ジメチルエーテル（DME）への転換用触媒の超音波調製

ジメチルエーテル（DME）は有望な代替燃料であり、メタノール、CO₂ または合成ガスから触媒反応によって合成できます。DMEへの触媒転換には、強力な触媒が必要です。メソポーラス酸性ゼオライトや修飾ゼオライトなどのナノサイズのメソポーラス触媒、あるいはアルミニウムや銅などのナノサイズの金属触媒は、DMEへの転換を大幅に改善できます。高強度超音波は、反応性の高いナノ触媒の調製に優れた技術です。優れた反応性と選択性を備えたミクロポーラス触媒およびメソポーラス触媒の製造に超音波処理を活用する方法について、詳しくご紹介します。

DMEへの直接転換用の二機能性触媒

ジメチルエーテル（DME）の製造は、二段階に分かれる、十分に確立された工業プロセスです。まず、合成ガスをメタノールへ転換する触媒水素化を行います（CO / CO₂ + 3H₂ → CH₃OH + H₂HO）。次に、酸触媒上でメタノールの触媒脱水を行い、生成に至ります（2CH₃OH → CH₃OCH₃ + H₂O）。この二段階のDME合成における主な制約は、メタノール合成段階の低い熱力学に関連し、その結果、通過ごとのガス転化率が低くなります（15–25%）。これにより、高い再循環比と高い設備投資費および運転費が生じます。
この熱力学的制約を克服するには、DMEの直接合成が大幅に有利です。DMEへの直接転換では、メタノール合成工程と脱水工程を単一の反応器内で組み合わせます。
（2CO / CO₂ + 6H₂ → CH₃OCH₃ + 3H₂O）。

DMEの直接合成では、各段階の転化率を最大19%まで高めることができ、DME製造の設備投資費および運転にかかる製造費の大幅な削減につながります。推定によると、直接合成でのDME製造費は、従来の二段階転換プロセスと比較して20–30%削減されます。DMEの直接合成経路を実施するには、高効率のハイブリッド二機能性触媒系が必要です。必要な触媒は、メタノール合成のためのCO / CO2水素化機能と、メタノールの脱水を助ける酸性機能を備えていなければなりません。（参照：Millán et al. 2020）

高出力超音波を用いたDMEへの転換用の高反応性触媒の合成

ジメチルエーテルへの転換用触媒の反応性と選択性は、超音波処理によって大幅に改善できます。酸性ゼオライト（アルミノケイ酸塩ゼオライトHZSM-5など）や修飾ゼオライト（CuO/ZnO/Al₂O₃などで修飾）は、DME製造に有効に使用されている主要な触媒です。

ゼオライトの塩素化とフッ素化は、触媒の酸性を調整する効果的な方法です。Aboul-Fotouhの研究チームによる研究では、二種類のハロゲン前駆体（塩化アンモニウムとフッ化アンモニウム）を用いてゼオライト（H-ZSM-5、H-MORまたはH-Y）を含浸し、塩素化およびフッ素化ゼオライト触媒を調製しました。固定床反応器でのメタノール脱水によるジメチルエーテル（DME）製造に向けて、両ハロゲン前駆体を最適化するため、超音波照射の影響を評価しました。DME触媒反応の比較試験により、超音波照射下で調製したハロゲン化ゼオライト触媒は、DME生成においてより高い性能を示すことが明らかになりました。（Aboul-Fotouh et al., 2016）
別の研究では、研究チームはH-MORゼオライト触媒上でメタノールを脱水してジメチルエーテルを製造する際に関わる、超音波処理の重要な変数をすべて調査しました。超音波処理実験に、研究チームは Hielscher UP50Hプローブ型超音波処理装置を使用しました。超音波処理したH-MORゼオライト（モルデナイトゼオライト）の走査電子顕微鏡（SEM）画像により、超音波処理媒体としてメタノール単独を使用すると、大きな凝集体や不均一なクラスターが見られた未処理触媒と比較して、粒子径の均一性に関して最良の結果が得られることが明らかになりました。これらの知見は、超音波処理が単位格子の分解能に大きく影響し、その結果、メタノールをジメチルエーテル（DME）へ脱水する際の触媒挙動にも大きく影響することを裏付けました。NH3-TPDは、超音波照射によってH-MOR触媒の酸性が高まり、その結果、DME生成における触媒性能も向上したことを示しています。（Aboul-Gheit et al., 2014）

市販のDMEのほぼすべては、ゼオライト、シリカ–アルミナ、アルミナ、Al₂O₃–B₂O₃などのさまざまな固体酸触媒を用いて、次の反応によるメタノールの脱水で製造されます。
2CH₃OH <—> CH₃OCH₃ +H₂O(-22.6k jmol^-1）

Koshbin and Haghighi (2013)は、共沈と超音波を組み合わせた方法でCuO–ZnO–Al₂O₃/HZSM-5ナノ触媒を調製しました。研究チームは、「超音波エネルギーの使用は、CO水素化機能の分散、ひいてはDME合成性能に大きな影響を及ぼす。超音波支援によって合成したナノ触媒の耐久性を、合成ガスからDMEへの反応中に調査した。反応中に銅種上でコークスが形成されることによるナノ触媒の活性低下は、無視できる程度である」と報告しました。 [Khoshbin and Haghighi, 2013.]

DMEへの転換を促進するうえでも非常に効率的な、ゼオライト以外の代替ナノ触媒として、ナノサイズの多孔質γ-アルミナ触媒があります。ナノサイズの多孔質γ-アルミナは、超音波混合下での沈殿によって合成に成功しました。ソノケミカル処理は、ナノ粒子の合成を促進します。（参照：Rahmanpour et al., 2012）

超音波で調製したナノ触媒が優れている理由

不均一系触媒の製造には、貴金属などの高付加価値材料が必要になることがよくあります。そのため触媒は高価になり、触媒の効率向上と寿命延長は重要な経済的要因となります。ナノ触媒の調製方法の中でも、ソノケミカル技術は高効率の方法と考えられています。超音波は、反応性の高い表面を形成し、混合を改善し、物質移動を増大させる能力を持つため、触媒の調製と活性化に向けて検討するうえで、特に有望な技術です。高価な機器や極端な条件を必要とせず、均一で分散したナノ粒子を製造できます。
複数の研究で、科学者たちは超音波による触媒調製が均一なナノ触媒の製造に最も有利な方法であると結論づけています。ナノ触媒の調製方法の中でも、ソノケミカル技術は高効率の方法と考えられています。強力な超音波処理は、反応性の高い表面を形成し、混合を改善し、物質移動を増大させる能力を持つため、触媒の調製と活性化に向けて検討するうえで、特に有望な技術です。高価な機器や極端な条件を必要とせず、均一で分散したナノ粒子を製造できます。（参照：Koshbin and Haghighi, 2014）

メソポーラス触媒の合成用の高性能超音波処理装置

高性能ナノ触媒の合成用ソノケミカル装置は、小型の実験室用超音波処理装置から本格的な産業用超音波反応器まで、あらゆる規模で容易に入手できます。Hielscher Ultrasonicsは、高出力超音波処理装置を設計、製造、販売しています。すべての超音波システムはドイツのTeltowにある本社で製造され、そこから世界中へ出荷されます。
Hielscherの超音波処理装置の洗練されたハードウェアとスマートなソフトウェアは、信頼性の高い運転、再現性のある結果、使いやすさを保証するように設計されています。Hielscherの超音波処理装置は堅牢で信頼性が高く、過酷な稼働条件下でも設置して運転できます。デジタルカラータッチディスプレイとブラウザーによる遠隔操作から利用できる直感的なメニューを通じて、運転設定を容易に確認、調整できます。これにより、正味エネルギー、総エネルギー、振幅、時間、圧力、温度など、すべての処理条件が内蔵SDカードに自動記録されます。そのため、過去の超音波処理を確認、比較し、ナノ触媒の合成と機能化を最高の効率に最適化できます。
Hielscher Ultrasonicsのシステムは、ソノケミカル合成プロセスに世界中で使用されており、高品質のゼオライトナノ触媒およびゼオライト誘導体の合成において、その信頼性が実証されています。Hielscherの産業用超音波処理装置は、連続運転（24/7/365）で容易に高振幅を維持できます。標準のソノトロード（超音波プローブ／ホーン）で、最大200µmの振幅を容易に連続生成できます。さらに高い振幅には、特注の超音波ソノトロードを利用できます。堅牢で保守の手間が少ないため、当社の超音波処理装置は、過酷な稼働を伴う用途や厳しい環境で広く導入されています。
ソノケミカル合成、機能化、ナノ構造化、解凝集用のHielscher超音波処理装置は、すでに世界中で商業規模で導入されています。ナノ触媒の製造プロセスについて、今すぐお問い合わせください。経験豊富なスタッフが、ソノケミカル合成経路、超音波システム、価格に関する詳しい情報をご案内します。
超音波合成法の利点により、お客様のメソポーラスナノ触媒製造は、他の触媒合成プロセスと比較して、効率、簡便さ、低コストの面で優れたものになります。

以下の表は、当社の超音波処理装置のおおよその処理能力を示しています。