კატალიზატორების ულტრაბგერითი მომზადება დიმეთილის ეთერის (DME) გარდაქმნისთვის
ბიფუნქციური კატალიზატორები DME-ის პირდაპირი გარდაქმნისთვის
დიმეთილის ეთერის (DME) წარმოება არის კარგად დამკვიდრებული სამრეწველო პროცესი, რომელიც იყოფა ორ ეტაპად: პირველი ეტაპია სინგაზის კატალიზური ჰიდროგენირება მეთანოლად (CO / CO2 + 3H2 → CH3OH + H2HO) და მეორეც, მეთანოლის შემდგომი კატალიზური დეჰიდრატაცია მჟავე კატალიზატორებზე (2CH3OH → CH3OCH3 + H2O). ამ ორეტაპიანი DME-ის სინთეზის მთავარი შეზღუდვა დაკავშირებულია მეთანოლის სინთეზის ეტაპზე თერმოდინამიკის დაბალ მაჩვენებლებთან, რაც იწვევს გაზის დაბალ გარდაქმნას ერთ გასვლაზე (15-25%). ამის გამო, ხდება მაღალი რეცირკულაციის კოეფიციენტების, ასევე მაღალი საინვესტიციო და საექსპლუატაციო ხარჯების წარმოქმნა.
იმისათვის, რომ გადალახონ ეს თერმოდინამიკური შეზღუდვა, DME-ის პირდაპირი სინთეზი მნიშვნელოვნად უფრო ხელსაყრელია: DME-ის პირდაპირ გარდაქმნაში, მეთანოლის სინთეზის ეტაპი შეერთებულია დეჰიდრატაციის ეტაპთან ერთ რეაქტორში
(2CO / CO2 + 6H2 → CH3OCH3 + 3H2O).
ულტრაბგერითი აპარატი UIP2000hdT (2kW) ნაკადის გამშვები რეაქტორით არის ხშირად გამოყენებადი სქემა მეზოპოროვანი ნანოკატალიზატორების (მაგ. მოდიფიცირებული ზეოლითები) სონოქიმიური სინთეზისთვის.
დიმეთილის ეთერის (DME) პირდაპირი სინთეზი სინგაზიდან ბიფუნქციურ კატალიზატორზე.
(© Millán et al. 2020)
მაღალრეაქციული კატალიზატორების სინთეზი DME-ის გარდაქმნისთვის მაღალი სიმძლავრის ულტრაბგერის გამოყენებით
დიმეთილის ეთერის გარდაქმნის კატალიზატორების რეაქციული უნარი და სელექციურობა მნიშვნელოვნად შეიძლება გაუმჯობესდეს ულტრაბგერითი დამუშავებით. ზეოლითები, როგორიცაა მჟავე ზეოლითები (მაგ., ალუმინსილიკატური ზეოლითი HZSM-5) და მოდიფიცირებული ზეოლითები (მაგ., CuO/ZnO/Al2O3) არის მთავარი კატალიზატორები, რომლებიც წარმატებით გამოიყენება DME-ის წარმოებისთვის.
CuO-ZnO-Al2O3/HZSM-5-ის სინთეზი თანადალექვისა და ულტრაბგერითი დამუშავების ჰიბრიდული მეთოდით სინგაზის უშუალოდ დიმეთილის ეთერად, ეკოლოგიურად სუფთა საწვავად, გარდაქმნისთვის.
კვლევა და სურათი: Khoshbin and Haghighi, 2013.
ცეოლითების ქლორირება და ფლუორირება კატალიზური მჟავიანობის რეგულირების ეფექტური მეთოდებია. ქლორირებული და ფლუორირებული ცეოლითის კატალიზატორები მომზადდა ცეოლითების (H-ZSM-5, H-MOR ან H-Y) იმპრეგნაციით ორი ჰალოგენური წინამორბედის (ამონიუმის ქლორიდი და ამონიუმის ფლუორიდი) გამოყენებით, აბულ-ფოთუჰის სამეცნიერო ჯგუფის კვლევაში. ულტრაბგერითი გამოსხივების გავლენა შეფასდა ორივე ჰალოგენური წინამორბედის ოპტიმიზაციისთვის, დიმეთილის ეთერის (DME) წარმოებისთვის მეთანოლის დეჰიდრატაციის გზით ფიქსირებული ფენის რეაქტორში. შედარებითმა DME კატალიზის ცდამ აჩვენა, რომ ულტრაბგერითი გამოსხივების პირობებში მომზადებული ჰალოგენირებული ცეოლითის კატალიზატორები უფრო მაღალ ეფექტურობას ავლენენ DME-ს წარმოქმნისთვის. (Aboul-Fotouh et al., 2016)
სხვა კვლევაში, სამეცნიერო ჯგუფმა შეისწავლა ყველა მნიშვნელოვანი ულტრაბგერითი დამუშავების პარამეტრი, რომლებიც შეხვდათ მეთანოლის დეჰიდრატაციის განხორციელებისას H-MOR ცეოლითის კატალიზატორებზე დიმეთილის ეთერის წარმოებისთვის. მათი ულტრაბგერითი ექსპერიმენტებისთვის, სამეცნიერო ჯგუფმა გამოიყენა Hielscher UP50H ზონდური ტიპის ულტრაბგერითი აპარატი. ულტრაბგერითად დამუშავებული H-MOR ცეოლითის (მორდენიტის ცეოლითი) სკანირების ელექტრონული მიკროსკოპიით (SEM) გამოსახულებამ აჩვენა, რომ მეთანოლი, როგორც ულტრაბგერითი დამუშავების გარემო, იძლევა საუკეთესო შედეგებს ნაწილაკების ზომების ერთგვაროვნების თვალსაზრისით, დაუმუშავებელ კატალიზატორთან შედარებით, სადაც დიდი აგლომერატები და არაერთგვაროვანი კლასტერები ჩანდა. ეს მონაცემები ადასტურებს, რომ ულტრაბგერითი დამუშავება ღრმა გავლენას ახდენს ერთეულოვანი მესრის სტრუქტურაზე და შესაბამისად, მეთანოლის დეჰიდრატაციის კატალიზურ ქცევაზე დიმეთილის ეთერად (DME). NH3-TPD აჩვენებს, რომ ულტრაბგერითმა გამოსხივებამ გაზარდა H-MOR კატალიზატორის მჟავიანობა და შესაბამისად, მისი კატალიზური ეფექტურობა DME-ს წარმოქმნისთვის. (Aboul-Gheit et al., 2014)
ულტრაბგერითად დამუშავებული H-MOR-ის SEM სხვადასხვა გარემოში
კვლევა და სურათები: ©Aboul-Gheit et al., 2014
თითქმის ყველა კომერციული DME წარმოიქმნება მეთანოლის დეჰიდრატაციით სხვადასხვა მყარი მჟავა კატალიზატორების გამოყენებით, როგორიცაა ცეოლითები, სილიცა–ალუმინა, ალუმინა, Al2O3–B2O3, და ა.შ., შემდეგი რეაქციის მიხედვით:
2CH3OH <—> CH3OCH3 +H2O(-22,6k jmol-1)
Koshbin and Haghighi (2013) მოამზადეს CuO–ZnO–Al2O3/HZSM-5 ნანოკატალიზატორები კომბინირებული თანანალექით მიღების–ულტრაბგერითი მეთოდით. სამეცნიერო ჯგუფმა აღმოაჩინა, რომ „ულტრაბგერითი ენერგიის გამოყენებას დიდი გავლენა აქვს CO-ს ჰიდროგენირების ფუნქციის დისპერსიაზე და შესაბამისად, DME-ს სინთეზის ეფექტურობაზე. ულტრაბგერითი დახმარებით სინთეზირებული ნანოკატალიზატორის გამძლეობა შეისწავლეს სინგაზიდან DME-ს რეაქციის დროს. ნანოკატალიზატორი რეაქციის მსვლელობისას უმნიშვნელო აქტივობას კარგავს სპილენძის ნაწილაკებზე კოქსის წარმოქმნის გამო.“ [Khoshbin and Haghighi, 2013.]
ალტერნატიული არაზეოლითური ნანოკატალიზატორი, რომელიც ასევე ძალიან ეფექტურია DME-ს კონვერსიის ხელშეწყობისთვის, არის ნანოზომიერი ფოროვანი γ-ალუმინის ოქსიდის კატალიზატორი. ნანოზომიერი ფოროვანი γ-ალუმინის ოქსიდი წარმატებით სინთეზირდა ულტრაბგერითი შერევის პირობებში დალექვით. სონოქიმიური დამუშავება ხელს უწყობს ნანონაწილაკების სინთეზს. (იხ. Rahmanpour et al., 2012)
რატომ არის ულტრაბგერითად მომზადებული ნანოკატალიზატორები უპირატესი?
ჰეტეროგენული კატალიზატორების წარმოებისთვის ხშირად საჭიროა მაღალი დამატებული ღირებულების მქონე მასალები, როგორიცაა ძვირფასი ლითონები. ეს კატალიზატორებს ძვირადღირებულს ხდის და, შესაბამისად, ეფექტურობის გაზრდა და კატალიზატორების სიცოცხლის ციკლის გახანგრძლივება მნიშვნელოვანი ეკონომიკური ფაქტორებია. ნანოკატალიზატორების მომზადების მეთოდებს შორის, სონოქიმიური ტექნიკა მაღალეფექტურ მეთოდად მიიჩნევა. ულტრაბგერის უნარი, შექმნას მაღალრეაქციული ზედაპირები, გააუმჯობესოს შერევა და გაზარდოს მასის ტრანსპორტირება, მას განსაკუთრებით პერსპექტიულ ტექნიკად აქცევს კატალიზატორების მომზადებისა და აქტივაციისთვის. მას შეუძლია შექმნას ჰომოგენური და დისპერსირებული ნანონაწილაკები ძვირადღირებული ინსტრუმენტებისა და ექსტრემალური პირობების საჭიროების გარეშე.
რამდენიმე სამეცნიერო კვლევაში მეცნიერები მიდიან დასკვნამდე, რომ კატალიზატორების ულტრაბგერითი მომზადება ყველაზე ხელსაყრელი მეთოდია ჰომოგენური ნანოკატალიზატორების წარმოებისთვის. ნანოკატალიზატორების მომზადების მეთოდებს შორის, სონოქიმიური ტექნიკა მაღალეფექტურ მეთოდად მიიჩნევა. ინტენსიური ულტრაბგერითი დამუშავების უნარი, შექმნას მაღალრეაქციული ზედაპირები, გააუმჯობესოს შერევა და გაზარდოს მასის ტრანსპორტირება, მას განსაკუთრებით პერსპექტიულ ტექნიკად აქცევს კატალიზატორების მომზადებისა და აქტივაციისთვის. მას შეუძლია შექმნას ჰომოგენური და დისპერსირებული ნანონაწილაკები ძვირადღირებული ინსტრუმენტებისა და ექსტრემალური პირობების საჭიროების გარეშე. (იხ. Koshbin and Haghighi, 2014)
სონოქიმიური სინთეზის შედეგად მიიღება მაღალაქტიური ნანოსტრუქტურირებული CuO–ZnO–Al2O3/HZSM-5 კატალიზატორი.
კვლევა და სურათი: Khoshbin and Haghighi, 2013.
აკუსტიკური კავიტაციის გავლენის სქემატური წარმოდგენა ლითონის ნაწილაკების მოდიფიკაციაზე. დაბალი დნობის ტემპერატურის (MP) მქონე ლითონები, როგორიცაა თუთია (Zn), სრულად იჟანგება; მაღალი დნობის ტემპერატურის მქონე ლითონები, როგორიცაა ნიკელი (Ni) და ტიტანი (Ti), ულტრაბგერითი დამუშავებისას ავლენენ ზედაპირის მოდიფიკაციას. ალუმინი (Al) და მაგნიუმი (Mg) ქმნიან მეზოპოროვან სტრუქტურებს. კეთილშობილი ლითონები ულტრაბგერითი გამოსხივების მიმართ მდგრადია, რადგან ჟანგვის მიმართ სტაბილურია. ლითონების დნობის ტემპერატურები მითითებულია კელვინის გრადუსებში (K).
მაღალეფექტური ულტრაბგერითი ჰომოგენიზატორები მეზოპოროვანი კატალიზატორების სინთეზისთვის
სონოქიმიური აღჭურვილობა მაღალეფექტური ნანოკატალიზატორების სინთეზისთვის ხელმისაწვდომია ნებისმიერი ზომის – კომპაქტური ლაბორატორიული ულტრაბგერითი ჰომოგენიზატორებიდან სრულად სამრეწველო ულტრაბგერით რეაქტორებამდე. Hielscher Ultrasonics ახდენს მაღალი სიმძლავრის ულტრაბგერითი ჰომოგენიზატორების დიზაინს, წარმოებას და გავრცელებას. ყველა ულტრაბგერითი სისტემა მზადდება შტაბ-ბინაში, ქალაქ ტელტოვში, გერმანია, და გავრცელებულია მთელ მსოფლიოში.
Hielscher-ის ულტრაბგერითი აპარატების დახვეწილი აპარატურა და სმარტ პროგრამული უზრუნველყოფა შექმნილია საიმედო ექსპლუატაციის, გამეორებადი შედეგებისა და მოხმარების სიმარტივის უზრუნველსაყოფად. Hielscher-ის ულტრაბგერითი აპარატები მტკიცე და საიმედოა, რაც საშუალებას იძლევა ისინი მძიმე სამუშაო პირობებში დაინსტალირდეს და ექსპლუატაციაში იყოს. საექსპლუატაციო პარამეტრებზე წვდომა და მათი რეგულირება მარტივია ინტუიციური მენიუს მეშვეობით, რომელზეც წვდომა შესაძლებელია ციფრული ფერადი სენსორული ეკრანისა და ბრაუზერით დისტანციური მართვის საშუალებით. შესაბამისად, დამუშავების ყველა პარამეტრი, როგორიცაა წმინდა ენერგია, ჯამური ენერგია, ამპლიტუდა, დრო, წნევა და ტემპერატურა, ავტომატურად იწერება ჩაშენებულ SD-ბარათზე. ეს საშუალებას გაძლევთ გადახედოთ და შეადაროთ წინა ულტრაბგერითი დამუშავების ციკლები და ოპტიმიზაცია გაუკეთოთ ნანო-კატალიზატორების სინთეზსა და ფუნქციონალიზაციას უმაღლესი ეფექტურობისთვის.
Hielscher Ultrasonics-ის სისტემები მსოფლიო მასშტაბით გამოიყენება სონოქიმიური სინთეზის პროცესებში და დამტკიცებულია, რომ ისინი საიმედოა მაღალი ხარისხის ზეოლიტური ნანო-კატალიზატორების, ასევე ზეოლიტის წარმოებულების სინთეზისთვის. Hielscher-ის სამრეწველო ულტრაბგერითი აპარატები მარტივად მუშაობენ მაღალ ამპლიტუდებზე უწყვეტი ექსპლუატაციის პირობებში (24/7/365). 200µm-მდე ამპლიტუდები მარტივად შეიძლება უწყვეტად გენერირდეს სტანდარტული სონოტროდებით (ულტრაბგერითი ზონდები / რქები). კიდევ უფრო მაღალი ამპლიტუდებისთვის ხელმისაწვდომია ინდივიდუალურად დამზადებული ულტრაბგერითი სონოტროდები. მათი მტკიცე კონსტრუქციისა და დაბალი მომსახურების მოთხოვნების გამო, ჩვენი ულტრაბგერითი აპარატები ხშირად ინსტალირდება მძიმე სამუშაო პირობებისა და მოთხოვნადი გარემოსთვის.
Hielscher-ის ულტრაბგერითი პროცესორები სონოქიმიური სინთეზისთვის, ფუნქციონალიზაციისთვის, ნანო-სტრუქტურირებისა და დეაგლომერაციისთვის უკვე ინსტალირებულია მსოფლიო მასშტაბით კომერციული დონის პროცესებში. დაგვიკავშირდით ახლავე, რათა განვიხილოთ თქვენი ნანო-კატალიზატორების წარმოების პროცესი! ჩვენი გამოცდილი პერსონალი სიამოვნებით გაგიზიარებთ მეტ ინფორმაციას სონოქიმიური სინთეზის გზაზე, ულტრაბგერით სისტემებზე და ფასებზე!
ულტრაბგერითი სინთეზის მეთოდის უპირატესობის გამო, თქვენი მეზოპოროვანი ნანო-კატალიზატორების წარმოება გამოირჩევა ეფექტურობით, სიმარტივითა და დაბალი ღირებულებით სხვა კატალიზატორების სინთეზის პროცესებთან შედარებით!
ქვემოთ მოცემული ცხრილი გაძლევთ წარმოდგენას ჩვენი ულტრაბგერითი აპარატების დამუშავების მიახლოებითი წარმადობის შესახებ:
| პარტიის მოცულობა | მოცულობითი ხარჯი | რეკომენდებული მოწყობილობები |
|---|---|---|
| 1-დან 500mL-მდე | 10-დან 200mL/min-მდე | UP100H |
| 10-დან 2000mL-მდე | 20-დან 400mL/min-მდე | UP200Ht, UP400St |
| 0,1-დან 20L-მდე | 0,2-დან 4L/min-მდე | UIP2000hdT |
| 10-დან 100L-მდე | 2-დან 10L/min-მდე | UIP4000hdT |
| n.a. | 10-დან 100L/min-მდე | UIP16000 |
| n.a. | მეტი | კლასტერი UIP16000 |
დაგვიკავშირდით! / დაგვისვით შეკითხვა!
დოქტორი ანდრეევა-ბაუმლერი, ბაიროიტის უნივერსიტეტი, მუშაობს ულტრაბგერითი აპარატ UIP1000hdT-ის მეშვეობით ლითონების ნანო-სტრუქტურირებაზე, რათა მიიღოს უპირატესი კატალიზატორები.
Hielscher Ultrasonics აწარმოებს მაღალი წარმადობის ულტრაბგერით ჰომოგენიზატორებს შერევის, დისპერგირების, ემულსიფიკაციისა და ექსტრაქციისთვის ლაბორატორიულ, საპილოტო და სამრეწველო მასშტაბებზე.
ლიტერატურა / გამოყენებული წყაროები
- 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, რომელთა ცოდნაც ღირს
დიმეთილის ეთერი (DME) როგორც საწვავი
დიმეთილის ეთერის გამოყენების ერთ-ერთი მთავარი პერსპექტიული მიმართულებაა პროპანის ჩანაცვლება LPG-ში (გათხევადებული პროპანის აირი), რომელიც საწვავად გამოიყენება ავტომობილებში, საყოფაცხოვრებო და სამრეწველო სექტორში. პროპანის ავტოსაწვავში დიმეთილის ეთერი ასევე შეიძლება გამოყენებულ იქნას როგორც ნარევის კომპონენტი.
გარდა ამისა, DME ასევე პერსპექტიული საწვავია დიზელის ძრავებისა და გაზის ტურბინებისთვის. დიზელის ძრავებისთვის უაღრესად ხელსაყრელია მისი მაღალი ცეტანური რიცხვი 55, ნავთობიდან მიღებული დიზელის საწვავის ცეტანურ რიცხვებთან 40–53 შედარებით. მხოლოდ ზომიერი მოდიფიკაციებია საჭირო იმისთვის, რომ დიზელის ძრავას შეეძლოს დიმეთილის ეთერის დაწვა. ამ მოკლე ნახშირბადოვანი ჯაჭვის მქონე ნაერთის მარტივი აგებულება წვის დროს ნაწილაკების ძალიან დაბალ ემისიებს განაპირობებს. ამ მიზეზების გამო, ასევე გოგირდის არქონის გამო, დიმეთილის ეთერი ევროპაში (EURO5), აშშ-ში (U.S. 2010) და იაპონიაში (2009 Japan) მოქმედ ყველაზე მკაცრ ემისიის ნორმებსაც კი აკმაყოფილებს.
Hielscher Ultrasonics აწარმოებს მაღალი წარმადობის ულტრაბგერით ჰომოგენიზატორებს ლაბორატორიული დან სამრეწველო მასშტაბამდე.