Ultrasonic Preparation of Catalysts for Dimethyl Ether (DME) Conversion
직접 DME 변환을 위한 이중 기능 촉매
디메틸 에테르 (DME)의 생산은 두 단계로 나뉘는 잘 정립 된 산업 공정입니다 : 첫째, 합성 가스를 메탄올 (CO / CO)로 촉매 수소화하는 것입니다.2 + 3시간2 → 채널3오 + H2HO) 및 둘째, 산 촉매를 통한 메탄올의 후속 촉매 탈수(2CH3오 → 채널3오크3 + H2이 2단계 DME 합성의 주요 한계는 메탄올 합성 단계 동안 낮은 열역학과 관련이 있으며, 이로 인해 패스당 낮은 가스 전환율(15-25%)이 발생합니다. 이로 인해 높은 재순환 비율과 높은 자본 및 운영 비용이 발생합니다.
이러한 열역학적 한계를 극복하기 위해서는 직접 DME 합성이 훨씬 더 유리합니다: 직접 DME 변환에서 메탄올 합성 단계는 단일 반응기에서 탈수 단계와 결합됩니다
(2CO/일산화탄소2 + 6시간2 → 채널3오크3 + 3시간2O).
The ultrasonicator UIP2000hdT (2kW) with flow-through reactor is a commonly used setup for the sonochemical synthesis of mesoporous nanocatalysts (e.g. decorated zeolites).
이작용 촉매에서 합성 가스로부터 디메틸 에테르(DME)를 직접 합성합니다.
© ( Millán 외. 2020)
Power-Ultrasound를 이용한 DME 변환을 위한 고반응성 촉매 합성
디메틸 에테르 전환을 위한 촉매의 반응성 및 선택성은 초음파 처리를 통해 크게 향상될 수 있습니다. 제올라이트, 예컨대 산성 제올라이트(예: 알루미노실리케이트 제올라이트 HZSM-5) 및 장식된 제올라이트(예: CuO/ZnO/Al2O3)는 DME 생산에 성공적으로 사용되는 주요 촉매입니다.
녹색 연료로 디메틸 에테르에 합성 가스의 직접 수렴에 사용되는 CuO-ZnO-Al2O3 / HZSM-5의 하이브리드 공동 침전 - 초음파 합성.
연구 및 사진: Khoshbin and Haghighi, 2013.]
제올라이트의 염소화 및 불소화는 촉매 산도를 조정하는 효과적인 방법입니다. 염소화 및 불소화 제올라이트 촉매는 Aboul-Fotouh의 연구팀의 연구에서 두 개의 할로겐 전구체 (염화 암모늄 및 불화 암모늄)를 사용하여 제올라이트 (H-ZSM-5, H-MOR 또는 HY)를 함침시켜 제조되었습니다. 초음파 조사의 영향은 고정층 반응기에서 메탄올 탈수를 통해 디메틸 에테르 (DME)의 생산을 위해 두 할로겐 전구체를 최적화하기 위해 평가되었습니다. 비교 DME 촉매 시험에 따르면 초음파 조사로 제조된 할로겐화 제올라이트 촉매는 DME 형성에 대해 더 높은 성능을 보여줍니다. (Aboul-Fotouh 외, 2016)
또 다른 연구에서 연구팀은 디메틸 에테르를 생산하기 위해 H-MOR 제올라이트 촉매에서 메탄올의 탈수를 수행하는 동안 발생하는 모든 중요한 초음파 변수를 조사했습니다. 초음파 처리 경험을 위해 연구팀은 Hielscher UP50H 프로브 형 초음파기. 초음파 처리 된 H-MOR 제올라이트 (Mordenite 제올라이트)의 주사 전자 현미경 (SEM) 이미징은 초음파 매체로 사용되는 메탄올 자체가 큰 응집체와 비 균질 성 클러스터가 나타난 처리되지 않은 촉매에 비해 입자 크기의 균질성에 관한 최상의 결과를 제공한다는 것을 분명히했습니다. 이러한 발견은 초음파가 단위 세포 해상도에 깊은 영향을 미치므로 메탄올을 디메틸 에테르 (DME)로 탈수하는 촉매 작용에 영향을 미친다는 것을 인증했습니다. NH3-TPD는 초음파 조사가 H-MOR 촉매의 산도를 향상시켜 DME 형성을 위한 촉매 성능을 발휘한다는 것을 보여줍니다. (Aboul-Gheit 외, 2014)
다른 매체를 사용한 초음파 처리된 H-MOR의 SEM
연구 및 사진: ©Aboul-Gheit et al., 2014
거의 모든 상업용 DME는 제올라이트, 실리카-알루미나, 알루미나, Al과 같은 다양한 고체 산 촉매를 사용하여 메탄올을 탈수하여 생산됩니다2O3-ᄂ2O3, 등등 뒤에 오는 반응에 의하여:
2채널3오 <—> 채널3오크3 +H2O(-22.6k jmol-1)
Koshbin과 Haghighi (2013)는 CuO-ZnO-Al을 준비했습니다.2O3/HZSM-5 결합 된 공동 침전-초음파 방법을 통한 나노 촉매. 연구팀은 "초음파 에너지를 사용하면 CO 수소화 기능의 분산에 큰 영향을 미치고 결과적으로 DME 합성 성능에 큰 영향을 미친다"는 것을 발견했습니다. 초음파 보조 합성 나노 촉매의 내구성은 합성 가스에서 DME 반응 중에 조사되었습니다. 나노 촉매는 구리 종에 대한 코크스 형성으로 인해 반응 과정에서 무시할 수 있는 활성을 잃습니다." [Khoshbin and Haghighi, 2013년]
DME 변환을 촉진하는 데 매우 효율적인 대체 비제올라이트 나노 촉매는 나노 크기의 다공성 γ 알루미나 촉매입니다. 나노 크기의 다공성 γ 알루미나는 초음파 혼합하에 침전에 의해 성공적으로 합성되었습니다. 초음파 화학 처리는 나노 입자 합성을 촉진합니다. (참조: Rahmanpour et al., 2012)
초음파로 준비된 나노 촉매가 우수한 이유는 무엇입니까?
이종 촉매의 생산에는 귀금속과 같은 고부가가치 물질이 필요한 경우가 많습니다. 이로 인해 촉매가 비싸므로 효율성 향상과 촉매의 수명 주기 연장이 중요한 경제적 요인입니다. 나노 촉매의 제조 방법 중 초음파 화학 기술은 매우 효율적인 방법으로 간주됩니다. 초음파가 반응성이 높은 표면을 생성하고, 혼합을 개선하고, 질량 수송을 증가시키는 능력은 촉매 준비 및 활성화를 위해 탐구하기에 특히 유망한 기술입니다. 고가의 기기와 극한의 조건 없이 균일하고 분산된 나노 입자를 생산할 수 있습니다.
여러 연구 조사에서 과학자들은 초음파 촉매 제조가 균질 한 나노 촉매 생산에 가장 유리한 방법이라는 결론에 도달했습니다. 나노 촉매의 제조 방법 중 초음파 화학 기술은 매우 효율적인 방법으로 간주됩니다. 강렬한 초음파 처리가 반응성이 높은 표면을 생성하고, 혼합을 개선하고, 대량 수송을 증가시키는 능력은 촉매 준비 및 활성화를 위해 탐구 할 수있는 특히 유망한 기술입니다. 고가의 기기와 극한의 조건 없이 균일하고 분산된 나노 입자를 생산할 수 있습니다. (Koshbin and Haghighi, 2014 참조)
초음파 화학 합성은 고활성 나노 구조의 CuO -ZnO -Al2O3 / HZSM-5 촉매를 생성합니다.
연구 및 사진: Khoshbin and Haghighi, 2013.
금속 입자의 변형에 대한 음향 캐비테이션의 효과에 대한 개략적인 표현. 아연(Zn)과 같이 녹는점(MP)이 낮은 금속은 완전히 산화됩니다. 니켈 (Ni) 및 티타늄 (Ti)과 같은 높은 융점을 가진 금속은 초음파 처리 하에서 표면 변형을 나타냅니다. 알루미늄(Al)과 마그네슘(Mg)은 메조다공성 구조를 형성합니다. 노벨 금속은 산화에 대한 안정성으로 인해 초음파 조사에 내성이 있습니다. 금속의 융점은 켈빈(K)도로 지정됩니다.
Mesoporous 촉매의 합성을위한 고성능 초음파 발생기
고성능 나노 촉매 합성을 위한 Sonochemical 장비는 모든 크기에서 쉽게 사용할 수 있습니다. – 소형 실험실 초음파에서 완전 산업용 초음파 반응기에 이르기까지. Hielscher 초음파는 고출력 초음파를 설계, 제조 및 배포합니다. 모든 초음파 시스템은 독일 Teltow의 본사에서 제작되어 전 세계에 유통됩니다.
Hielscher 초음파의 정교한 하드웨어 및 스마트 소프트웨어는 안정적인 작동, 재현 가능한 결과 및 사용자 친화성을 보장하도록 설계되었습니다. Hielscher 초음파는 견고하고 신뢰할 수있어 중장비 조건에서 설치 및 작동 할 수 있습니다. 작동 설정은 직관적인 메뉴를 통해 쉽게 액세스하고 다이얼을 돌릴 수 있으며, 디지털 컬러 터치 디스플레이 및 브라우저 원격 제어를 통해 액세스할 수 있습니다. 따라서 순 에너지, 총 에너지, 진폭, 시간, 압력 및 온도와 같은 모든 처리 조건이 내장 SD 카드에 자동으로 기록됩니다. 이를 통해 이전의 초음파 처리 실행을 수정 및 비교하고 나노 촉매의 합성 및 기능화를 최고 효율로 최적화 할 수 있습니다.
Hielscher 초음파 시스템은 전 세계적으로 초음파 화학 합성 공정에 사용되며 고품질 제올라이트 나노 촉매 및 제올라이트 유도체의 합성에 신뢰할 수있는 것으로 입증되었습니다. Hielscher 산업용 초음파는 연속 작동 (24/7/365)에서 높은 진폭을 쉽게 실행할 수 있습니다. 최대 200μm의 진폭은 표준 소노트로드(초음파 프로브/혼)를 사용하여 쉽게 연속적으로 생성할 수 있습니다. 더 높은 진폭을 위해 맞춤형 초음파 소노트로드를 사용할 수 있습니다. 견고 함과 낮은 유지 보수로 인해 당사의 초음파기는 일반적으로 중장비 응용 분야 및 까다로운 환경에 설치됩니다.
초음파 화학 합성, 기능화, 나노 구조화 및 응집 해제를위한 Hielscher 초음파 프로세서는 이미 전 세계적으로 상업적 규모로 설치되어 있습니다. 당신의 nano 촉매 제조공정에 관하여 토론하기 위하여 저희에게 지금 연락하십시오! 경험이 풍부한 직원이 초음파 화학 합성 경로, 초음파 시스템 및 가격에 대한 자세한 정보를 공유하게되어 기쁩니다!
초음파 합성 방법의 장점으로, 당신의 메조 다공성 나노 촉매 생산은 다른 촉매 합성 공정과 비교할 때 효율성, 단순성 및 저렴한 비용면에서 탁월합니다!
아래 표는 초음파기의 대략적인 처리 용량을 나타냅니다.
| 배치 볼륨(Batch Volume) | 유량 | 권장 장치 |
|---|---|---|
| 1 내지 500mL | 10 내지 200mL/분 | 업100H |
| 10 내지 2000mL | 20 내지 400mL/분 | UP200HT, UP400ST |
| 0.1 내지 20L | 0.2 내지 4L/min | UIP2000hdT 님 |
| 10에서 100L | 2 내지 10L/min | UIP4000hdt 님 |
| N.A. 개시 | 10 내지 100L/min | UIP16000 |
| N.A. 개시 | 큰 | 의 클러스터 UIP16000 |
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바이로이트 대학의 안드레바-뵈믈러(Andreeva-Bäumler) 박사는 초음파기 UIP1000hdT 우수한 촉매를 얻기 위해 금속의 나노 구조화에 대해.
Hielscher 초음파는 실험실, 파일럿 및 산업 규모에서 혼합 응용 분야, 분산, 유화 및 추출을위한 고성능 초음파 균질화기를 제조합니다.
문헌 / 참고문헌
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- 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.
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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.
- 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.
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Facts Worth Knowing
디메틸 에테르(DME)를 연료로 사용
디메틸 에테르의 주요 예상 용도 중 하나는 가정용 및 산업에서 차량용 연료로 사용되는 LPG(액체 프로판 가스)의 프로판 대체품으로 적용하는 것입니다. 프로판 자동 가스에서 디메틸 에테르는 혼합 원료로도 사용할 수 있습니다.
또한 DME는 디젤 엔진 및 가스 터빈의 유망한 연료이기도 합니다. 디젤 엔진의 경우 세탄가가 40-53인 석유의 디젤 연료에 비해 55의 높은 세탄가가 매우 유리합니다. 디젤 엔진이 디메틸 에테르를 연소할 수 있도록 하려면 적당한 수정만 필요합니다. 이 짧은 탄소 사슬 화합물의 단순성은 연소 중에 미립자 물질의 배출을 매우 낮춥니다. 이러한 이유로 디메틸 에테르는 황이 없을 뿐만 아니라 유럽(EURO5), 미국(미국 2010) 및 일본(2009년 일본)에서 가장 엄격한 배출 규정도 충족합니다.
