Katalizatoru sagatavošana ar ultraskaņu dimetilētera (DME) iegūšanai

Dimetilēteris (DME) ir izdevīga alternatīva degviela, ko katalītiski var sintezēt no metanola, CO₂ vai sintēzes gāzes. Katalītiskai pārveidošanai par DME ir nepieciešami iedarbīgi katalizatori. Nanometru izmēra mezoporaini katalizatori, piemēram, mezoporaini skābie ceolīti, dekorēti ceolīti vai nanometru izmēra metālu katalizatori, piemēram, alumīnijs vai varš, var ievērojami uzlabot DME iegūšanas procesu. Augstas intensitātes ultraskaņa ir pārāka metode nanokatalizatoru ar augstu reaģētspēju sagatavošanai. Uzziniet vairāk par to, kā izmantot apstrādi ar ultraskaņu mikroporainu un mezoporainu katalizatoru ražošanai ar izcilu reaģētspēju un selektivitāti!

Bifunkcionāli katalizatori tiešai DME iegūšanai

Dimetilētera (DME) ražošana ir labi nostiprinājies rūpniecisks process, kas sadalīts divos posmos: vispirms sintēzes gāzes katalītiska hidrogenēšana par metanolu (CO / CO₂ + 3H₂ → CH₃OH + H₂HO) un pēc tam sekojoša metanola katalītiska dehidratācija uz skābiem katalizatoriem, lai iegūtu (2CH₃OH → CH₃OCH₃ + H₂O). Šīs divpakāpju DME sintēzes galvenais ierobežojums ir saistīts ar zemo termodinamiku metanola sintēzes posmā, kā rezultātā gāzes konversijas pakāpe vienā caurlaidē ir zema (15–25%). Tādējādi rodas nepieciešamība pēc lielām recirkulācijas attiecībām, kā arī augstas kapitāla un ekspluatācijas izmaksas.
Lai pārvarētu šo termodinamisko ierobežojumu, tiešā DME sintēze ir ievērojami izdevīgāka: tiešajā DME iegūšanas procesā metanola sintēzes posms tiek apvienots ar dehidratācijas posmu vienā reaktorā
(2CO / CO₂ + 6H₂ → CH₃OCH₃ + 3H₂O).

Tiešā DME sintēze ļauj palielināt konversijas pakāpi vienā posmā līdz pat 19%, kas nozīmē būtisku DME ražošanas ieguldījumu un ekspluatācijas izmaksu samazinājumu. Saskaņā ar aplēsēm DME ražošanas izmaksas tiešajā sintēzē samazinās par 20–30% salīdzinājumā ar tradicionālo divpakāpju pārveidošanas procesu. Lai īstenotu tiešās DME sintēzes ceļu, ir nepieciešama ļoti efektīva hibrīda bifunkcionāla katalītiskā sistēma. Nepieciešamajam katalizatoram jānodrošina CO / CO2 hidrogenēšanas funkcija metanola sintēzei un skābās funkcijas, kas veicina metanola dehidratāciju. (sal. Millán et al. 2020)

Katalizatoru ar augstu reaģētspēju sintēze DME iegūšanai, izmantojot lieljaudas ultraskaņu

Dimetilētera iegūšanai paredzēto katalizatoru reaģētspēju un selektivitāti var ievērojami uzlabot ar ultraskaņas apstrādi. Ceolīti, piemēram, skābie ceolīti (piemēram, alumosilikātu ceolīts HZSM-5) un dekorēti ceolīti (piemēram, ar CuO/ZnO/Al₂O₃), ir galvenie katalizatori, kurus veiksmīgi izmanto DME ražošanā.

Ceolītu hlorēšana un fluorēšana ir efektīvas metodes katalītiskā skābuma regulēšanai. Aboul-Fotouh pētnieku grupas pētījumā hlorētus un fluorētus ceolītu katalizatorus sagatavoja, impregnējot ceolītus (H-ZSM-5, H-MOR vai H-Y) ar diviem halogēnu prekursoriem (amonija hlorīdu un amonija fluorīdu). Ultraskaņas apstarošanas ietekmi novērtēja, lai optimizētu abu halogēnu prekursoru izmantošanu dimetilētera (DME) ražošanai, dehidratējot metanolu reaktorā ar nekustīgu slāni. Salīdzinošs DME katalīzes izmēģinājums atklāja, ka halogenētie ceolītu katalizatori, kas sagatavoti ultraskaņas apstarošanas apstākļos, nodrošina augstāku DME veidošanās efektivitāti. (Aboul-Fotouh et al., 2016)
Citā pētījumā pētnieku grupa izpētīja visus būtiskos apstrādes ar ultraskaņu mainīgos lielumus, kas saistīti ar metanola dehidratēšanu uz H-MOR ceolītu katalizatoriem dimetilētera iegūšanai. Eksperimentos ar ultraskaņu pētnieku grupa izmantoja Hielscher UP50H zondes tipa ultraskaņas ierīci. Ar ultraskaņu apstrādātā H-MOR ceolīta (mordenīta ceolīta) attēli, kas iegūti ar skenējošo elektronu mikroskopu (SEM), parādīja, ka metanols viens pats, izmantots kā vide apstrādei ar ultraskaņu, nodrošina vislabākos rezultātus daļiņu izmēru viendabīguma ziņā salīdzinājumā ar neapstrādāto katalizatoru, kurā bija vērojami lieli aglomerāti un neviendabīgi sakopojumi. Šie rezultāti apstiprināja, ka apstrāde ar ultraskaņu būtiski ietekmē elementāršūnas izšķirtspēju un līdz ar to arī metanola dehidratēšanas par dimetilēteri (DME) katalītisko norisi. NH3-TPD parāda, ka ultraskaņas apstarošana ir palielinājusi H-MOR katalizatora skābumu un līdz ar to arī tā katalītisko efektivitāti DME veidošanā. (Aboul-Gheit et al., 2014)

Gandrīz visu komerciāli ražoto DME iegūst, dehidratējot metanolu ar dažādiem cietiem skābiem katalizatoriem, piemēram, ceolītiem, silīcija dioksīdu–alumīnija oksīdu, alumīnija oksīdu, Al₂O₃–B₂O₃ u. c., atbilstoši šādai reakcijai:
2CH₃OH <—> CH₃OCH₃ +H₂O(-22,6k jmol^-1)

Koshbin un Haghighi (2013) sagatavoja CuO–ZnO–Al₂O₃/HZSM-5 nanokatalizatorus, izmantojot kombinētu kopizgulsnēšanas un ultraskaņas metodi. Pētnieku grupa konstatēja, “ka ultraskaņas enerģijas izmantošana būtiski ietekmē CO hidrogenēšanas funkcijas izkliedi un līdz ar to arī DME sintēzes efektivitāti. Ar ultraskaņas palīdzību sintezētā nanokatalizatora noturību pētīja sintēzes gāzes pārvēršanas par DME reakcijas laikā. Reakcijas gaitā nanokatalizators zaudē nenozīmīgu aktivitātes daļu koksa veidošanās dēļ uz vara ķīmiskajām formām.” [Khoshbin and Haghighi, 2013.]

Alternatīvs nanokatalizators, kas nav ceolīts un arī ļoti efektīvi veicina pārvēršanu par DME, ir nanoizmēra porains γ-alumīnija oksīda katalizators. Nanoizmēra porains γ-alumīnija oksīds tika veiksmīgi sintezēts, izmantojot izgulsnēšanu, maisot ar ultraskaņu. Sonoķīmiskā apstrāde veicina nanodaļiņu sintēzi. (sk. Rahmanpour et al., 2012)

Kāpēc ar ultraskaņu sagatavotie nanokatalizatori ir pārāki?

Heterogēno katalizatoru ražošanai bieži ir nepieciešami materiāli ar augstu pievienoto vērtību, piemēram, dārgmetāli. Tas padara katalizatorus dārgus, tāpēc katalizatoru efektivitātes paaugstināšana un dzīves cikla pagarināšana ir svarīgi ekonomiskie faktori. Nanokatalizatoru sagatavošanas metožu vidū sonoķīmiskā metode tiek uzskatīta par ļoti efektīvu. Ultraskaņas spēja radīt ļoti reaģētspējīgas virsmas, uzlabot sajaukšanu un palielināt masas pārnesi padara to par īpaši daudzsološu metodi, ko pētīt katalizatoru sagatavošanai un aktivēšanai. Ar to var iegūt viendabīgas un disperģētas nanodaļiņas bez nepieciešamības izmantot dārgas iekārtas un ekstremālus apstākļus.
Vairākos pētījumos zinātnieki secina, ka katalizatoru sagatavošana ar ultraskaņu ir visizdevīgākā metode viendabīgu nanokatalizatoru ražošanai. Nanokatalizatoru sagatavošanas metožu vidū sonoķīmiskā metode tiek uzskatīta par ļoti efektīvu. Intensīvas apstrādes ar ultraskaņu spēja radīt ļoti reaģētspējīgas virsmas, uzlabot sajaukšanu un palielināt masas pārnesi padara to par īpaši daudzsološu metodi, ko pētīt katalizatoru sagatavošanai un aktivēšanai. Ar to var iegūt viendabīgas un disperģētas nanodaļiņas bez nepieciešamības izmantot dārgas iekārtas un ekstremālus apstākļus. (sal. Koshbin and Haghighi, 2014)

Augstas veiktspējas ultraskaņas iekārtas mezoporainu katalizatoru sintēzei

Sonoķīmiskās iekārtas augstas veiktspējas nanokatalizatoru sintēzei ir viegli pieejamas jebkurā izmērā – no kompaktām laboratorijas ultraskaņas iekārtām līdz pilnībā rūpnieciskiem ultraskaņas reaktoriem. Hielscher Ultrasonics projektē, ražo un izplata lieljaudas ultraskaņas iekārtas. Visas ultraskaņas sistēmas tiek ražotas uzņēmuma galvenajā mītnē Teltovā, Vācijā, un no turienes izplatītas visā pasaulē.
Hielscher ultraskaņas iekārtu pilnveidotā aparatūra un viedā programmatūra ir izstrādāta, lai garantētu uzticamu darbību, reproducējamus rezultātus un lietošanas ērtumu. Hielscher ultraskaņas iekārtas ir izturīgas un uzticamas, tāpēc tās var uzstādīt un ekspluatēt lielas slodzes apstākļos. Darbības iestatījumiem var viegli piekļūt un tos pielāgot intuitīvā izvēlnē, kas pieejama digitālajā krāsu skārienekrānā un attālināti pārlūkprogrammā. Tādējādi visi apstrādes apstākļi, piemēram, neto enerģija, kopējā enerģija, amplitūda, laiks, spiediens un temperatūra, tiek automātiski reģistrēti iebūvētā SD kartē. Tas ļauj pārskatīt un salīdzināt iepriekšējos apstrādes ar ultraskaņu ciklus un optimizēt nanokatalizatoru sintēzi un funkcionalizēšanu, lai sasniegtu visaugstāko efektivitāti.
Hielscher Ultrasonics sistēmas visā pasaulē izmanto sonoķīmiskās sintēzes procesos, un to uzticamība ir pierādīta augstas kvalitātes ceolītu nanokatalizatoru un ceolītu atvasinājumu sintēzē. Hielscher rūpnieciskās ultraskaņas iekārtas var viegli darboties ar lielām amplitūdām nepārtrauktā režīmā (24/7/365). Ar standarta sonotrodēm (ultraskaņas zondēm / ragveida uzgaļiem) var viegli nepārtraukti radīt amplitūdas līdz pat 200µm. Vēl lielākām amplitūdām ir pieejamas individuāli pielāgotas ultraskaņas sonotrodes. Pateicoties izturībai un nelielajām apkopes prasībām, mūsu ultraskaņas iekārtas bieži uzstāda lietojumiem ar lielu slodzi un prasīgā vidē.
Hielscher ultraskaņas procesori sonoķīmiskajai sintēzei, funkcionalizēšanai, nanostrukturēšanai un deaglomerācijai jau ir uzstādīti visā pasaulē komerciālā mērogā. Sazinieties ar mums jau tagad, lai apspriestu savu nanokatalizatoru ražošanas procesu! Mūsu pieredzējušie darbinieki labprāt sniegs plašāku informāciju par sonoķīmiskās sintēzes ceļu, ultraskaņas sistēmām un cenām!
Pateicoties ultraskaņas sintēzes metodes priekšrocībām, jūsu mezoporu nanokatalizatoru ražošana izcelsies ar efektivitāti, vienkāršību un zemām izmaksām salīdzinājumā ar citiem katalizatoru sintēzes procesiem!

Tālāk redzamā tabula sniedz priekšstatu par mūsu ultraskaņas iekārtu aptuveno apstrādes jaudu: