Ultraskaņas sagatavošana katalizatoriem Dimetilētera (DME) konversijai
Divfunkcionāli katalizatori tiešai DME pārveidošanai
Dimetilētera (DME) ražošana ir labi izveidots rūpniecisks process, kas ir sadalīts divos posmos: pirmkārt, singas katalītiskā hidrogenēšana metanolā (CO / CO2 + 3H (3H)2 → CH3OH + H2ho) un, otrkārt, sekojoša metanola katalītiska dehidratācija pār skābes katalizatoriem, lai ražotu (2CH3OH → CH3OCH (OCH)3 + H2O). Šīs divsoļu DME sintēzes galvenais ierobežojums ir saistīts ar zemu termodinamiku metanola sintēzes fāzē, kā rezultātā gāzes konversija uz vienu caurlaidi ir zema (15-25%). Tādējādi rodas augsti recirkulācijas rādītāji, kā arī augstas kapitāla un darbības izmaksas.
Lai pārvarētu šo termodinamisko ierobežojumu, tiešā DME sintēze ir ievērojami labvēlīgāka: tiešā DME pārveidošanā metanola sintēzes posms ir savienots ar dehidratācijas soli vienā reaktorā.
(2CO / CO2 + 6H2 → CH3OCH (OCH)3 + 3H (3H)2O).

Ultrasonikators UIP2000hdT (2kW) ar caurplūdes reaktoru ir parasti izmantots iestatījums mezoporu nanokatalītu (piemēram, dekorētu ceolītu) sonoķīmiskai sintēzei.

Tieša dimetilētera (DME) sintēze no singas uz divfunkcionāla katalizatora.
(© Millán et al. 2020)
Ļoti reaktīvu katalizatoru sintēze DME pārveidošanai, izmantojot power-ultraskaņu
Katalizatoru reaģētspēju un selektivitāti dimetilētera pārveidošanai var ievērojami uzlabot ar ultraskaņas apstrādi. Ceolīti, piemēram, skābes ceolīti (piemēram, alumosilikāta ceolīts HZSM-5) un dekorēti ceolīti (piemēram, ar CuO/ZnO/Al2O3) ir galvenie katalizatori, ko veiksmīgi izmanto DME ražošanā.

Hibrīda co-nokrišņu-ultraskaņas sintēze CuO-ZnO-Al2O3/HZSM-5 izmanto tiešā konver- sionā syngas uz dimetilēteru kā zaļo degvielu.
Pētījums un attēls: Khoshbin un Haghighi, 2013.]
Ceolītu hlorēšana un fluorēšana ir efektīvas metodes, lai noregulētu katalītisko skābumu. Hlorētos un fluorētos ceolīta katalizatorus sagatavoja, piesūcinot ceolītus (H- ZSM- 5, H- MOR vai H- Y), aboul- Fotouh pētniecības grupas pētījumā izmantojot divus halogēnu prekursorus (amonija hlorīdu un amonija fluorīdu). Ultraskaņas apstarošanas ietekme tika novērtēta, lai optimizētu abus halogēnos prekursorus dimetilētera (DME) ražošanai, izmantojot metanola dehidratāciju fiksētā gultnes reaktorā. Salīdzinošais DME katalīzes pētījums atklāja, ka halogēnie ceolīta katalizatori, kas sagatavoti ultraskaņas apstarošanas laikā, uzrāda augstāku sniegumu DME veidošanā. (Aboul-Fotouh et al., 2016)
Citā pētījumā pētījuma grupa pētīja visus svarīgos ultrasonication mainīgos, kas radās, veicot metanola dehidratāciju uz H-MOR ceolīta katalizatoriem, lai ražotu dimetilēteru. Savos ultraskaņas eperimentos pētniecības grupa izmantoja Hielscher UP50H zondes tipa ultrasonikators. Skenējot elektronmikroskopa (SEM) attēlu ar ultraskaņu H-MOR ceolītu (Mordenīta ceolītu), ir noskaidrots, ka metanols, ko pats izmanto kā ultrasonication vidi, dod vislabākos rezultātus attiecībā uz daļiņu izmēru viendabīgumu salīdzinājumā ar neapstrādātu katalizatoru, kur parādījās lieli aglomerāti un neviendabīgas kopas. Šie atklājumi apliecināja, ka ultrasonication ir dziļa ietekme uz vienības šūnu izšķirtspēju un līdz ar to uz metanola dehidratācijas līdz dimetilēteram (DME) katalītisko uzvedību. NH3-TPD parāda, ka ultraskaņas apstarošana ir uzlabojusi H-MOR katalizatora skābumu, un tāpēc tā ir katalītiska veiktspēja DME veidošanai. (Aboul-Gheit et al., 2014)

Ultrasonēta H-MOR SEM, izmantojot dažādus līdzekļus
Pētījums un attēli: ©Aboul-Gheit et al., 2014
Gandrīz visu komerciālo DME iegūst metanola dehidratācijā, izmantojot dažādus cietās skābes katalizatorus, piemēram, ceolītus, silīlikas–alumīnija oksīdu, alumīnija oksīdu, Al2O3–B2O3u.c. ar šādu reakciju:
2CH (2CH)3AK <—> Ch3OCH (OCH)3 +H2O(-22,6k jmol-1)
Košbins un Hagighi (2013) sagatavoja CuO–ZnO–Al2O3/HZSM-5 nanokatalītiķi, izmantojot kombinēto ko-nokrišņu–ultraskaņas metodi. Pētījuma grupa konstatēja, "ka ultraskaņas enerģijas izmantošana lielā mērā ietekmē CO hidrogenēšanas funkcijas dispersiju un līdz ar to arī DME sintēzes veiktspēju. Ultraskaņas atbalstītās sintezētās nanokatalīta izturība tika pētīta syngas reakcijas uz DME laikā. Nanokatalītiķis reakcijas laikā zaudē niecīgu aktivitāti koksa veidošanās dēļ uz vara sugām." [Khoshbin un Haghighi, 2013.]
Alternatīvs nano-ceolīta ne-katalizators, kas ir arī ļoti efektīvs DME pārveidošanas veicināšanā, ir nanoizmēra porains γ-alumīnija oksīda katalizators. Nanoizmēra porainais γ-alumīnija oksīds tika veiksmīgi sintezēts ar nokrišņiem ultraskaņas sajaukšanas laikā. Sonochemical ārstēšana veicina nano daļiņu sintēzi. (sal. ar Rahmanpour et al., 2012)
Kāpēc ultrasoniski sagatavoti nano-katalizatori ir pārāki?
Neviendabīgu katalizatoru ražošanai bieži ir nepieciešami materiāli ar augstu pievienoto vērtību, piemēram, dārgmetāli. Tas sadārdzina katalizatorus, un tāpēc katalizatoru efektivitātes uzlabošana, kā arī aprites cikla pagarināšana ir svarīgi ekonomiskie faktori. Starp nanokatalītu sagatavošanas metodēm sonoķīmiskā tehnika tiek uzskatīta par ļoti efektīvu metodi. Ultraskaņas spēja radīt ļoti reaģējošas virsmas, uzlabot sajaukšanos un palielināt masu transportu padara to par īpaši daudzsološu tehniku, lai izpētītu katalizatora sagatavošanu un aktivizēšanu. Tas var ražot viendabīgas un izkliedētas nanodaļiņas bez dārgiem instrumentiem un ekstremāliem apstākļiem.
Vairākos pētījumos zinātnieki nonāk pie secinājuma, ka ultraskaņas katalizatora sagatavošana ir visizdevīgākā metode viendabīgu nano-katalizatoru ražošanai. Starp nanokatalītu sagatavošanas metodēm sonoķīmiskā tehnika tiek uzskatīta par ļoti efektīvu metodi. Intensīvas ultraskaņas apstrādes spēja radīt ļoti reaģējošas virsmas, uzlabot sajaukšanos un palielināt masu transportu padara to par īpaši daudzsološu tehniku, ko izpētīt katalizatora sagatavošanai un aktivizēšanai. Tas var ražot viendabīgas un izkliedētas nanodaļiņas bez dārgiem instrumentiem un ekstremāliem apstākļiem. (sal. ar Košbinu un Haghighi, 2014. gads)

Sonoķīmiskā sintēze rada ļoti aktīvu nanostrukturētu CuO–ZnO–Al2O3/HZSM-5 katalizatoru.
Pētījums un attēls: Khoshbin un Haghighi, 2013.

Shematisks izklāsts par akustiskās kavitācijas ietekmi uz metāla daļiņu modifikāciju. Metāli ar zemu kušanas punktu (MP) kā cinks (Zn) ir pilnībā oksidēti; metāliem ar augstu kušanas punktu, piemēram, niķeli (Ni) un titānu (Ti), ir virsmas modifikācija ar ultraskaņas apstrādi. Alumīnijs (Al) un magnijs (Mg) veido mezoporas struktūras. Nobela metāli ir izturīgi pret ultraskaņas apstarošanu, jo tie ir stabili pret oksidēšanos. Metālu kušanas punkti ir norādīti Kelvina (K) grādos.
Augstas veiktspējas ultrasonikatori mezoporu katalizatoru sintēzei
Sonoķīmiskās iekārtas augstas veiktspējas nano-katalizatoru sintēzei ir viegli pieejamas jebkurā izmērā – no kompaktiem laboratorijas ultrasonikatoriem līdz pilnībā rūpnieciskiem ultraskaņas reaktoriem. Hielscher Ultrasonics projektē, ražo un izplata lielas jaudas ultrasonikatorus. Visas ultraskaņas sistēmas tiek izgatavotas teltovas galvenajā mītnes vietā Vācijā un izplatītas no turienes visā pasaulē.
Hielscher ultrasonikatoru izsmalcinātā aparatūra un viedā programmatūra ir izstrādāta, lai garantētu uzticamu darbību, reproducējamus rezultātus, kā arī lietotājam draudzīgumu. Hielscher ultrasonikatori ir izturīgi un uzticami, kas ļauj tos uzstādīt un darbināt lieljaudas apstākļos. Operatīvajiem iestatījumiem var viegli piekļūt un tos var izsaukt, izmantojot intuitīvu izvēlni, kurai var piekļūt, izmantojot digitālo krāsu skārienjutīgo displeju un pārlūkprogrammas tālvadības pulti. Tāpēc visi apstrādes apstākļi, piemēram, neto enerģija, kopējā enerģija, amplitūda, laiks, spiediens un temperatūra, tiek automātiski reģistrēti iebūvētajā SD kartē. Tas ļauj pārskatīt un salīdzināt iepriekšējos ultraskaņas braucienus un optimizēt nano-katalizatoru sintēzi un funkcionalizāciju līdz augstākajai efektivitātei.
Hielscher Ultrasonics sistēmas tiek izmantotas visā pasaulē sonochemical sintēzes procesiem un ir pierādīts, ka tās ir uzticamas augstas kvalitātes ceolīta nano-katalizatoru, kā arī ceolīta atvasinājumu sintēzei. Hielscher rūpnieciskie ultrasonikatori var viegli darbināt augstas amplitūdas nepārtrauktā darbībā (24/7/365). Amplitūdas līdz 200 μm var viegli nepārtraukti ģenerēt ar standarta sonotrodes (ultraskaņas zondes / ragi). Vēl augstākām amplitūdām ir pieejami pielāgoti ultraskaņas sonotrodi. Sakarā ar to izturību un zemu apkopi, mūsu ultrasonikatori parasti tiek uzstādīti lieljaudas lietojumiem un prasīgā vidē.
Hielscher ultraskaņas procesori sonoķīmiskajām sintēzēm, funkcionalizācijai, nanostrukturācijai un deagglomerācijai jau ir uzstādīti visā pasaulē komerciālā mērogā. Sazinieties ar mums tagad, lai apspriestu savu nano-katalizatora ražošanas procesu! Mūsu pieredzējušie darbinieki labprāt dalīsies ar plašāku informāciju par sonochemical sintēzes ceļu, ultraskaņas sistēmām un cenām!
Ar ultraskaņas sintēzes metodes priekšrocību jūsu mezoporozā nano-katalizatora ražošana būs izcila efektivitātē, vienkāršībā un zemās izmaksās, salīdzinot ar citiem katalizatora sintēzes procesiem!
Zemāk redzamā tabula sniedz norādes par mūsu ultraskaņas aparātu aptuveno apstrādes jaudu:
partijas apjoms | Plūsmas ātrums | Ieteicamie ierīces |
---|---|---|
1 līdz 500mL | 10 līdz 200 ml / min | UP100H |
10 līdz 2000mL | 20 līdz 400 ml / min | UP200Ht, UP400St |
0.1 līdz 20L | 0.2 līdz 4 l / min | UIP2000hdT |
10 līdz 100 l | 2 līdz 10 l / min | UIP4000hdT |
nav | | 10 līdz 100 l / min | UIP16000 |
nav | | lielāks | klasteris UIP16000 |
Sazinies ar mums! / Uzdot mums!

Dr. Andreeva-Bäumler, Baireitas Universitāte, sadarbojas ar Ultrasonikators UIP1000hdT par metālu nanostrukturēšanu, lai iegūtu izcilus katalizatorus.
Literatūra/atsauces
- 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.
Fakti ir vērts zināt
Dimetilēteris (DME) kā degviela
Viens no galvenajiem paredzētajiem dimetilētera izmantošanas veidi kā propāna aizstājējs sašķidrinātā naftas gāzes (šķidrā propāna gāze) rūpniecībā, ko izmanto kā degvielu transportlīdzekļiem, mājsaimniecībās un rūpniecībā. Propāna autogāzē dimetilēteri var izmantot arī kā maisījumu.
Turklāt DME ir arī daudzsološa degviela dīzeļdzinējiem un gāzturbīnām. Dīzeļdzinējiem ļoti izdevīgs ir augstais cetānskaitlim 55, salīdzinot ar dīzeļdegvielu no naftas ar cetānskaitlim 40–53. Lai dīzeļdzinējs varētu sadedzināt dimetilēteru, ir nepieciešamas tikai mērenas modifikācijas. Šī īsā oglekļa ķēdes savienojuma vienkāršība sadegšanas laikā noved pie ļoti zemām cieto daļiņu emisijām. Šo iemeslu dēļ dimetilēteris ne tikai nesatur sēru, bet arī atbilst pat visstingrākajiem emisiju noteikumiem Eiropā (EURO5), ASV (ASV 2010. gadā) un Japānā (2009. gadā Japānā).

Hielscher Ultrasonics ražo augstas veiktspējas ultraskaņas homogenizatorus no Laboratorija lai rūpnieciskais izmērs.