivo, accessibile tramite un display digitale a colori touch-display e un telecomando browser. Tutte le condizioni di lavorazione, come energia netta, energia totale, ampiezza, tempo, pressione e temperatura, vengono automaticamente registrate su una scheda SD integrata. Ciò consente di rivedere e confrontare i cicli di sonicazione precedenti e di ottimizzare la sintesi e la funzionalizzazione dei nano-catalizzatori con la massima efficienza.
I sistemi Hielscher Ultrasonics sono utilizzati in tutto il mondo per i processi di sintesi sonica e si sono dimostrati affidabili per la sintesi di nano-catalizzatori di zeolite di alta qualità e di derivati della zeolite. Gli ultrasonici industriali Hielscher possono facilmente gestire ampiezze elevate in funzionamento continuo (24/7/365). Ampiezze fino a 200 µm possono essere facilmente generate in continuo con sonotrodi standard (sonde ad ultrasuoni / corna). Per ampiezze ancora maggiori, sono disponibili sonotrodi a ultrasuoni personalizzati. Grazie alla loro robustezza e alla bassa manutenzione, i nostri ultrasonori sono comunemente installati per applicazioni pesanti e in ambienti difficili.
I processori a ultrasuoni Hielscher per le sintesi chimico-soniche, la funzionalizzazione, la nanostrutturazione e la deagglomerazione sono già installati in tutto il mondo su scala commerciale. Contattateci subito per discutere del vostro processo di produzione di nanocatalizzatori! Il nostro personale esperto sarà lieto di fornirvi ulteriori informazioni sul percorso della sintesi chimico-sonora, sui sistemi a ultrasuoni e sui prezzi!
Grazie al vantaggio del metodo di sintesi a ultrasuoni, la vostra produzione di nano-catalizzatori mesoporosi eccellerà per efficienza, semplicità e basso costo rispetto ad altri processi di sintesi di catalizzatori!

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