კატალიზატორების ულტრაბგერითი მომზადება დიმეთილ ეთერის (DME) გარდაქმნისათვის
ორფუნქციური კატალიზატორი პირდაპირი DME კონვერტაციისათვის
დიმეთილ ეთერის (DME) წარმოება არის კარგად დამკვიდრებული ინდუსტრიული პროცესი, რომელიც იყოფა ორ საფეხურად: პირველი, სინგაზის კატალიზური ჰიდროგენიზაცია მეთანოლში (CO / CO2 + 3H2 CH3ოჰ + ჰ2HO) და მეორეც, მეთანოლის შემდგომი კატალიზური გაუწყლოება მჟავა კატალიზატორებზე (2CH3ოჰ → CH3OCH3 + H2ო). ამ ორსაფეხურიანი DME სინთეზის მთავარი შეზღუდვა დაკავშირებულია მეთანოლის სინთეზის ფაზაში დაბალ თერმოდინამიკასთან, რაც იწვევს გაზის დაბალ გარდაქმნას პასზე (15-25%). ამრიგად, ხდება მაღალი რეცირკულაციის კოეფიციენტები, ასევე მაღალი კაპიტალი და საოპერაციო ხარჯები.
ამ თერმოდინამიკური შეზღუდვის დასაძლევად, პირდაპირი DME სინთეზი მნიშვნელოვნად უფრო ხელსაყრელია: პირდაპირი DME გარდაქმნისას მეთანოლის სინთეზის საფეხურს ერწყმის დეჰიდრატაციის საფეხური ერთ რეაქტორში.
(2CO / CO2 + 6H2 CH3OCH3 + 3H2ო).
ულტრაბგერითი UIP2000hdT (2kW) ნაკადიანი რეაქტორით არის საყოველთაოდ გამოყენებული კონფიგურაცია მეზოპოროვანი ნანოკატალიზატორების (მაგ. მორთული ცეოლითების) სონოქიმიური სინთეზისათვის.
დიმეთილ ეთერის (DME) პირდაპირი სინთეზი სინგაფიდან ბიფუნქციურ კატალიზატორზე.
(© Millán et al. 2020)
უაღრესად რეაქტიული კატალიზატორების სინთეზი DME კონვერტაციისათვის Power-Ultrasound– ის გამოყენებით
დიმეთილ ეთერის გარდაქმნის კატალიზატორების რეაქტიულობა და სელექციურობა შეიძლება მნიშვნელოვნად გაუმჯობესდეს ულტრაბგერითი მკურნალობის საშუალებით. ზეოლიტები, როგორიცაა მჟავა ცეოლიტები (მაგ., ალუმინოზილიკატური ცეოლიტი HZSM-5) და მორთული ცეოლიტები (მაგ. CuO/ZnO/Al2ო3) არის ძირითადი კატალიზატორები, რომლებიც წარმატებით გამოიყენება DME წარმოებისთვის.
CuO-ZnO-Al2O3/HZSM-5 ჰიბრიდული თანა-ნალექი-ულტრაბგერითი სინთეზი, რომელიც გამოიყენება სინთეზის უშუალო კონვერტაციისას დიმეთილ ეთერზე, როგორც მწვანე საწვავი.
შესწავლა და სურათი: ხოშბინი და ჰაგიღი, 2013 წ.]
ცეოლითების ქლორირება და ფტორირება ეფექტური მეთოდებია კატალიზური მჟავიანობის დასარეგულირებლად. ქლორირებული და ფტორირებული ცეოლითის კატალიზატორები მომზადდა ცეოლითების გაჟღენთვით (H-ZSM-5, H-MOR ან HY) ორი ჰალოგენური წინამორბედის გამოყენებით (ამონიუმის ქლორიდი და ამონიუმის ფტორი) აბულ-ფოტუჰის კვლევითი ჯგუფის მიერ. ულტრაბგერითი დასხივების გავლენა შეფასდა დიმეთილეთერის (DME) წარმოებისათვის ჰალოგენური წინამორბედების ოპტიმიზაციისათვის ფიქსირებული საწოლის რეაქტორში მეთანოლის გაუწყლოების გზით. შედარებითი DME კატალიზის კვლევამ ცხადყო, რომ ულტრაბგერითი დასხივების ქვეშ მომზადებული ჰალოგენირებული ცეოლითური კატალიზატორები აჩვენებენ DME ფორმირების უფრო მაღალ მაჩვენებლებს. (აბულ-ფოტუჰ და სხვები, 2016)
სხვა კვლევაში, მკვლევართა ჯგუფმა გამოიკვლია ულტრაბგერითი მუშაობის ყველა მნიშვნელოვანი ცვლადი, რომელიც შეექმნა მეთანოლის დეჰიდრატაციას H-MOR ცეოლითურ კატალიზატორებზე დიმეთილეთერის წარმოების მიზნით. მათი Sonication eperiments, კვლევის ჯგუფმა გამოიყენა Hielscher UP50H ზონდის ტიპის ულტრაბგერითირა სკანირების ელექტრონული მიკროსკოპი (SEM) გამოსახულებით sonicated H-MOR ცეოლიტი (მორდენიტი ცეოლიტი) გაირკვა, რომ მეთანოლი თავისთავად გამოიყენება როგორც ულტრაბგერითი საშუალება იძლევა საუკეთესო შედეგებს ნაწილაკების ზომის ჰომოგენურობასთან შედარებით დაუმუშავებელ კატალიზატორთან შედარებით, სადაც დიდი აგლომერატები და არა -გამოჩნდა ერთგვაროვანი მტევანი. ამ დასკვნებმა დაადასტურა, რომ ულტრაბგერითი მოქმედება ღრმა გავლენას ახდენს უჯრედის ერთეულის გარჩევადობაზე და, შესაბამისად, მეთანოლის დეჰიდრატაციის კატალიზურ ქცევაზე დიმეთილეთერში (DME). NH3-TPD აჩვენებს, რომ ულტრაბგერითი გამოსხივება აძლიერებს H-MOR კატალიზატორის მჟავიანობას და, შესაბამისად, ეს არის კატალიზური მოქმედება DME ფორმირებისათვის. (აბულ-გეით და სხვები, 2014)
ულტრაბგერითი H-MOR- ის SEM სხვადასხვა მედიის გამოყენებით
შესწავლა და სურათები: © Aboul-Gheit et al., 2014
თითქმის ყველა კომერციული DME წარმოიქმნება მეთანოლის გაუწყლოებით სხვადასხვა მყარი მჟავა კატალიზატორების გამოყენებით, როგორიცაა ცეოლიტები, სილიკა – ალუმინა, ალუმინა, ალ2ო3- ბ2ო3და ა.შ. შემდეგი რეაქციით:
2CH3ოჰ <—> CH3OCH3 +H2O (-22.6 კმ jmol)-1)
კოშბინმა და ჰაგიღიმ (2013) მოამზადეს CuO – ZnO – ალ2ო3/HZSM-5 ნანოკატალიზატორები კომბინირებული თანა-ნალექი-ულტრაბგერითი მეთოდის გამოყენებით. მკვლევართა ჯგუფმა დაადგინა ”რომ ულტრაბგერითი ენერგიის გამოყენებამ დიდი გავლენა მოახდინა CO ჰიდროგენაციის ფუნქციის გაფანტვაზე და შესაბამისად DME სინთეზის მუშაობაზე. ულტრაბგერითი სინთეზირებული ნანოკატალიზატორის გამძლეობა გამოიკვლია DME რეაქციის სინგასის დროს. ნანოკატალიზატორი კარგავს უმნიშვნელო აქტივობას რეაქციის დროს სპილენძის სახეობებზე კოქსის წარმოქმნის გამო. ” [ხოშბინი და ჰაგიღი, 2013 წ.]
ალტერნატიული არა-ცეოლითური ნანო-კატალიზატორი, რომელიც ასევე ძალიან ეფექტურია DME- ის გარდაქმნის ხელშეწყობაში, არის ნანო ზომის ფოროვანი γ-ალუმინის კატალიზატორი. ნანო ზომის ფოროვანი γ-ალუმინა წარმატებით იქნა სინთეზირებული ნალექებით ულტრაბგერითი შერევით. სონოქიმიური მკურნალობა ხელს უწყობს ნანო ნაწილაკების სინთეზს. (შდრ. რაჰმანპური და სხვები, 2012)
რატომ არის ულტრაბგერითი მომზადებული ნანო-კატალიზატორები უმაღლესი?
ჰეტეროგენული კატალიზატორების წარმოებისთვის ხშირად საჭიროა მაღალი ღირებულების მასალები, როგორიცაა ძვირფასი ლითონები. ეს აძვირებს კატალიზატორებს და, შესაბამისად, ეფექტურობის გაზრდა და კატალიზატორების სიცოცხლის ციკლის გახანგრძლივება მნიშვნელოვანი ეკონომიკური ფაქტორია. ნანოკატალიზატორების მომზადების მეთოდებს შორის, სონოქიმიური ტექნიკა განიხილება, როგორც უაღრესად ეფექტური მეთოდი. ულტრაბგერითი უნარი შექმნას უაღრესად რეაქტიული ზედაპირები, გააუმჯობესოს შერევა და გაზარდოს მასობრივი ტრანსპორტი, რაც მას განსაკუთრებით პერსპექტიულ ტექნიკად აქცევს კატალიზატორის მომზადებისა და გააქტიურების მიზნით. მას შეუძლია აწარმოოს ერთგვაროვანი და გაფანტული ნანონაწილაკები ძვირადღირებული ინსტრუმენტებისა და ექსტრემალური პირობების საჭიროების გარეშე.
რამდენიმე კვლევისას, მეცნიერები მივიდნენ დასკვნამდე, რომ ულტრაბგერითი კატალიზატორის მომზადება არის ყველაზე მომგებიანი მეთოდი ჰომოგენური ნანო-კატალიზატორების წარმოებისთვის. ნანოკატალიზატორების მომზადების მეთოდებს შორის, სონოქიმიური ტექნიკა განიხილება, როგორც უაღრესად ეფექტური მეთოდი. ინტენსიური ხმის უნარი შექმნას უაღრესად რეაქტიული ზედაპირები, გააუმჯობესოს შერევა და გაზარდოს მასობრივი ტრანსპორტი, რაც მას განსაკუთრებით პერსპექტიულ ტექნიკად აქცევს კატალიზატორის მომზადებისა და გააქტიურების მიზნით. მას შეუძლია აწარმოოს ერთგვაროვანი და გაფანტული ნანონაწილაკები ძვირადღირებული ინსტრუმენტებისა და ექსტრემალური პირობების საჭიროების გარეშე. (შდრ. კოშბინი და ჰაგიღი, 2014)
სონოქიმიური სინთეზის შედეგად წარმოიქმნება უაღრესად აქტიური ნანო სტრუქტურირებული CuO – ZnO – Al2O3/HZSM-5 კატალიზატორი.
შესწავლა და სურათი: ხოშბინი და ჰაგიღი, 2013 წ.
აკუსტიკური კავიტაციის ეფექტების სქემატური წარმოდგენა ლითონის ნაწილაკების მოდიფიკაციაზე. ლითონები დაბალი დნობის წერტილით (MP) თუთიის (Zn) მთლიანად დაჟანგულია; ლითონები მაღალი დნობის წერტილით, როგორიცაა ნიკელი (Ni) და ტიტანი (Ti) აჩვენებენ ზედაპირის მოდიფიკაციას სონიკაციის დროს. ალუმინი (Al) და მაგნიუმი (Mg) ქმნიან მეზოპოროზულ სტრუქტურებს. ნობელის ლითონები მდგრადია ულტრაბგერითი დასხივების გამო ჟანგვის წინააღმდეგ მათი სტაბილურობის გამო. ლითონების დნობის წერტილები განსაზღვრულია კელვინის გრადუსით (K).
მაღალი ხარისხის ულტრაბგერითი საშუალებები მეზოფორული კატალიზატორების სინთეზისთვის
მაღალი ხარისხის ნანო-კატალიზატორების სინთეზის სონოქიმიური აღჭურვილობა ხელმისაწვდომია ნებისმიერი ზომის – კომპაქტური ლაბორატორიული ულტრაბგერითიდან სრულად ინდუსტრიული ულტრაბგერითი რეაქტორებით დამთავრებული. Hielscher Ultrasonics შეიმუშავებს, აწარმოებს და ავრცელებს მაღალი სიმძლავრის ულტრაბგერითი მოწყობილობებს. ყველა ულტრაბგერითი სისტემა დამზადებულია სათაო ოფისში ტელტოვში, გერმანია და განაწილებულია იქიდან მთელს მსოფლიოში.
Hielscher ულტრაბგერითი მოწყობილობების დახვეწილი აპარატურა და ჭკვიანი პროგრამული უზრუნველყოფა შექმნილია იმისთვის, რომ უზრუნველყოს საიმედო ოპერაცია, რეპროდუქციადი შედეგები და მომხმარებლის კეთილგანწყობა. Hielscher ულტრაბგერითი საშუალებები ძლიერი და საიმედოა, რაც საშუალებას გაძლევთ დაამონტაჟოთ და იმუშაოთ მძიმე მოვლის პირობებში. საოპერაციო პარამეტრებზე წვდომა და აკრეფა შესაძლებელია ინტუიციური მენიუს საშუალებით, რომლის წვდომა შესაძლებელია ციფრული ფერადი სენსორული ეკრანისა და ბრაუზერის დისტანციური მართვის საშუალებით. ამრიგად, დამუშავების ყველა პირობა, როგორიცაა წმინდა ენერგია, მთლიანი ენერგია, ამპლიტუდა, დრო, წნევა და ტემპერატურა ავტომატურად ჩაწერილია ჩაშენებულ SD ბარათზე. ეს გაძლევთ საშუალებას გადახედოთ და შეადაროთ წინა სონიზაციის სამუშაოები და გააუმჯობესოთ ნანო-კატალიზატორების სინთეზი და ფუნქციონირება უმაღლესი ეფექტურობით.
Hielscher ულტრაბგერითი სისტემები მთელ მსოფლიოში გამოიყენება სონოქიმიური სინთეზის პროცესებისათვის და დადასტურებულია, რომ საიმედოა მაღალი ხარისხის ცეოლითის ნანო-კატალიზატორის და ცეოლითური წარმოებულების სინთეზისათვის. Hielscher სამრეწველო ულტრაბგერითი აპარატები ადვილად აწარმოებენ მაღალ ამპლიტუდებს უწყვეტი მუშაობისას (24/7/365). 200μm– მდე ამპლიტუდები ადვილად შეიძლება განუწყვეტლივ წარმოიქმნას სტანდარტული სონოტროდების გამოყენებით (ულტრაბგერითი ზონდები / რქები). კიდევ უფრო მაღალი ამპლიტუდისთვის, შესაძლებელია მორგებული ულტრაბგერითი სონოტროდები. მათი გამძლეობისა და დაბალი მოვლის გამო, ჩვენი ულტრაბგერითი მოწყობილობები ჩვეულებრივ დამონტაჟებულია მძიმე სამუშაოებისთვის და რთულ გარემოში.
Hielscher ულტრაბგერითი პროცესორები სონოქიმიური სინთეზის, ფუნქციონირების, ნანოსტრუქტურირებისა და დეაგლომერაციისთვის უკვე დამონტაჟებულია მსოფლიოში კომერციულ მასშტაბზე. დაგვიკავშირდით ახლა თქვენი ნანო-კატალიზატორის წარმოების პროცესის განსახილველად! ჩვენი კარგად გამოცდილი პერსონალი სიამოვნებით გაუზიარებს მეტ ინფორმაციას სონოქიმიური სინთეზის გზაზე, ულტრაბგერითი სისტემებსა და ფასებზე!
ულტრაბგერითი სინთეზის მეთოდის უპირატესობით, თქვენი მეზოპოროვანი ნანო-კატალიზატორის წარმოება გამოირჩევა ეფექტურობით, სიმარტივით და დაბალი ღირებულებით, კატალიზატორების სინთეზის სხვა პროცესებთან შედარებით!
ქვემოთ მოყვანილი ცხრილი გაძლევთ ჩვენს ულტრასონისტების სავარაუდო დამუშავების შესაძლებლობებს:
| Batch მოცულობა | დინების სიჩქარე | რეკომენდირებული მოწყობილობები |
|---|---|---|
| 1-დან 500 მლ-მდე | 10 დან 200 მლ / წთ | UP100H |
| 10 დან 2000 მლ | 20 დან 400 მლ / წთ | Uf200 ः t, UP400St |
| 01-დან 20 ლ-მდე | 02-დან 4 ლ / წთ | UIP2000hdT |
| 10-დან 100 ლ | 2-დან 10 ლ / წთ | UIP4000hdT |
| na | 10-დან 100 ლ / წთ | UIP16000 |
| na | უფრო დიდი | კასეტური UIP16000 |
დაგვიკავშირდით! / გვკითხე ჩვენ!
დოქტორი ანდრეევა-ბუმლერი, ბაიროითის უნივერსიტეტი, მუშაობს ულტრაბგერითი UIP1000hdT ლითონების ნანო სტრუქტურირებაზე უმაღლესი კატალიზატორების მოპოვების მიზნით.
Hielscher Ultrasonics აწარმოებს მაღალი ხარისხის ულტრაბგერით ჰომოგენიზატორებს ლაბორატორიული, საპილოტე და სამრეწველო მასშტაბის პროგრამების, დისპერსიის, ემულგირებისა და მოპოვების შერევისთვის.
ლიტერატურა / ცნობები
- Ahmed, K.; Sameh, M.; Laila, I.; Naghmash, Mona (2014): Ultrasonication of H-MOR zeolite catalysts for dimethylether (DME) production as a clean fuel. Journal of Petroleum Technology and Alternative Fuels 5, 2014. 13-25.
- Reza Khoshbin, Mohammad Haghighi (2013): Direct syngas to DME as a clean fuel: The beneficial use of ultrasound for the preparation of CuO–ZnO–Al2O3/HZSM-5 nanocatalyst. Chemical Engineering Research and Design, Volume 91, Issue 6, 2013. 1111-1122.
- Kolesnikova, E.E., Obukhova, T.K., Kolesnichenko, N.V. et al. (2018): Ultrasound-Assisted Modification of Zeolite Catalyst for Dimethyl Ether Conversion to Olefins with Magnesium Compounds. Pet. Chem. 58, 2018. 863–868.
- Reza Khoshbin, Mohammad Haghighi (2014): Direct Conversion of Syngas to Dimethyl Ether as a Green Fuel over Ultrasound- Assisted Synthesized CuO-ZnO-Al2O3/HZSM-5 Nanocatalyst: Effect of Active Phase Ratio on Physicochemical and Catalytic Properties at Different Process Conditions. Catalysis Science & Technology, Volume 6, 2014.
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2014/cy/c3cy01089a - Sameh M.K. Aboul-Fotouh, Laila I. Ali, Mona A. Naghmash, Noha A.K. Aboul-Gheit (2017): Effect of the Si/Al ratio of HZSM-5 zeolite on the production of dimethyl ether before and after ultrasonication. Journal of Fuel Chemistry and Technology, Volume 45, Issue 5, 2017. 581-588.
- Rahmanpour, Omid; Shariati, Ahmad; Khosravi-Nikou, Mohammad Reza (2012): New Method for Synthesis Nano Size γ-Al2O3 Catalyst for Dehydration of Methanol to Dimethyl Ether. International Journal of Chemical Engineering and Applications 2012. 125-128.
- Millán, Elena; Mota, Noelia; Guil-Lopez, R.; Pawelec, Barbara; Fierro, José; Navarro, Rufino (2020): Direct Synthesis of Dimethyl Ether from Syngas on Bifunctional Hybrid Catalysts Based on Supported H3PW12O40 and Cu-ZnO(Al): Effect of Heteropolyacid Loading on Hybrid Structure and Catalytic Activity. Catalysts 10, 2020.
- Suslick, Kenneth S.; Hyeon, Taeghwan; Fang, Mingming; Cichowlas, Andrzej A. (1995): Sonochemical synthesis of nanostructured catalysts. Materials Science and Engineering: A. Proceedings of the Symposium on Engineering of Nanostructured Materials. ScienceDirect 204 (1–2): 186–192.
- Pavel V. Cherepanov, Daria V. Andreeva (2017): Phase structuring in metal alloys: Ultrasound-assisted top-down approach to engineering of nanostructured catalytic materials. Ultrasonics Sonochemistry 2017.
- Sameh M.K. Aboul-Fotouh, Noha A.K. Aboul-Gheit, Mona A. Naghmash (2016): Dimethylether production on zeolite catalysts activated by Cl−, F− and/or ultrasonication. Journal of Fuel Chemistry and Technology, Volume 44, Issue 4, 2016. 428-436.
ფაქტები Worth Knowing
დიმეთილ ეთერი (DME) როგორც საწვავი
დიმეთილ ეთერის ერთ – ერთი ძირითადი გამოყენება არის მისი გამოყენება პროპანის შემცვლელად LPG– ში (თხევადი პროპანის გაზი), რომელიც გამოიყენება როგორც საწვავი მანქანებისთვის, საყოფაცხოვრებო და სამრეწველო ინდუსტრიაში. პროპანის ავტოგაზში, დიმეთილ ეთერი ასევე შეიძლება გამოყენებულ იქნას როგორც ნაზავი.
გარდა ამისა, DME ასევე პერსპექტიული საწვავია დიზელის ძრავებისთვის და გაზის ტურბინებისთვის. დიზელის ძრავებისთვის, მაღალი ცეტანის რაოდენობა 55, ნავთობიდან დიზელის საწვავის რაოდენობასთან შედარებით, 40–53 ცეტანის რიცხვით, მეტად მომგებიანია. მხოლოდ ზომიერი ცვლილებებია საჭირო იმისათვის, რომ დიზელის ძრავამ შეძლოს დიმეთილ ეთერის დაწვა. ამ მოკლე ნახშირბადის ჯაჭვის ნაერთის სიმარტივე წვის დროს იწვევს ნაწილაკების ძალიან დაბალ ემისიებს. ამ მიზეზების გამო, ისევე როგორც გოგირდის გარეშე, დიმეთილ ეთერი აკმაყოფილებს ემისიის ყველაზე მკაცრ რეგულაციებს ევროპაში (EURO5), აშშ-ში (აშშ 2010 წ.) და იაპონიაში (2009 წ. იაპონია).
Hielscher Ultrasonics აწარმოებს მაღალი ხარისხის ულტრაბგერითი ჰომოგენიზატორებისგან ლაბორატორია to სამრეწველო ზომა.