ジメチルエーテル(DME)変換用触媒の超音波調製

ジメチルエーテル(DME)は、メタノール、COから合成することができる有利な代替燃料、です2 または触媒を介してシンガス。DMEへの触媒変換には、強力な触媒が必要です。メソポーラス酸性ゼオライト、装飾されたゼオライト、またはアルミニウムや銅などのナノサイズの金属触媒などのナノサイズのメソポーラス触媒は、DME変換を大幅に改善することができます。高強度超音波は、反応性の高いナノ触媒の調製のための優れた技術です。優れた反応性と選択性を持つマイクロおよびメソポーラス触媒の製造のための超音波を使用する方法についての詳細を学びます!

直接DME変換のための二機能触媒

ジメチルエーテル(DME)の生産は、2つのステップに分けられる確立された工業プロセスである:まず、メタノールへのシンガスの触媒水素化(CO / CO)2 + 3H2 → CH3OH + H2HO)及び第2に、酸触媒上のメタノールのその後の触媒脱水(2CH)を生成する(2CH3オー→CH3OCH3 + H2この二段階DME合成の主な制限は、メタノール合成の段階で低熱力学に関連し、その結果、パスあたりの低ガス変換(15〜25%)になります。それにより、高い再循環率、高い資本および運用コストが発生しています。
この熱力学的制限を克服するために、直接DME合成は非常に有利である:直接DME変換では、メタノール合成ステップは、単一の反応器の脱水ステップと結合される
(2CO/CO2 + 6H2 → CH3OCH3 + 3H2O)。

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Nano-catalysts such as functionalized zeolites are successfully synthezized under sonication. Functionalized nano-structured acidic zeolites - syntheiszed under sonochemical conditions - give superior rates for dimethyl ether (DME) conversion.

超音波処理器UIP2000hdT(2kW) 流れ-反応器とはメソポーラスナノ触媒(例えば装飾されたゼオライト)のソノ化学的合成のための一般的に使用されるセットアップである。

DMEの直接合成により、ステップごとの変換レベルを最大19%まで向上させることができ、DMEの投資と運用生産コストに関する大幅なコスト削減を意味します。推定に基づいて、DMEの直接合成における生産コストは、従来の2段階変換プロセスと比較して20〜30%削減される。直接DME合成経路を操作するためには、高効率のハイブリッド二機能触媒系が必要である。必要な触媒は、メタノール合成のためのCO/CO2水素化の機能性と、メタノールの脱水を助ける酸性機能性を提供する必要があります。(ミランら 2020年)

Direct synthesis of dimethyl ether (DME) requires highly reactive, bifunctional catalysts. Ultrasonic catalyst synthesis allows to create highly efficient nano-structured mesoporous catalysts such as functionalized acidic zeolites for superior catalytic reaction outputs.

二機能性触媒上のシンガスからのジメチルエーテル(DME)の直接合成。
(©ミランら 2020年)

パワー超音波を用いたDME変換用高反応性触媒の合成

ジメチルエーテル変換のための触媒の反応性および選択性は、超音波処理によって有意に改善することができる。酸ゼオライト(例えば、アルミノケイ酸塩ゼオライトHZSM-5)や装飾されたゼオライト(例えば、CuO/ZnO/Al付き)などのゼオライト2ザ・3)は、DMEの生産に成功した主な触媒です。

Ultrasonic co-precipitation allows for the production of highly efficient CuO-ZnO-Al2O3/HZSM-5 nano-catalysts

クオ-ZnO-Al2O3/HZSM-5のハイブリッド共沈殿超音波合成は、グリーン燃料としてジメチルエーテルへのシンガスの直接コンバーシオンで使用される。
研究と写真:コシュビンとハグハイ、2013。

ゼオライトの塩素化とフッ素化は、触媒酸を調整する有効な方法です。塩素化およびフッ素化ゼオライト触媒は、アブール・フォトウの研究チームによる研究において、2つのハロゲン前駆体(塩化アンモニウムおよびフッ化アンモニウム)を用いたゼオライト(H-ZSM-5、H-MORまたはH-Y)の含浸によって調製された。超音波照射の影響は、固定床反応器におけるメタノール脱水によるジメチエステル(DME)の生成のための両方のハロゲン前駆体を最適化するために評価した。比較DME触媒試験は、超音波照射下で調製されたハロゲン化ゼオライト触媒がDME形成に対してより高い性能を示していることを明らかにした。(アブール・フォトウら、2016年)
別の研究では、研究チームは、ジメチエサを生成するためにH-MORゼオライト触媒上のメタノールの脱水を行う際に遭遇したすべての重要な超音波変数を調査しました。彼らの超音波処理のエペリメントのために、研究チームは ヒールシャーUP50Hプローブ式超音波式超音波処理器.超音波処理されたH-MORゼオライト(Mordeniteゼオライト)の走査型電子顕微鏡(SEM)画像化は、超音波媒体として使用されるメタノール自体が、大きな凝集体および不均一なクラスターが現れた未処理触媒と比較して粒子サイズの均質性に関する最良の結果を与えることを明らかにした。これらの知見は、超音波がユニット細胞分解能に深い影響を及ぼし、したがって、ジメチルエーテル(DME)へのメタノールの脱水の触媒挙動に深い影響を及ぼすことを証明した。NH3-TPDは、超音波照射がH-MOR触媒の酸性度を高めていることを示しており、したがってDME形成のための触媒性能である。(アブール・ゲイトら、2014)

Ultrasonication of H-MOR (mordenite zeolite) catalyst gave highly reactive nano-catalyst for DME conversion.

異なる媒体を用いた超音波付きH-MORのSEM
研究と写真: ©Aブール・ゲイトら, 2014

ほとんどすべての商用DMEは、ゼオライト、シリカアルミナ、アルミナ、Alなどの異なる固体酸触媒を使用したメタノールの脱水によって生成されます2ザ・3–B2ザ・3、以下の反応などにより:
2CH3おや <—> Ch3OCH3 +H2O(-22.6k jmol)-1

コシュビンとハグハイ(2013)はCuO-ZnO-Alを準備しました2ザ・3/HZSM-5ナノ触媒は、結合された共沈殿–超音波法を介して。研究チームは、「超音波エネルギーを採用することは、CO水素化機能の分散に大きな影響を与え、その結果、DME合成性能を示した。DME反応に対するシンガス中に超音波補助合成ナノ触媒の耐久性を調べた。ナノ触媒は、銅種のコークス形成による反応の過程で無視できる活性を失う」[コシュビンとハグハイ、2013.

Ultrasonically precipitated gamma-Al2O3 nano-catalyst, which shows high efficiency in DME conversion.DME変換を促進する上でも非常に効率的である代替非ゼオライトナノ触媒は、ナノサイズの多孔質γアルミナ触媒である。ナノサイズの多孔質γアルミナは、超音波混合下で沈殿により合成に成功した。このソノケミカル処理は、ナノ粒子合成を促進する。(ラフマンプールら、2012年)

なぜ超音波調製ナノ触媒は優れているのですか?

異種触媒の製造には貴金属などの高付加価値材料が必要となる場合が多い。これにより触媒は高価になり、したがって、効率向上ならびに触媒のライフサイクル延長は重要な経済的要因である。ナノ触媒の製造方法の中でも、ソノケミカル手法は高効率な方法と考えられている。超音波は、高反応性表面を作成し、混合を改善し、大量輸送を増加させる能力は、触媒調製および活性化のために探求する特に有望な技術になります。それは高価な器械および極度の条件のために必要としないで均質で分散したナノ粒子を作り出すことができる。
いくつかの研究では、科学者たちは、超音波触媒調製が均質なナノ触媒の製造のための最も有利な方法であるという結論に達する。ナノ触媒の製造方法の中でも、ソノケミカル手法は高効率な方法と考えられている。強い超音波処理の能力は、非常に反応性の高い表面を作成し、混合を改善し、大量輸送を増加させることは、触媒の調製および活性化のために探求するために特に有望な技術になります。それは高価な器械および極度の条件のために必要としないで均質で分散したナノ粒子を作り出すことができる。(cf. コシュビンとハグハイ、2014)

Ultrasonic catalyst preparation results in superior mesoporous nanocatalysts for dimethyl ether (DME) conversion

このソノケミカル合成は、高活性なナノ構造のCuO–ZnO-Al2O3/HZSM-5触媒をもたらします。
研究と絵:コシュビンとハグハイ、2013。

High-power ultrasonicators such as the UIP1000hdT are used for the nanostructuring of highly porous metals and mesoporous nano-catalysts. (Click to enlarge!)

金属粒子の改変に及ぼす音響キャビテーションの効果の概略的な提示。亜鉛(Zn)として低融点(MP)を持つ金属は完全に酸化されます。ニッケル(Ni)やチタン(Ti)のような融点の高い金属は、超音波処理の下で表面改質を示します。アルミニウム(Al)およびマグネシウム(Mg)はメソポーラス構造を形成する。ノーベル金属は、酸化に対する安定性のために超音波照射に耐性があります。金属の融点はケルビン(K)の度数で指定されます。

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メソポーラス触媒合成用高性能超音波処理器

高性能ナノ触媒の合成のためのソノケミカル装置は、あらゆるサイズで容易に入手できる – コンパクトなラボ超音波装置から完全工業用超音波反応器へ。ヒールシャー超音波設計、製造、および高出力超音波装置を配布します。すべての超音波システムはテルトー、ドイツの本社で作られ、世界中から配布されています。
Hielscher ultrasonicators can be remotely controlled via browser control. Sonication parameters can be monitored and adjusted precisely to the process requirements.ヒールシャー超音波処理器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、信頼性の高い操作、再現可能な結果だけでなく、ユーザーの使いやすさを保証するように設計されています。ヒールシャー超音波処理器は、頑丈な条件下でインストールし、操作することを可能にする堅牢で信頼性の高いです。操作の設定は、デジタルカラータッチディスプレイとブラウザのリモコンを介してアクセスすることができ、直感的なメニューを介して簡単にアクセスしてダイヤルすることができます。そのため、正味エネルギー、総エネルギー、振幅、時間、圧力、温度などのすべての処理条件は、内蔵のSDカードに自動的に記録されます。これにより、以前の超音波処理の実行を修正して比較し、ナノ触媒の合成と機能化を最高効率に最適化することができます。
ヒールシャー超音波システムは、ソノケミカル合成プロセスのために世界的に使用され、高品質のゼオライトナノ触媒だけでなく、ゼオライト誘導体の合成のために信頼性が証明されています。ヒールシャー工業用超音波処理器は、連続操作(24/7/365)で高振幅を簡単に実行できます。最大200μmの振幅は、標準ソノトロード(超音波プローブ/ホーン)で簡単に連続的に生成することができます。さらに高い振幅のために、カスタマイズされた超音波ソトロードが利用可能です。その堅牢性と低メンテナンスのために、当社の超音波器は、一般的に頑丈なアプリケーションのために、厳しい環境でインストールされています。
ソノケミカル合成、機能化、ナノ構造および脱凝集のためのヒールシャー超音波プロセッサは、すでに商業的規模で世界中に設置されています。今すぐお問い合わせの上、ナノ触媒製造プロセスをご相談ください!私たちのよく経験豊富なスタッフは、ソノケミカル合成経路、超音波システムと価格に関するより多くの情報を共有して喜んでいるでしょう!
超音波合成法の利点により、メソポーラスナノ触媒の生産は、他の触媒合成プロセスと比較すると、効率、シンプルさと低コストに優れています!

下の表は私達のultrasonicatorsのおおよその処理能力の目安を与えます:

バッチ容量 流量 推奨デバイス
500mLの1〜 200mL /分で10 UP100H
2000mlの10〜 20 400mLの/分 Uf200ःトンUP400St
00.1 20Lへ 04L /分の0.2 UIP2000hdT
100Lへ10 10L /分で2 UIP4000hdT
N.A。 10 100L /分 UIP16000
N.A。 大きな のクラスタ UIP16000

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Ultrasonic nano-structuring of metals and zeolites is a highly effective technique to produce high-performance catalysts.

アンドレエバ=ボーラー博士(バイロイト大学)は、バイロイト大学の 超音波処理器 UIP1000hdT 優れた触媒を得るために、金属のナノ構造に。


Ultrasonic high-shear homogenizers are used in lab, bench-top, pilot and industrial processing.

ヒールシャー超音波は、ラボ、パイロット、工業規模でアプリケーション、分散、乳化および抽出を混合するための高性能超音波ホモジナイザーを製造しています。



文献 / 参考文献


知る価値のある事実

燃料としてのジメチルエーテル(DME)

ジメチルエーテルの主な想定用途の1つは、家庭や産業において、自動車用燃料として使用されるLPG(液体プロパンガス)のプロパンの代替として使用することです。プロパンオートガスでは、ジメチルエーテルもブレンドストックとして使用することができる。
さらに、DMEはディーゼルエンジンやガスタービンの有望な燃料でもあります。ディーゼルエンジンの場合、セタン数40~53の石油のディーゼル燃料に比べ、55の高いセタン数が非常に有利です。ディーゼルエンジンがジメチルエーテルを燃焼させるために必要なのは、適度な変更だけです。この短い炭素鎖化合物の簡易性は、燃焼中に粒子状物質の非常に低い放出に導く。これらの理由から、硫黄を含まないジメチルエーテルは、欧州(EURO5)、米国(2010年米国)、日本(2009年日本)でも最も厳しい排出規制を満たしています。


High performance ultrasonics! Hielscher's product range covers the full spectrum from the compact lab ultrasonicator over bench-top units to full-industrial ultrasonic systems.

ヒールシャー超音波は、から高性能超音波ホモジナイザーを製造しています ラボ産業サイズ。