Katalizatoru ultraskaņas sagatavošana dimetilētera (DME) pārveidošanai
Bifunkcionāli katalizatori tiešai DME pārveidošanai
Dimetilētera (DME) ražošana ir vispāratzīts rūpniecisks process, kas ir sadalīts divos posmos: pirmkārt, singāzes katalītiskā hidrogenēšana metanolā (CO / CO2 + 3H2 → CH3AK + H2HO) un, otrkārt, sekojoša metanola katalītiskā dehidratācija virs skābes katalizatoriem, lai iegūtu (2CH3AK → CH3OČS3 + H2O). Šīs divpakāpju DME sintēzes galvenais ierobežojums ir saistīts ar zemo termodinamiku metanola sintēzes fāzē, kas rada zemu gāzes konversiju uz vienu caurlaidi (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 solis tiek savienots ar dehidratācijas soli vienā reaktorā
(2CO / CO2 + 6H2 → CH3OČS3 + 3H2O).

Ultrasonicator UIP2000hdT (2kW) ar caurplūdes reaktoru ir plaši izmantots iestatījums mezoporu nanokatalizatoru (piemēram, dekorētu ceolītu) sonoķīmiskai sintēzei.

Dimetilētera (DME) tieša sintēze no singas uz bifunkcionāla katalizatora.
© ( Millán et al. 2020)
Ļoti reaktīvu katalizatoru sintēze DME pārveidošanai, izmantojot jaudas ultraskaņu
Katalizatoru reaktivitāti un selektivitāti dimetilētera pārveidošanai var ievērojami uzlabot, izmantojot ultraskaņas apstrādi. Ceolīti, piemēram, skābie ceolīti (piemēram, aluminosilikāta ceolīts HZSM-5) un dekorēti ceolīti (piemēram, ar CuO/ZnO/Al2O3) ir galvenie katalizatori, ko veiksmīgi izmanto DME ražošanā.

CuO-ZnO-Al2O3/HZSM-5 hibrīda ko-nokrišņu-ultraskaņas sintēze, ko izmanto singas tiešā konverģencē ar dimetilēteri kā zaļo degvielu.
Pētījums un attēls: Khoshbin un Haghighi, 2013.]
Ceolītu hlorēšana un fluorēšana ir efektīvas metodes katalītiskā skābuma regulēšanai. Hlorētie un fluorētie ceolīta katalizatori tika sagatavoti, sterilizējot ceolītus (H-ZSM-5, H-MOR vai H-Y), izmantojot divus halogēna prekursorus (amonija hlorīdu un amonija fluorīdu) Aboul-Fotouh pētnieku grupas pētījumā. Ultraskaņas apstarošanas ietekme tika novērtēta, lai optimizētu abus halogēna prekursorus dimetilētera (DME) ražošanai, izmantojot metanola dehidratāciju fiksētā slāņa reaktorā. Salīdzinošais DME katalīzes pētījums atklāja, ka halogenētie ceolīta katalizatori, kas sagatavoti ultraskaņas apstarošanai, uzrāda augstāku veiktspēju DME veidošanai. (Aboul-Fotouh et al., 2016)
Citā pētījumā pētnieku grupa pētīja visus svarīgos ultrasonication mainīgos, kas radās, veicot metanola dehidratāciju uz H-MOR ceolīta katalizatoriem, lai ražotu dimetilēteri. Ultraskaņas apstrādei pētnieku komanda izmantoja Hielscher UP50H zondes tipa ultrasonikators. Skenēšanas elektronu mikroskops (SEM) ultraskaņas H-MOR ceolīta (Mordenite ceolite) attēlveidošana ir noskaidrojusi, ka metanols pats par sevi, ko izmanto kā ultrasonikācijas vidi, dod vislabākos rezultātus attiecībā uz daļiņu izmēru viendabīgumu, salīdzinot ar neapstrādāto katalizatoru, kur parādījās lieli aglomerāti un nehomogēnas kopas. Šie atklājumi apstiprināja, ka ultrasonication ir dziļa ietekme uz vienības šūnu izšķirtspēju un līdz ar to uz katalītisko uzvedību, kas saistīta ar metanola dehidratāciju uz dimetilēteri (DME). NH3-TPD parāda, ka ultraskaņas apstarošana ir uzlabojusi H-MOR katalizatora skābumu, un tāpēc tā ir katalītiskā veiktspēja DME veidošanai. (Aboul-Gheit et al., 2014)

Ultrasonicated H-MOR SEM, izmantojot dažādus materiālus
Pētījums un attēli: ©Aboul-Gheit et al., 2014
Gandrīz visu komerciālo DME ražo metanola dehidratācija, izmantojot dažādus cietskābju katalizatorus, piemēram, ceolītus, sillica–alumīnija oksīdu, alumīnija oksīdu, Al2O3–B2O3, u.c. ar šādu reakciju:
2CH3AK <—> CH3OČS3 +H2O(-22,6k jmol-1)
Koshbin un Haghighi (2013) sagatavoja CuO–ZnO–Al2O3/HZSM-5 nanokatalizatori, izmantojot kombinētu ko-nokrišņu-ultraskaņas metodi. Pētnieku komanda atklāja, ka "ultraskaņas enerģijas izmantošanai ir liela ietekme uz CO hidrogenēšanas funkcijas izkliedi un līdz ar to arī DME sintēzes veiktspēju. Ultraskaņas atbalstītā sintezētā nanokatalizatora izturība tika pētīta syngas un DME reakcijas laikā. Nanokatalizators reakcijas gaitā zaudē niecīgu aktivitāti, jo kokss veidojas uz vara sugām." [Khoshbin un Haghighi, 2013.]
Alternatīvs ne-ceolīta nano-katalizators, kas arī ir ļoti efektīvs DME pārveidošanas veicināšanā, ir nano izmēra porains γ-alumīnija oksīda katalizators. Nano izmēra porains γ-alumīnija oksīds tika veiksmīgi sintezēts ar nokrišņiem ultraskaņas sajaukšanā. Sonoķīmiskā apstrāde 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 efektivitātes uzlabošana, kā arī katalizatoru dzīves cikla pagarināšana ir svarīgi ekonomiskie faktori. Starp nanokatalizatoru sagatavošanas metodēm sonochemical tehnika tiek uzskatīta par ļoti efektīvu metodi. Ultraskaņas spēja radīt ļoti reaktīvas virsmas, uzlabot sajaukšanu un palielināt masu transportu padara to par īpaši daudzsološu tehniku, lai izpētītu katalizatora sagatavošanu un aktivizēšanu. Tas var radīt viendabīgas un izkliedētas nanodaļiņas bez nepieciešamības pēc dārgiem instrumentiem un ekstremāliem apstākļiem.
Vairākos pētījumos zinātnieki secina, ka ultraskaņas katalizatora sagatavošana ir visizdevīgākā metode viendabīgu nano-katalizatoru ražošanai. Starp nanokatalizatoru sagatavošanas metodēm sonochemical tehnika tiek uzskatīta par ļoti efektīvu metodi. Intensīvas ultraskaņas apstrādes spēja radīt ļoti reaktīvas virsmas, uzlabot sajaukšanu un palielināt masu transportēšanu padara to par īpaši daudzsološu tehniku, lai izpētītu katalizatora sagatavošanu un aktivizēšanu. Tas var radīt viendabīgas un izkliedētas nanodaļiņas bez nepieciešamības pēc dārgiem instrumentiem un ekstremāliem apstākļiem. (sk. Koshbin un Haghighi, 2014)

Sonoķīmiskās sintēzes rezultātā tiek iegūts ļoti aktīvs nano strukturēts CuO–ZnO–Al2O3/HZSM-5 katalizators.
Pētījums un attēls: Khoshbin un Haghighi, 2013. gads.

Shematisks akustiskās kavitācijas efektu attēlojums uz metāla daļiņu modifikāciju. Metāli ar zemu kušanas temperatūru (MP) kā cinks (Zn) ir pilnīgi oksidēti; metāliem ar augstu kušanas temperatūru, piemēram, niķeli (Ni) un titānu (Ti), ultraskaņas apstākļos piemīt virsmas modifikācija. Alumīnijs (Al) un magnijs (Mg) veido mezoporu struktūras. Nobela metāli ir izturīgi pret ultraskaņas apstarošanu, pateicoties to stabilitātei pret oksidāciju. Metālu kušanas punkti ir norādīti Kelvina (K) grādos.
Augstas veiktspējas ultrasonikatori mezoporu katalizatoru sintēzei
Sonochemical 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 lieljaudas ultrasonatorus. Visas ultraskaņas sistēmas tiek izgatavotas galvenajā mītnē Teltovā, Vācijā un izplatītas no turienes visā pasaulē.
Hielscher ultrasonikatoru izsmalcinātā aparatūra un viedā programmatūra ir izstrādāta, lai garantētu uzticamu darbību, reproducējamus rezultātus, kā arī lietotājdraudzīgumu. Hielscher ultrasonikatori ir izturīgi un uzticami, kas ļauj uzstādīt un darbināt lieljaudas apstākļos. Darbības iestatījumiem var viegli piekļūt un tos var izsaukt, izmantojot intuitīvu izvēlni, kurai var piekļūt, izmantojot digitālo krāsu skārienekrānu un pārlūkprogrammas tālvadības pulti. Tāpēc visi apstrādes apstākļi, piemēram, neto enerģija, kopējā enerģija, amplitūda, laiks, spiediens un temperatūra, tiek automātiski ierakstīti 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 sonotrodes. Sakarā ar to izturību un zemu apkopi, mūsu ultrasonikatori parasti tiek uzstādīti lieljaudas lietojumiem un prasīgā vidē.
Hielscher ultraskaņas procesori sonochemical syntheses, funkcionalizācijai, nano-strukturēšanai un deagglomerācijai jau ir uzstādīti visā pasaulē komerciālā mērogā. Sazinieties ar mums tagad, lai apspriestu savu nanokatalizatora ražošanas procesu! Mūsu pieredzējušais personāls labprāt dalīsies ar vairāk informācijas par sonochemical sintēzes ceļu, ultraskaņas sistēmām un cenām!
Ar ultraskaņas sintēzes metodes priekšrocību jūsu mesoporous nano-katalizatora ražošana izcelsies ar efektivitāti, vienkāršību un zemām izmaksām, salīdzinot ar citiem katalizatora sintēzes procesiem!
Zemāk redzamajā tabulā ir sniegta norāde par mūsu ultrasonikatoru aptuveno apstrādes jaudu:
Partijas apjoms | Plūsmas ātrums | Ieteicamās ierīces |
---|---|---|
1 līdz 500 ml | 10 līdz 200 ml/min | UP100H |
10 līdz 2000 ml | 20 līdz 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
0.1 līdz 20L | 02 līdz 4 l/min | UIP2000hdT |
10 līdz 100L | 2 līdz 10L/min | UIP4000hdT |
n.p. | 10 līdz 100L/min | UIP16000 |
n.p. | Lielāku | kopa UIP16000 |
Sazinieties ar mums! / Jautājiet mums!

Dr. Andreeva-Bäumler, Baireitas Universitāte, strādā ar Ultrasonicator 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, kurus ir vērts zināt
Dimetilēteris (DME) kā degviela
Viens no galvenajiem paredzamajiem dimetilētera izmantošanas veidiem ir tā izmantošana par propāna aizstājēju LPG (šķidrā propāna gāze), ko izmanto kā degvielu transportlīdzekļiem mājsaimniecībās un rūpniecībā. Propāna autogāzē dimetilēteri var izmantot arī kā maisījuma celmu.
Turklāt DME ir arī daudzsološa degviela dīzeļdzinējiem un gāzes turbīnām. Dīzeļdzinējiem ļoti izdevīgs ir augstais cetānskaitlis 55, salīdzinot ar dīzeļdegvielu no naftas ar cetānskaitli 40–53. Lai dīzeļdzinējs varētu sadedzināt dimetilēteri, ir nepieciešamas tikai mērenas modifikācijas. Šī īsā oglekļa ķēdes savienojuma vienkāršība degšanas laikā noved pie ļoti zemām cieto daļiņu emisijām. Šo iemeslu dēļ dimetilēteris ir ne tikai bez sēra, bet arī atbilst pat visstingrākajiem emisiju noteikumiem Eiropā (EURO5), ASV (ASV 2010. gadā) un Japānā (2009. gada Japānā).

Hielscher Ultrasonics ražo augstas veiktspējas ultraskaņas homogenizatorus no Lab līdz rūpnieciskais izmērs.