디메틸 에테르 (DME) 변환을위한 촉매의 초음파 준비
직접 DME 변환을 위한 양기능 촉매
디메틸 에테르(DME)의 생산은 두 단계로 나뉘어진 잘 확립된 산업 공정입니다: 첫째, 심가스의 촉매 수소화를 메탄올로 (CO/CO)로 나눈다2 + 3H2 → CH삼OH + H2HO) 둘째, 산성 촉매를 통해 메탄올의 후속 촉매 탈수(2CH)삼오 → CH삼OCH삼 + H2O). 이러한 2단계 DME 합성의 주요 한계는 메탄올 합성 단계 동안 낮은 열역학과 관련이 있으며, 이는 패스당 낮은 가스 변환(15-25%)을 초래한다. 따라서 높은 재순환 비율뿐만 아니라 높은 자본 및 운영 비용이 발생하고 있습니다.
이러한 열역학적 한계를 극복하기 위해, 직접 DME 합성은 훨씬 더 유리하다: 직접 DME 변환에서, 메탄올 합성 단계는 단일 반응기의 탈수 단계와 결합된다
(2CO/ CO2 + 6H2 → CH삼OCH삼 + 3H2영형).
초음파 검사기 UIP2000hdT (2kW) 유동성 반응기는 중구 나노 촉매 (예 : 장식 된 제올리테스)의 화학적 합성을 위해 일반적으로 사용되는 설정입니다.
양기능 촉매에 시너지 에서 디메틸 에테르 (DME)의 직접 합성.
(© 밀란 외 2020)
전력 초음파를 이용한 DME 변환을 위한 반응성이 높은 촉매의 합성
디메틸 에테르 변환을 위한 촉매의 반응성 및 선택성은 초음파 처리를 통해 현저하게 향상될 수 있다. 산 제올리테(예: 알루미노실리케이트 zeolite HZSM-5) 및 장식된 제올라이트(예: CuO/ZnO/Al 포함)와 같은 제올리테2영형삼)은 DME 생산에 성공적으로 사용되는 주요 촉매입니다.
CuO-ZnO-Al2O3/HZSM-5의 하이브리드 강수-초음파 합성은 녹색 연료로서 디메틸 에테르에 대한 시너지의 직접 수렴-시온에 사용된다.
연구와 사진: 코쉬빈과 하그하이, 2013.]
제올리트의 염소화 및 불소는 촉매 산도를 조정하는 효과적인 방법입니다. 염소화 및 불소 제올라이트 촉매는 아불-포투우의 연구팀에 의해 연구에서 두 개의 할로겐 전구체(염화암모늄 및 암모늄 불소)를 사용하여 제올리테(H-ZSM-5, H-MOR 또는 H-Y)의 함침에 의해 제조되었다. 초음파 조사의 영향은 고정 된 침대 반응기에서 메탄올 탈수를 통해 디메틸레터 (DME)의 생산을위한 두 할로겐 전구체를 최적화하기 위한 평가되었다. 비교 DME 촉매 시험은 초음파 조사하에 제조 된 할로겐화 제올라이트 촉매가 DME 형성에 대한 높은 성능을 나타낸다는 것을 밝혔다. (아불-포토우 외, 2016)
또 다른 연구에서는, 연구 팀은 Dimethylether를 생성하기 위하여 H-MOR 제올라이트 촉매에 메탄올의 탈수를 수행하는 동안 만난 모든 중요한 초음파 변수를 조사했습니다. 그들의 초음파 처리 에페리먼트를 위해, 연구 팀은 Hielscher UP50H 프로브 형 초음파 처리기. 초음파 처리된 H-MOR 제올라이트(Mordenite zeolite)의 스캐닝 전자 현미경(SEM) 이미징은 초음파 배지로 사용되는 메탄올이 처리되지 않은 촉매에 비해 입자 크기의 균질성에 관한 최상의 결과를 제공한다는 것을 명확히 했으며, 여기서 큰 응집체 및 비균질클러스터가 나타났다. 이러한 연구 결과는 초음파가 단위 세포 해상도에 깊은 영향을 미치고 따라서 디메틸 에테르 (DME)에 메탄올의 탈수의 촉매 행동에 깊은 영향을 미친다는 것을 인증했다. NH3-TPD는 초음파 조사가 H-MOR 촉매의 산도를 향상시켰기 때문에 DME 형성을 위한 촉매 성능임을 보여줍니다. (아불-게이트 외, 2014)
다른 매체를 이용한 초음파 H-MOR의 SEM
연구 및 사진: ©아불-게이트 외, 2014
거의 모든 상용 DME는 제올리테, 실리카-알루미나, 알과 같은 다른 고산 촉매를 사용하여 메탄올의 탈수에 의해 생성됩니다.2영형삼–B2영형삼등의 반응을 따르기 때문에:
2ch삼오 <—> CH삼OCH삼 +H2O(-22.6k jmol)-1)
코스빈과 하그하이 (2013) 쿠오-ZnO-Al 준비2영형삼/HZSM-5 나노촉매는 결합된 공동 침전-초음파 방법을 통해. 연구팀은 "초음파 에너지를 사용하는 것은 CO 수소화 기능의 분산에 큰 영향을 미치고 결과적으로 DME 합성 성능에 큰 영향을 미친다는 것을 발견했습니다. DME 반응에 대한 신디사이저 동안 초음파 보조 합성 나노 촉매의 내구성을 조사하였다. 나노 촉매는 구리 종에 대한 콜라 형성으로 인해 반응과정에서 무시할 수 있는 활동을 잃습니다." [코쉬빈과 하하이, 2013.]
DME 변환을 촉진하는 데 매우 효율적인 대체 비 제올라이트 나노 촉매는 나노 크기의 다공성 γ 알루미나 촉매입니다. 나노 크기의 다공성 γ 알루미나가 초음파 혼합 하에서 침전으로 성공적으로 합성되었습니다. sonochemical 처리는 나노 입자 합성을 촉진합니다. (2012년 라만푸어 외)
초음파 로 준비된 나노 촉매가 우수하는 이유는 무엇입니까?
이질촉매의 생산을 위해서는 귀금속과 같은 고부가가치 물질이 종종 요구된다. 이것은 촉매를 비싸게 하고, 따라서, 촉매의 수명 주기 연장뿐만 아니라 효율성 향상은 중요한 경제적 요소입니다. 나노 촉매의 제조 방법 중, sonochemical 기술은 매우 효율적인 방법으로 간주됩니다. 초음파가 반응성이 높은 표면을 만들고 혼합을 개선하고 질량 수송을 증가시키는 능력은 촉매 준비 및 활성화를 탐구하는 데 특히 유망한 기술입니다. 고가의 계측기와 극한의 조건 없이 균질하고 분산된 나노입자를 생성할 수 있습니다.
여러 연구 연구에서 과학자들은 초음파 촉매 제제가 균일 한 나노 촉매의 생산을위한 가장 유리한 방법이라는 결론에 도달합니다. 나노 촉매의 제조 방법 중, sonochemical 기술은 매우 효율적인 방법으로 간주됩니다. 강렬한 초음파 처리기능이 고반응표면을 생성하고, 혼합을 개선하고, 질량 수송을 증가시키는 능력은 촉매 제제 및 활성화를 탐구하는 데 특히 유망한 기술입니다. 고가의 계측기와 극한의 조건 없이 균질하고 분산된 나노입자를 생성할 수 있습니다. (2014년 코스피와 하하이)
sonochemical 합성은 고도로 활성 나노 구조의 CuO-ZnO-Al2O3/HZSM-5 촉매를 초래합니다.
연구 와 사진: 코쉬빈과 하그하이, 2013.
금속 입자의 수정에 음향 캐비테이션의 효과의 회로도 프리젠 테이션. 아연(Zn)이 완전히 산화됨에 따라 융점이 낮은 금속(MP); 니켈(Ni) 및 티타늄(Ti)과 같은 높은 융점이 있는 금속은 초음파 처리 하에서 표면 수정을 나타낸다. 알루미늄(Al)과 마그네슘(Mg)은 중등포구조를 형성한다. 노벨 금속은 산화에 대한 안정성으로 인해 초음파 조사에 내성이 있습니다. 금속의 융점은 켈빈(K)도에 지정됩니다.
중공촉매 합성을 위한 고성능 초음파
고성능 나노 촉매의 합성을위한 Sonochemical 장비는 어떤 크기로도 쉽게 사용할 수 있습니다. – 소형 실험실 초음파에서 완전 산업 초음파 반응기에 이르기까지. Hielscher 초음파는 고출력 초음파를 설계, 제조 및 배포합니다. 모든 초음파 시스템은 독일 텔토우 본사에서 만들어지며 전 세계에서 배포됩니다.
Hielscher 초음파 의 정교한 하드웨어 및 스마트 소프트웨어는 신뢰할 수있는 작동, 재현 가능한 결과뿐만 아니라 사용자 친화성을 보장하도록 설계되었습니다. Hielscher 초음파 장치는 견고하고 신뢰할 수 있어 중부하 상황에서 설치 및 작동할 수 있습니다. 운영 설정은 직관적인 메뉴를 통해 쉽게 액세스하고 전화를 걸 수 있으며, 디지털 컬러 터치 디스플레이 및 브라우저 리모컨을 통해 액세스할 수 있습니다. 따라서 순 에너지, 총 에너지, 진폭, 시간, 압력 및 온도와 같은 모든 처리 조건이 내장 된 SD 카드에 자동으로 기록됩니다. 이를 통해 이전 초음파 처리 실행을 수정및 비교하고 나노 촉매의 합성 및 기능화를 최고 효율로 최적화할 수 있습니다.
Hielscher 초음파 시스템은 초음파 합성 공정에 전 세계적으로 사용되며 고품질 제올라이트 나노 촉매뿐만 아니라 제올라이트 유도체의 합성에 신뢰할 수있는 것으로 입증되었습니다. Hielscher 산업용 초음파 는 연속 작동 (24/7/365)에서 높은 진폭을 쉽게 실행할 수 있습니다. 최대 200μm의 진폭은 표준 sonotrodes (초음파 프로브 / 뿔)로 쉽게 연속하게 생성 될 수 있습니다. 더 높은 진폭을 위해 사용자 정의 초음파 sonotrodes를 사용할 수 있습니다. 견고성과 유지 보수가 낮기 때문에 당사의 초음파 는 일반적으로 중장비 응용 프로그램과 까다로운 환경에 설치됩니다.
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초음파 합성 방법의 장점으로, 중공성 나노 촉매 생산은 다른 촉매 합성 공정에 비해 효율성, 단순성 및 저렴한 비용으로 탁월할 것입니다!
아래 표는 초음파 장비의 대략적인 처리 용량을 보여줍니다.
| 일괄 볼륨 | 유량 | 권장 장치 |
|---|---|---|
| 1 ~ 500mL | 10 ~ 200mL / min | UP100H |
| 10 ~ 2000mL | 20 ~ 400 mL / min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 ~ 20L | 0.2 ~ 4L / min | UIP2000hdT |
| 10 ~ 100L | 2 ~ 10L / min | UIP4000hdT |
| N.A. | 10 ~ 100L / min | UIP16000 |
| N.A. | 더 큰 | 의 클러스터 UIP16000 |
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바이로이트 대학교 안드레바-베울러 박사는 초음파 처리기 UIP1000hdT 우수한 촉매를 얻기 위해 금속의 나노 구조화에.
Hielscher 초음파는 실험실, 파일럿 및 산업 규모의 응용 프로그램, 분산, 에멀화 및 추출을 위한 고성능 초음파 균질화를 제조합니다.
문학 / 참고 문헌
- 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.
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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.
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- 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.
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알만한 가치가있는 사실
디메틸 에테르 (DME) 연료로
디메틸 에테르의 주요 용도 중 하나는 LPG (액체 프로판 가스)의 프로판 을 대체하는 응용 프로그램입니다, 이는 차량, 가정 및 산업에서 연료로 사용됩니다. 프로판 오토가스에서는 디메틸 에테르를 블렌드스톡으로도 사용할 수 있습니다.
또한 DME는 디젤 엔진과 가스 터빈에 유망한 연료이기도 합니다. 디젤 엔진의 경우, 40-53의 세탄 번호가있는 석유에서 디젤 연료의 높은 세탄 번호는 매우 유리합니다. 디젤 엔진이 디메틸 에테르를 구울 수 있도록 적당한 수정만 필요합니다. 이 짧은 탄소 사슬 화합물의 단순성은 연소 중에 미립자 물질의 매우 낮은 배출로 이어집니다. 이러한 이유로 디메틸 에테르는 유황이 없는 것으로 유럽에서 가장 엄격한 배기가스 배출 규정(EURO5), 미국(2010년 미국), 일본(2009년 일본)에서도 가장 엄격한 배기가스 배출 규정을 충족합니다.
