Ultrasone bereiding van katalysatoren voor de omzetting van dimethylether (DME)

Dimethylether (DME) is een gunstige alternatieve brandstof, die kan worden gesynthetiseerd uit methanol, CO₂ of syngas via katalyse. Voor de katalytische omzetting naar DME zijn krachtige katalysatoren nodig. Mesoporeuze katalysatoren van nanogrootte, zoals mesoporeuze zure zeolieten, versierde zeolieten of metaalkatalysatoren van nanogrootte, zoals aluminium of koper, kunnen de DME-omzetting aanzienlijk verbeteren. Ultrasoon geluid met hoge intensiteit is de superieure techniek voor het bereiden van zeer reactieve nanokatalysatoren. Leer meer over het gebruik van ultrasoon geluid voor de productie van micro- en mesoporeuze katalysatoren met een uitstekende reactiviteit en selectiviteit!

Bifunctionele katalysatoren voor directe DME-conversie

De productie van dimethylether (DME) is een beproefd industrieel proces dat is onderverdeeld in twee stappen: ten eerste de katalytische hydrogenering van syngas in methanol (CO / CO₂ + 3H₂ → CH₃OH + H₂HO) en ten tweede een daaropvolgende katalytische dehydratie van de methanol over zure katalysatoren tot (2CH₃OH → CH₃OCH₃ + H₂O). De belangrijkste beperking van deze DME-synthese in twee stappen heeft te maken met de lage thermodynamica tijdens de fase van methanolsynthese, wat resulteert in een lage gasconversie per passage (15-25%). Hierdoor ontstaan hoge recirculatieverhoudingen en hoge kapitaal- en bedrijfskosten.
Om deze thermodynamische beperking te overwinnen, is directe DME-synthese aanzienlijk gunstiger: Bij de directe DME-conversie wordt de methanolsynthesestap gekoppeld aan de dehydratatiestap in één enkele reactor.
(2CO / CO₂ + 6H₂ → CH₃OCH₃ + 3H₂O).

De directe synthese van DME maakt het mogelijk om de conversieniveaus per stap te verhogen tot 19%, wat een aanzienlijke kostenverlaging betekent wat betreft de investerings- en operationele productiekosten van DME. Op basis van schattingen zijn de productiekosten van DME bij directe synthese 20-30% lager in vergelijking met het conventionele conversieproces in twee stappen. Voor de directe DME-syntheseweg is een zeer efficiënt hybride bifunctioneel katalytisch systeem nodig. De vereiste katalysator moet de functionaliteit bieden voor CO / CO2-hydrogenering voor de methanolsynthese en de zure functionaliteiten, die helpen bij de dehydratatie van de methanol. (Zie Millán et al. 2020)

Synthese van hoog-Reactieve katalysatoren voor DME-conversie met behulp van ultrageluid

De reactiviteit en selectiviteit van katalysatoren voor de omzetting van dimethylether kan aanzienlijk worden verbeterd via ultrasone behandeling. Zeolieten zoals zure zeolieten (bv. aluminosilicaatzeoliet HZSM-5) en versierde zeolieten (bv. met CuO/ZnO/Al₂O₃) zijn de belangrijkste katalysatoren die met succes worden gebruikt voor de productie van DME.

Chlorering en fluorisering van zeolieten zijn effectieve methoden om de katalytische zuurgraad te tunen. De gechloreerde en gefluoreerde zeolietkatalysatoren werden bereid door impregnering van zeolieten (H-ZSM-5, H-MOR of H-Y) met twee halogeenprecursoren (ammoniumchloride en ammoniumfluoride) in het onderzoek van het onderzoeksteam van Aboul-Fotouh. De invloed van ultrasone bestraling werd geëvalueerd voor het optimaliseren van beide halogeenprecursoren voor de productie van dimethylether (DME) via methanoldehydratie in een reactor met vast bed. Vergelijkend DME-katalyseonderzoek toonde aan dat de gehalogeneerde zeolietkatalysatoren bereid onder ultrasone bestraling betere prestaties vertonen voor DME-vorming. (Aboul-Fotouh et al., 2016)
In een andere studie onderzocht het onderzoeksteam alle belangrijke ultrasone variabelen die zich voordoen tijdens het uitvoeren van de dehydratie van methanol op H-MOR zeolietkatalysatoren om dimethylether te produceren. Voor hun ultrasone experimenten gebruikte het onderzoeksteam de Hielscher UP50H ultrasoonapparaat met sonde. Beeldvorming met een rasterelektronenmicroscoop (SEM) van het gesonitiseerde H-MOR zeoliet (Mordeniet zeoliet) heeft duidelijk gemaakt dat methanol zelf, gebruikt als ultrasoon medium, de beste resultaten geeft wat betreft de homogeniteit van de deeltjesgrootte in vergelijking met de onbehandelde katalysator, waar grote agglomeraten en niet-homogene clusters verschenen. Deze bevindingen bevestigen dat ultrasoonbehandeling een diepgaand effect heeft op de eenheidscelresolutie en daarmee op het katalytische gedrag van de dehydratie van methanol tot dimethylether (DME). NH3-TPD toont aan dat ultrasone bestraling de zuurgraad van de H-MOR-katalysator heeft verbeterd en daarmee zijn katalytische prestaties voor de vorming van DME. (Aboul-Gheit et al., 2014)

Bijna alle commerciële DME wordt geproduceerd door de dehydratie van methanol met behulp van verschillende vaste-zuur katalysatoren zoals zeolieten, sillica-aluminiumoxide, aluminiumoxide, Al₂O₃-B₂O₃enz. door de volgende reactie:
2CH₃OH <—> CH₃OCH₃ +H₂O(-22,6k jmol^-1)

Koshbin en Haghighi (2013) bereidden CuO-ZnO-Al₂O₃/HZSM-5 nanokatalysatoren via een gecombineerde co-precipitatie-ultrasone methode. Het onderzoeksteam ontdekte "dat het gebruik van ultrasone energie een grote invloed heeft op de dispersie van de CO-hydrogeneringsfunctie en bijgevolg op de prestaties van de DME-synthese. De duurzaamheid van de met ultrageluid gesynthetiseerde nanokatalysator werd onderzocht tijdens de reactie van syngas naar DME. De nanokatalysator verliest verwaarloosbare activiteit in de loop van de reactie door cokevorming op koperspecies." [Khoshbin en Haghighi, 2013].

Een alternatieve niet-zeoliet nano-katalysator, die ook zeer efficiënt is in het bevorderen van de DME-conversie, is een nano-poreuze γ-aluminiumoxide katalysator. Poreus γ-aluminiumoxide van nanogrootte werd met succes gesynthetiseerd door precipitatie onder ultrasoon mengen. De sonochemische behandeling bevordert de synthese van nanodeeltjes. (vgl. Rahmanpour et al., 2012)

Waarom zijn ultrasoon bereide nanokatalysatoren superieur?

Voor de productie van heterogene katalysatoren zijn vaak materialen met een hoge toegevoegde waarde nodig, zoals edele metalen. Dit maakt katalysatoren duur en daarom zijn verbetering van de efficiëntie en verlenging van de levensduur van de katalysatoren belangrijke economische factoren. Van de bereidingsmethoden van nanokatalysatoren wordt de sonochemische techniek beschouwd als een zeer efficiënte methode. Het vermogen van ultrageluid om zeer reactieve oppervlakken te creëren, het mengen te verbeteren en het massatransport te verhogen, maakt het een veelbelovende techniek om te onderzoeken voor katalysatorbereiding en -activering. Het kan homogene en gedispergeerde nanodeeltjes produceren zonder dure instrumenten en extreme omstandigheden.
In verschillende onderzoeken zijn wetenschappers tot de conclusie gekomen dat ultrasone katalysatorbereiding de meest voordelige methode is voor de productie van homogene nanokatalysatoren. Van alle bereidingsmethoden van nanokatalysatoren wordt de sonochemische techniek beschouwd als een zeer efficiënte methode. Het vermogen van intense sonicatie om zeer reactieve oppervlakken te creëren, het mengen te verbeteren en het massatransport te verhogen, maakt het een veelbelovende techniek om te onderzoeken voor katalysatorpreparatie en -activering. Het kan homogene en gedispergeerde nanodeeltjes produceren zonder dure instrumenten en extreme omstandigheden. (vgl. Koshbin en Haghighi, 2014)

Ultrasoneatoren met hoge prestaties voor de synthese van mesoporeuze katalysatoren

Sonochemische apparatuur voor de synthese van hoogwaardige nanokatalysatoren is overal verkrijgbaar. – van compacte ultrasone laboratoria tot volledig industriële ultrasone reactoren. Hielscher Ultrasonics ontwerpt, produceert en distribueert krachtige ultrasone systemen. Alle ultrasone systemen worden gemaakt in het hoofdkantoor in Teltow, Duitsland en van daaruit gedistribueerd over de hele wereld.
De geavanceerde hardware en slimme software van Hielscher ultrasone apparaten zijn ontworpen om een betrouwbare werking, reproduceerbare resultaten en gebruiksvriendelijkheid te garanderen. De Hielscher ultrasone apparaten zijn robuust en betrouwbaar, waardoor ze onder zware omstandigheden kunnen worden geïnstalleerd en gebruikt. De operationele instellingen zijn eenvoudig toegankelijk en te kiezen via een intuïtief menu dat toegankelijk is via het digitale kleuren touch-display en de browser-afstandsbediening. Daarom worden alle verwerkingscondities zoals netto-energie, totale energie, amplitude, tijd, druk en temperatuur automatisch opgeslagen op een ingebouwde SD-kaart. Hierdoor kunt u eerdere sonicatieruns herzien en vergelijken en de synthese en functionalisatie van nanokatalysatoren optimaliseren voor de hoogste efficiëntie.
Hielscher ultrasone systemen worden wereldwijd gebruikt voor sonochemische syntheseprocessen en hebben bewezen betrouwbaar te zijn voor de synthese van hoogwaardige zeoliet nanokatalysatoren en zeolietderivaten. Hielscher industriële ultrasone apparaten kunnen gemakkelijk hoge amplitudes aan in continu bedrijf (24/7/365). Amplituden tot 200 µm kunnen gemakkelijk continu worden gegenereerd met standaard sonotrodes (ultrasone sondes/ hoorns). Voor nog hogere amplitudes zijn op maat gemaakte ultrasone sonotrodes verkrijgbaar. Dankzij hun robuustheid en lage onderhoudskosten worden onze ultrasone machines vaak geïnstalleerd voor zware toepassingen en in veeleisende omgevingen.
Hielscher ultrasone processors voor sonochemische syntheses, functionalisatie, nanostructurering en deagglomeratie zijn wereldwijd al op commerciële schaal geïnstalleerd. Neem nu contact met ons op om uw nano-katalysator productieproces te bespreken! Onze ervaren medewerkers geven u graag meer informatie over het sonochemische synthesetraject, ultrasone systemen en prijzen!
Met het voordeel van de ultrasone synthesemethode zal uw mesoporeuze nanokatalysatorproductie uitblinken in efficiëntie, eenvoud en lage kosten in vergelijking met andere katalysatorsyntheseprocessen!

De onderstaande tabel geeft een indicatie van de verwerkingscapaciteit van onze ultrasone machines: