Ultrasonic Virbereedung vu Katalysatoren fir Dimethylether (DME) Konversioun

Dimethylether (DME) ass e gënschteg alternativ Brennstoff, deen aus Methanol, CO synthetiséiert ka ginn₂ oder Syngas duerch Katalyse. Fir d'katalytesch Konversioun op DME sinn potent Katalysatoren erfuerderlech. Nano-Gréisst mesoporous Katalysatoren wéi mesoporous sauer Zeolite, dekoréiert Zeolite oder Nano-Gréisst Metal Katalysatoren wéi Al oder Koffer kënnen d'DME Konversioun bedeitend verbesseren. Héich-Intensitéit Ultraschall ass déi super Technik fir d'Virbereedung vun héich reaktiven Nano-Katalysatoren. Léiert méi iwwer wéi d'Ultraschall fir d'Produktioun vu Mikro- a Mesoporous Katalysatoren mat exzellenter Reaktivitéit a Selektivitéit benotzt!

Bifunktionell Katalysatoren fir direkt DME Konversioun

D'Produktioun vun Dimethylether (DME) ass e gutt etabléierten industrielle Prozess deen an zwee Schrëtt opgedeelt ass: éischtens d'katalytesch Hydrogenéierung vu Syngas a Methanol (CO / CO)₂ + 3H₂ → CH₃OH + H₂HO) an zweetens, eng spéider katalytesch Dehydratioun vum Methanol iwwer sauer Katalysatoren fir ze produzéieren (2CH₃OH → CH₃OCH₃ + H₂O). Déi grouss Begrenzung vun dëser zwee-Schrëtt DME Synthese ass mat der niddereger Thermodynamik während der Phase vun der Methanol Synthese verbonnen, wat zu enger niddereger Gaskonversioun pro Pass (15-25%) resultéiert. Doduerch entstinn héich Recirkulatiounsverhältnisser souwéi héich Kapital- an Operatiounskäschte.
Fir dës thermodynamesch Begrenzung ze iwwerwannen, ass direkt DME Synthese wesentlech méi gënschteg: An der direkter DME Konversioun gëtt de Methanol Synthese Schrëtt mat der Dehydratioun Schrëtt an engem eenzege Reaktor gekoppelt
(2CO/CO₂ + 6H₂ → CH₃OCH₃ + 3H₂O).

Nano-Katalysatoren wéi funktionaliséiert Zeolite ginn erfollegräich ënner Sonikatioun synthetiséiert. Funktionaliséierter nanostrukturéiert sauer Zeolite - synthetiséiert ënner sonochemesche Bedéngungen - ginn superior Tariffer fir Dimethylether (DME) Konversioun.

Ultrasonicator UIP2000hdT (2kW) mat Flow-Through-Reaktor ass eng allgemeng benotzte Setup fir d'sonochemesch Synthese vu mesoporösen Nanokatalysatoren (zB dekoréiert Zeoliten).

Déi direkt Synthese vun DME erlaabt d'Erhéijung vun der Konversiounsniveau pro Schrëtt, bis zu 19%, wat bedeitend Käschtereduktiounen betreffend d'Investitioun an d'Operatiounsproduktiounskäschte vun DME bedeit. Baséierend op Schätzunge ginn d'DME Produktiounskäschte bei der direkter Synthese ëm 20-30% reduzéiert am Verglach zum konventionellen zwee-Schrëtt Konversiounsprozess. Fir den direkten DME Synthesewee ze bedreiwen, ass en héich effizienten hybrid bifunktionelle katalytesche System néideg. Den erfuerderleche Katalysator muss d'Funktionalitéit fir d'CO / CO2 Hydrogenatioun fir d'Methanolsynthese an d'säure Funktionalitéiten ubidden, déi d'Dehydratioun vum Methanol hëllefen. (cf. Millán et al. 2020)

Direkt Synthese vun Dimethylether (DME) erfuerdert héich reaktiv, bifunktionell Katalysatoren. Ultraschall Katalysator Synthese erlaabt héich effizient nano-strukturéiert mesoporous Katalysatoren wéi funktionaliséiert sauer Zeolite fir super katalytesch Reaktiounsausgaben ze kreéieren.

Direkt Synthese vun Dimethylether (DME) aus Syngas op bifunktionelle Katalysator.
(© Millán et al. 2020)

Synthese vun héich-reaktive Katalysatoren fir DME Konversioun mat Power-Ultraschall

D'Reaktivitéit an d'Selektivitéit vun de Katalysatoren fir d'Dimethyletherkonversioun kënne wesentlech iwwer Ultraschallbehandlung verbessert ginn. Zeolite wéi sauer Zeolite (zB Aluminiumsilikatzeolit HZSM-5) an dekoréiert Zeolite (zB mat CuO / ZnO / Al₂O₃) sinn d'Haaptkatalysatoren déi erfollegräich fir DME Produktioun benotzt ginn.

Ultrasonic Co-Nidderschlag erlaabt d'Produktioun vun héich effiziente CuO-ZnO-Al2O3 / HZSM-5 Nano-Katalysatoren

Hybrid Co-Nidderschlag-Ultraschall Synthese vu CuO-ZnO-Al2O3 / HZSM-5 benotzt an der direkter Konversioun vu Syngas zu Dimethylether als grénge Brennstoff.
Studie a Bild: Khoshbin an Haghighi, 2013.]

Chlorinéierung a Fluoréierung vun Zeoliten sinn effektiv Methoden fir d'katalytesch Aciditéit ze stëmmen. Déi chloréiert a fluoréiert Zeolit Katalysatoren goufen duerch d'Imprägnatioun vun Zeoliten (H-ZSM-5, H-MOR oder HY) mat zwee Halogenvirgänger (Ammoniumchlorid an Ammoniumfluorid) an der Studie vun der Fuerschungsteam vun Aboul-Fotouh virbereet. Den Afloss vun der Ultraschallbestralung gouf evaluéiert fir béid Halogenvirgänger fir d'Produktioun vun Dimethylether (DME) iwwer Methanol Dehydratioun an engem fixen Bettreaktor ze optimiséieren. Vergläichend DME Katalyseversuch huet opgedeckt datt déi halogenéiert Zeolit Katalysatoren, déi ënner Ultraschallbestralung virbereet sinn, méi héich Leeschtung fir DME Bildung weisen. (Aboul-Fotouh et al., 2016)
An enger anerer Etude huet d'Fuerschungsteam all wichteg Ultraschallvariablen ënnersicht, déi während der Ausféierung vun der Dehydratioun vu Methanol op H-MOR Zeolit Katalysatoren fir Dimethylether ze produzéieren. Fir hir Sonication Experimenter huet d'Fuerschungsteam den Hielscher UP50H Sonde-Typ Ultrasonicator. Scannen Elektronenmikroskop (SEM) Imaging vum sonicated H-MOR Zeolit (Mordenite Zeolit) huet geklärt datt Methanol eleng als Ultraschallmedium benotzt gëtt déi bescht Resultater betreffend d'Homogenitéit vun de Partikelgréissten am Verglach zum onbehandelte Katalysator, wou grouss Agglomeraten an net -homogen Cluster erschéngen. Dës Erkenntnisser zertifizéiert datt d'Ultraschall en déif Effekt op d'Eenheetszellresolutioun huet an domat op de katalytesche Verhalen vun der Dehydratioun vu Methanol zu Dimethylether (DME). NH3-TPD weist datt d'Ultraschallbestralung d'Aciditéit vum H-MOR Katalysator verbessert huet an dofir ass et katalytesch Leeschtung fir DME Bildung. (Aboul-Gheit et al., 2014)

Ultrasonication vun H-MOR (mordenite Zeolit) Katalysator huet héich reaktiv Nano-Katalysator fir DME Konversioun.

SEM vun ultrasonicated H-MOR mat verschiddene Medien
Etude a Biller: ©Aboul-Gheit et al., 2014

Bal all kommerziell DME gëtt duerch d'Dehydratioun vu Methanol produzéiert mat verschiddene festsäure Katalysatoren wéi Zeolite, Silica-Aluminiumoxid, Alumina, Al.₂O₃-B₂O₃, etc. duerch folgend Reaktioun:
2 CH₃OH <—> CH₃OCH₃ +H₂O(-22,6k jmol^-1)

Koshbin an Haghighi (2013) preparéiert CuO–ZnO–Al₂O₃/ HZSM-5 Nanokatalysatoren iwwer eng kombinéiert Co-Nidderschlag-Ultraschall Method. D'Fuerschungsteam huet festgestallt datt d'Benotzung vun Ultraschallenergie e groussen Afloss op d'Dispersioun vun der CO-Hydrenatiounsfunktioun huet an doduerch d'DME Synthese-Leeschtung. D'Haltbarkeet vum Ultraschall assistéiert synthetiséierte Nanokatalysator gouf während Syngas op DME Reaktioun ënnersicht. Den Nanokatalysator verléiert vernoléisseg Aktivitéit am Laf vun der Reaktioun wéinst Kockbildung op Kupferarten. [Khoshbin and Haghighi, 2013.]

Ultraschall ausgefällt Gamma-Al2O3 Nano-Katalysator, deen héich Effizienz an der DME Konversioun weist. En alternativen Net-Zeolit Nano-Katalysator, deen och ganz effizient ass fir d'DME Konversioun ze förderen, ass e Nano-Gréisst porösen γ-Aluminiumoxid Katalysator. Nano-Gréisst porös γ-Aluminiumoxid gouf erfollegräich synthetiséiert duerch Nidderschlag ënner Ultraschallmëschung. Déi sonochemesch Behandlung fördert d'Synthese vun Nanopartikelen. (cf. Rahmanpour et al., 2012)

Firwat sinn Ultraschall virbereet Nano-Katalysatoren Superior?

Fir d'Produktioun vun heterogenen Katalysatoren sinn dacks héichwäerteg Materialien wéi Edelmetaller néideg. Dëst mécht Katalysatoren deier an dofir sinn d'Effizienzverbesserung souwéi d'Liewenszyklusverlängerung vun de Katalysatoren wichteg wirtschaftlech Faktoren. Ënnert Virbereedungsmethoden vun Nanokatalysatoren gëtt déi sonochemesch Technik als eng héich effizient Method ugesinn. D'Kapazitéit vum Ultraschall fir héich reaktiv Flächen ze kreéieren, d'Mëschung ze verbesseren an d'Masstransport ze erhéijen mécht et eng besonnesch villverspriechend Technik fir d'Katalysatorpräparatioun an d'Aktivatioun ze entdecken. Et kann homogen a verspreet Nanopartikel produzéieren ouni deier Instrumenter an extremen Konditiounen ze brauchen.
A verschiddene Fuerschungsstudien kommen d'Wëssenschaftler zur Conclusioun datt d'Ultraschallkatalysatorpräparatioun déi avantagéisst Method fir d'Produktioun vun homogenen Nano-Katalysatoren ass. Ënnert Virbereedungsmethoden vun Nanokatalysatoren gëtt déi sonochemesch Technik als eng héich effizient Method ugesinn. D'Kapazitéit vun intensiver Sonikatioun fir héich reaktiv Flächen ze kreéieren, d'Mëschung ze verbesseren an d'Masstransport ze erhéijen mécht et eng besonnesch villverspriechend Technik fir d'Katalysatorpräparatioun an d'Aktivatioun z'erklären. Et kann homogen a verspreet Nanopartikel produzéieren ouni deier Instrumenter an extremen Konditiounen ze brauchen. (cf. Koshbin and Haghighi, 2014)

Ultrasonic Katalysator Virbereedung resultéiert zu superieure mesoporous Nanokatalysatoren fir Dimethylether (DME) Konversioun

Déi sonochemesch Synthese resultéiert an engem héich aktive Nano-strukturéierte CuO-ZnO-Al2O3 / HZSM-5 Katalysator.
Studie a Bild: Khoshbin an Haghighi, 2013.

High-Power Ultraschaller wéi den UIP1000hdT gi fir d'Nanostrukturéierung vun héich porösen Metaller a mesoporösen Nano-Katalysatoren benotzt. (Klickt fir ze vergréisseren!)

Schematesch Presentatioun vun Effekter vun der akustescher Kavitatioun op d'Modifikatioun vun Metallpartikelen. Metaller mat engem nidderegen Schmelzpunkt (MP) wéi Zink (Zn) sinn komplett oxidéiert; Metaller mat engem héije Schmelzpunkt wéi Nickel (Ni) an Titan (Ti) weisen Uewerflächemodifikatioun ënner Sonikatioun. Aluminium (Al) a Magnesium (Mg) bilden mesoporöse Strukturen. Nobelmetaller si resistent géint Ultraschallbestralung wéinst hirer Stabilitéit géint Oxidatioun. D'Schmelzpunkte vun de Metalle ginn a Grad Kelvin (K) spezifizéiert.

High Performance Ultrasonicators fir d'Synthese vu Mesoporous Katalysatoren

Sonochemical Ausrüstung fir d'Synthese vun héich performant Nano-Katalysatoren ass verfügbar an all Gréisst – vu kompakten Labo Ultraschallreaktoren bis voll industriell Ultraschallreaktoren. Hielscher Ultrasonics designt, fabrizéiert a verdeelt High-Power Ultrasonicatoren. All Ultraschallsystemer ginn am Sëtz zu Teltow, Däitschland gemaach a vun do aus der ganzer Welt verdeelt.
Hielscher Ultraschaller kënnen op Fernbedienung iwwer Browser Kontroll kontrolléiert ginn. Sonicatiounsparameter kënnen iwwerwaacht a präzis un d'Prozessfuerderunge ugepasst ginn. Déi raffinéiert Hardware a Smart Software vun Hielscher Ultraschaller sinn entwéckelt fir zouverlässeg Operatioun, reproduzéierbar Resultater wéi och Benotzerfrëndlechkeet ze garantéieren. D'Hielscher Ultraschaller si robust an zouverlässeg, wat et erlaabt ze installéieren an ënner schwéiere Bedéngungen ze bedreiwen. Operationell Astellunge kënnen einfach zougänglech a geruff ginn iwwer intuitiv Menü, déi iwwer digital Faarf Touch-Display a Browser Fernsteierung zougänglech sinn. Dofir ginn all Veraarbechtungsbedéngungen wéi Nettoenergie, Gesamtenergie, Amplitude, Zäit, Drock an Temperatur automatesch op enger agebauter SD-Kaart opgeholl. Dëst erlaabt Iech d'virdrun sonication lafen ze iwwerschaffen an vergläichen an d'Synthese an Funktionaliséierung vun Nano-Katalysatoren zu héchster Effizienz optimiséieren.
Hielscher Ultrasonics Systemer ginn weltwäit fir sonochemesch Syntheseprozesser benotzt a si bewisen als zouverlässeg fir d'Synthese vu qualitativ héichwäerteg Zeolit Nano-Katalysatoren wéi och Zeolit-Derivate. Hielscher industriell Ultraschaller kënnen einfach héich Amplituden a kontinuéierlecher Operatioun lafen (24/7/365). Amplituden vu bis zu 200µm kënne ganz einfach kontinuéierlech generéiert ginn mat Standard Sonotroden (ultrasonic Sonden / Horn). Fir nach méi héich Amplituden sinn personaliséiert Ultraschall Sonotroden verfügbar. Wéinst hirer Robustheet a gerénger Ënnerhalt sinn eis Ultraschaller allgemeng fir schwéier Pflicht Uwendungen an an usprochsvollen Ëmfeld installéiert.
Hielscher Ultraschallprozessoren fir sonochemesch Synthesen, Funktionaliséierung, Nanostrukturéierung an Deagglomeratioun si scho weltwäit op kommerziell Skala installéiert. Kontaktéiert eis elo fir Ären Nano-Katalysator Fabrikatiounsprozess ze diskutéieren! Eis gutt erfuerene Mataarbechter wäerte frou sinn méi Informatioun iwwer de sonochemesche Synthesewee, Ultraschallsystemer a Präisser ze deelen!
Mat dem Virdeel vun der Ultraschallsynthesemethod wäert Är mesoporös Nano-Katalysatorproduktioun an Effizienz, Einfachheet a Low-Cost excel am Verglach mat anere Katalysatorsyntheseprozesser!

D'Tabell hei drënner gëtt Iech eng Indikatioun vun der geschätzter Veraarbechtungskapazitéit vun eisen Ultraschaller:

Batch Volume	Duerchflossrate	Recommandéiert Apparater
1 bis 500 ml	10 bis 200 ml/min	UP100H
10 bis 2000 ml	20 bis 400 ml/min	UP200Ht, UP 400 St
0.1 bis 20L	02 bis 4 l/min	UIP2000hdT
10 bis 100 l	2 bis 10 l/min	UIP4000hdT
na	10 bis 100 l/min	UIP16000
na	méi grouss	Stärekoup vun UIP16000

Kontaktéiert eis! / Frot eis!

Ultraschall Nano-Strukturéierung vu Metaller an Zeoliten ass eng héich effektiv Technik fir héich performant Katalysatoren ze produzéieren.

Dr Andreeva-Bäumler, Universitéit vu Bayreuth, schafft mat der Ultrasonicator UIP1000hdT op Nano-Strukturéierung vun Metaller fir super Katalysatoren ze kréien.

Ultrasonic High-Shear Homogenisatoren ginn am Labo, Bench-Top, Pilot an Industrieveraarbechtung benotzt.

Hielscher Ultrasonics fabrizéiert High-Performance Ultrasonic Homogenisatoren fir d'Vermëschung vun Uwendungen, Dispersioun, Emulsifikatioun an Extraktioun op Labo, Pilot an Industrieskala.

Zesummenhang Themen

Literatur / Referenzen

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.

Fakten Worth Wëssen

Dimethyl Ether (DME) als Brennstoff

Ee vun de wichtegste virgesiene Gebrauch vum Dimethylether ass seng Uwendung als Ersatz fir Propan am LPG (flëssege Propangas), deen als Brennstoff fir Gefierer, an Stéit an Industrie benotzt gëtt. Am Propan Autogas kann Dimethylether och als Blendstock benotzt ginn.
Ausserdeem ass DME och e verspriechende Brennstoff fir Dieselmotoren a Gasturbinen. Fir Dieselmotoren ass déi héich Cetanzuel vu 55, am Verglach zum Diesel Brennstoff aus Petrol mat Cetanzuelen vun 40–53, héich avantagéis. Nëmme moderéiert Modifikatioune sinn néideg fir en Dieselmotor z'erméiglechen fir Dimethylether ze verbrennen. D'Einfachheet vun dëser kuerzer Kuelestoffketteverbindung féiert während der Verbrennung zu ganz nidderegen Emissioune vu Partikelmaterial. Aus dëse Grënn, souwéi Schwefelfräi, entsprécht Dimethylether souguer déi strengste Emissiounsreglementer an Europa (EURO5), US (US 2010), a Japan (2009 Japan).

Héich Performance Ultraschall! D'Produktpalette vum Hielscher deckt de ganze Spektrum vum kompakte Labo Ultraschall iwwer Bench-Top Eenheeten bis voll industriell Ultraschallsystemer.

Hielscher Ultrasonics fabrizéiert High-Performance Ultrasonic Homogenisatoren aus Labo zu industriell Gréisst.