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、CO₂ または合成ガスを触媒反応によって製造する。DMEへの触媒変換には、強力な触媒が必要である。メソポーラス酸性ゼオライト、装飾ゼオライト、またはアルミニウムや銅などのナノサイズの金属触媒のようなナノサイズのメソポーラス触媒は、DME転化率を大幅に向上させることができる。反応性の高いナノ触媒の調製には、高強度超音波が優れた技術です。反応性と選択性に優れたマイクロおよびメソポーラス触媒の製造に超音波を使用する方法については、こちらをご覧ください！

直接DME変換のための二官能性触媒

ジメチルエーテル(DME)の製造は、確立された工業プロセスであり、2つのステップに分けられる。₂ + 3H₂ → CH₃OH + H₂HO）を製造し、次に酸触媒上でメタノールを接触脱水して（2CH₃OH → CH₃OCH₃ + H₂O).この2段階DME合成の主な限界は、メタノール合成段階での熱力学が低いことであり、その結果、1パスあたりのガス転化率が低くなる（15～25％）。そのため、再循環率が高く、資本コストと運転コストが高くなる。
この熱力学的制限を克服するためには、直接DME合成が著しく有利である：直接DME化では、メタノール合成ステップと脱水ステップを1つの反応器で行う。
(2CO / CO₂ + 6H₂ → CH₃OCH₃ + 3H₂O).

DMEの直接合成では、1工程あたりの転化率を最大19％まで高めることができるため、DMEの投資コストと操業コストを大幅に削減できる。試算によると、直接合成のDME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合成経路を運転するためには、高効率のハイブリッド二官能性触媒システムが必要である。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の機能性を備えていなければならない。(Millán et al.）

パワー超音波を用いたDME変換用高反応性触媒の合成

ジメチルエーテル転化用触媒の反応性および選択性は、超音波処理によって著しく向上させることができる。酸性ゼオライト（例えば、アルミノケイ酸塩ゼオライトHZSM-5）や装飾ゼオライト（例えば、CuO/ZnO/Al₂O₃)は、DME製造に成功した主な触媒である。

ゼオライトの塩素化およびフッ素化は、触媒の酸性度を調整する効果的な方法である。Aboul-Fotouhの研究チームは、2種類のハロゲン前駆体（塩化アンモニウムおよびフッ化アンモニウム）を用いてゼオライト（H-ZSM-5、H-MORまたはH-Y）に含浸させることにより、塩素化およびフッ素化ゼオライト触媒を調製した。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）製造において、両ハロゲン前駆体を最適化するために超音波照射の影響を評価した。DME触媒の比較試験により、超音波照射下で調製したハロゲン化ゼオライト触媒がDME生成においてより高い性能を示すことが明らかになった。(Aboul-Fotouh et al.）
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遭遇する、すべての重要な超音波処理変数を調査した。ソニケーション実験に使用したのは Hielscher UP50H プローブ式超音波発生装置.超音波処理したH-MORゼオライト（モルデナイト型ゼオライト）の走査型電子顕微鏡（SEM）イメージングにより、超音波処理媒体として使用したメタノールそのものが、大きな凝集体や不均一なクラスターが出現した未処理の触媒と比較して、粒子サイズの均一性に関して最良の結果を与えることが明らかになった。これらの結果は、超音波処理がユニットセルの分解能に深く影響し、メタノールからジメチルエーテル（DME）への脱水反応の触媒挙動に影響することを証明した。NH3-TPDは、超音波照射がH-MOR触媒の酸性度を向上させ、DME生成の触媒性能を向上させることを示している。(Aboul-Gheitら、2014)

ほとんどすべての市販DMEは、ゼオライト、シリカ-アルミナ、アルミナ、Al₂O₃-B₂O₃などを以下の反応によって行う：
2CH₃OH <—> CH₃OCH₃ +H₂O(-22.6kjmol^-1)

Koshbin and Haghighi (2013) は、CuO-ZnO-Al₂O₃/HZSM-5ナノ触媒を共沈-超音波併用法により合成した。研究チームは、「超音波エネルギーが、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与える」ことを発見した。合成ガスからDMEへの変換反応において、超音波アシスト合成ナノ触媒の耐久性を調べた。このナノ触媒は、銅種上のコークス形成により、反応の過程で無視できるほど活性が低下した。[Khoshbin and Haghighi, 2013.］

ゼオライト以外のナノ触媒としては、ナノサイズの多孔質γ-アルミナ触媒がある。ナノサイズの多孔質γ-アルミナは、超音波攪拌下での沈殿により合成に成功した。超音波処理はナノ粒子の合成を促進する。(参照：Rahmanpour et al.）

なぜ超音波で調製したナノ触媒が優れているのか？

不均一系触媒の製造には、多くの場合、貴金属などの高付加価値材料が必要である。そのため触媒は高価であり、触媒の効率向上とライフサイクルの延長は重要な経済的要因である。ナノ触媒の調製法の中でも、ソノケミカル法は非常に効率的な方法と考えられている。反応性の高い表面を形成し、混合を改善し、物質輸送を増大させる超音波の能力は、触媒の調製と活性化において特に有望な技術である。高価な装置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る。
いくつかの研究において、科学者たちは超音波触媒調製法が均一なナノ触媒の製造に最も有利な方法であるという結論に達している。ナノ触媒の調製法の中でも、ソノケミカル技術は非常に効率的な方法と考えられている。強力な超音波処理によって反応性の高い表面を形成し、混合を改善し、物質輸送を増大させることができるため、触媒の調製と活性化において特に有望な手法である。高価な装置や極端な条件を必要とせず、均質で分散したナノ粒子を作ることができる。(参照：Koshbin and Haghighi, 2014）

メソポーラス触媒合成のための高性能超音波発生装置

高性能ナノ触媒を合成するためのソノケミカル装置は、どのようなサイズでも容易に入手できる。 – コンパクトなラボ用超音波発生装置から完全工業用超音波リアクターまで。Hielscher Ultrasonics社は、ハイパワー超音波発生装置の設計、製造、販売を行っている。すべての超音波システムはドイツのテルトウ本社で製造され、そこから世界中に販売されています。
Hielscher社の超音波装置は、洗練されたハードウェアとスマートなソフトウェアにより、信頼性の高い操作、再現性の高い結果、使いやすさを保証するように設計されています。Hielscher社製超音波発生装置は堅牢で信頼性が高く、過酷な条件下での設置や操作が可能です。操作設定は、デジタルカラータッチディスプレイとブラウザリモコンからアクセスできる直感的なメニューから簡単にアクセスし、呼び出すことができます。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、すべての処理条件が内蔵SDカードに自動的に記録されます。これにより、過去の超音波処理を修正・比較し、ナノ触媒の合成と機能化を最高の効率で最適化することができます。
Hielscher社の超音波システムは、世界中で超音波化学合成プロセスに使用されており、高品質のゼオライトナノ触媒やゼオライト誘導体の合成に信頼性があることが証明されています。Hielscher社の工業用超音波発生装置は、連続運転（24時間365日）で高振幅を容易に発生させることができます。標準的なソノトロード（超音波プローブ/ホーン）を使用すれば、最大200µmの振幅を簡単に連続発生させることができます。さらに高い振幅を得るには、カスタマイズされた超音波ソノトロードをご利用いただけます。頑丈でメンテナンスが容易なため、当社の超音波発生装置は、過酷な用途や過酷な環境下でも一般的に設置されています。
ソノケミカル合成、官能基化、ナノ構造化、脱凝集のためのHielscher超音波プロセッサーは、すでに商業規模で世界中に設置されています。ナノ触媒の製造プロセスについてご相談ください！当社の経験豊富なスタッフが、超音波合成経路、超音波システム、価格に関する詳細情報を喜んで共有させていただきます！
超音波合成法の利点により、メソポーラス・ナノ触媒の製造は、他の触媒合成プロセスと比較して、効率、簡便性、低コストで優れています！

下の表は、超音波処理装置の処理能力の目安です：