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

Dimethylether (DME) is een gunstige alternatieve brandstof; synthese via katalyse is mogelijk uit methanol, CO₂ of synthesegas. Voor de katalytische omzetting naar DME zijn krachtige katalysatoren vereist. Mesoporeuze katalysatoren op nanoschaal, zoals mesoporeuze zure zeolieten, gedecoreerde zeolieten of metaalkatalysatoren op nanoschaal, zoals aluminium of koper, kunnen de omzetting naar DME aanzienlijk verbeteren. Ultrasoon geluid met hoge intensiteit is de superieure techniek voor de bereiding van zeer reactieve nanokatalysatoren. Lees meer over het gebruik van sonicatie voor de productie van micro- en mesoporeuze katalysatoren met uitstekende reactiviteit en selectiviteit!

Bifunctionele katalysatoren voor directe omzetting naar DME

De productie van dimethylether (DME) is een beproefd industrieel proces dat in twee stappen is onderverdeeld: eerst de katalytische hydrogenering van synthesegas tot methanol (CO / CO₂ + 3H₂ → CH₃OH + H₂HO) en ten tweede een daaropvolgende katalytische dehydratie van de methanol over zure katalysatoren om te produceren (2CH₃OH → CH₃OCH₃ + H₂O). De belangrijkste beperking van deze DME-synthese in twee stappen houdt verband met de lage thermodynamica tijdens de methanolsynthese, wat resulteert in een lage gasomzetting per doorgang (15–25%). Daardoor ontstaan hoge recirculatieverhoudingen en hoge investerings- en bedrijfskosten.
Om deze thermodynamische beperking te overwinnen, is directe DME-synthese aanzienlijk gunstiger: bij de directe omzetting naar DME wordt de methanolsynthesestap in één reactor gekoppeld aan de dehydratiestap
(2CO / CO₂ + 6H₂ → CH₃OCH₃ + 3H₂O).

De directe synthese van DME maakt het mogelijk de omzettingsniveaus per stap te verhogen tot maximaal 19%, wat aanzienlijke kostenbesparingen betekent voor de investeringen en de operationele productiekosten van DME. Volgens schattingen zijn de DME-productiekosten bij directe synthese 20–30% lager dan bij het conventionele omzettingsproces in twee stappen. Voor uitvoering van de directe DME-syntheseroute is een zeer efficiënt hybride bifunctioneel katalytisch systeem nodig. De vereiste katalysator moet zowel de functionaliteit voor CO / CO2-hydrogenering ten behoeve van de methanolsynthese bieden als de zure functionaliteiten die de dehydratie van de methanol ondersteunen. (vgl. Millán et al. 2020)

Synthese van zeer reactieve katalysatoren voor de omzetting naar DME met ultrasoon geluid van hoog vermogen

De reactiviteit en selectiviteit van katalysatoren voor de omzetting naar dimethylether kunnen aanzienlijk worden verbeterd door ultrasone behandeling. Zeolieten, zoals zure zeolieten (bijv. de aluminosilicaatzeoliet HZSM-5) en gedecoreerde zeolieten (bijv. met CuO/ZnO/Al₂O₃), zijn de belangrijkste katalysatoren die met succes worden gebruikt voor de productie van DME.

Chlorering en fluorering van zeolieten zijn effectieve methoden om de katalytische zuurgraad af te stemmen. In het onderzoek van het onderzoeksteam van Aboul-Fotouh werden gechloreerde en gefluoreerde zeolietkatalysatoren bereid door zeolieten (H-ZSM-5, H-MOR of H-Y) te impregneren met twee halogeenprecursoren (ammoniumchloride en ammoniumfluoride). De invloed van ultrasone bestraling werd geëvalueerd om beide halogeenprecursoren te optimaliseren voor de productie van dimethylether (DME) via methanoldehydratie in een vastbedreactor. Een vergelijkende proef met DME-katalyse toonde aan dat de onder ultrasone bestraling bereide gehalogeneerde zeolietkatalysatoren betere prestaties leveren bij de vorming van DME. (Aboul-Fotouh et al., 2016)
In een ander onderzoek onderzocht het onderzoeksteam alle belangrijke sonicatievariabelen die een rol spelen bij de dehydratie van methanol op H-MOR-zeolietkatalysatoren voor de productie van dimethylether. Voor de sonicatie-experimenten gebruikte het onderzoeksteam de Hielscher UP50H sonicator met sonde. Beelden van de gesoniceerde H-MOR-zeoliet (mordenietzeoliet), gemaakt met een rasterelektronenmicroscoop (SEM), hebben duidelijk gemaakt dat methanol op zichzelf als sonicatiemedium de beste resultaten oplevert voor de homogeniteit van de deeltjesgrootte in vergelijking met de onbehandelde katalysator, waarin grote agglomeraten en niet-homogene clusters voorkwamen. Deze bevindingen bevestigden dat sonicatie een diepgaand effect heeft op de resolutie van de eenheidscel en daarmee op het katalytische gedrag bij de dehydratie van methanol tot dimethylether (DME). NH3-TPD toont aan dat ultrasone bestraling de zuurgraad van de H-MOR-katalysator heeft verhoogd en daarmee ook de katalytische prestaties bij de vorming van DME. (Aboul-Gheit et al., 2014)

Vrijwel alle commerciële DME wordt geproduceerd door dehydratie van methanol met verschillende vaste zure katalysatoren, zoals zeolieten, silica–alumina, alumina, Al₂O₃–B₂O₃, enz., volgens de volgende reactie:
2CH₃OH <—> CH₃OCH₃ +H₂O(-22,6k jmol^-1)

Koshbin en Haghighi (2013) bereidden CuO–ZnO–Al₂O₃/HZSM-5-nanokatalysatoren via een gecombineerde methode van coprecipitatie en ultrasoon geluid. Het onderzoeksteam stelde vast “dat het gebruik van ultrasone energie een grote invloed heeft op de dispersie van de CO-hydrogeneringsfunctie en daarmee op de prestaties van de DME-synthese. De duurzaamheid van de met ultrasone ondersteuning gesynthetiseerde nanokatalysator werd onderzocht tijdens de reactie van synthesegas naar DME. De nanokatalysator verliest tijdens de reactie een verwaarloosbare hoeveelheid activiteit door cokesvorming op koperspecies.” [Khoshbin and Haghighi, 2013.]

Een alternatieve nanokatalysator zonder zeoliet, die eveneens zeer efficiënt is in het bevorderen van de omzetting naar DME, is een poreuze γ-aluminakatalysator op nanoschaal. Poreuze γ-alumina op nanoschaal 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 edelmetalen. Dit maakt katalysatoren duur, waardoor verbetering van de efficiëntie en verlenging van de levenscyclus van de katalysatoren belangrijke economische factoren zijn. Van de bereidingsmethoden voor nanokatalysatoren wordt de sonochemische techniek beschouwd als een zeer efficiënte methode. Het vermogen van ultrasoon geluid om zeer reactieve oppervlakken te creëren, het mengen te verbeteren en het massatransport te verhogen, maakt het een bijzonder veelbelovende techniek om te onderzoeken voor de bereiding en activering van katalysatoren. Hiermee kunnen homogene en gedispergeerde nanodeeltjes worden geproduceerd zonder dure instrumenten en extreme omstandigheden.
In verschillende onderzoeken komen wetenschappers tot de conclusie dat ultrasone katalysatorbereiding de meest voordelige methode is voor de productie van homogene nanokatalysatoren. Van de bereidingsmethoden voor 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 bijzonder veelbelovende techniek om te onderzoeken voor de bereiding en activering van katalysatoren. Hiermee kunnen homogene en gedispergeerde nanodeeltjes worden geproduceerd zonder dure instrumenten en extreme omstandigheden. (vgl. Koshbin en Haghighi, 2014)

Sonicatoren met hoge prestaties voor de synthese van mesoporeuze katalysatoren

Sonochemische apparatuur voor de synthese van nanokatalysatoren met hoge prestaties is direct verkrijgbaar in elke grootte – van compacte laboratoriumsonicatoren tot volledig industriële ultrasone reactoren. Hielscher Ultrasonics ontwerpt, produceert en distribueert sonicatoren met hoog vermogen. Alle ultrasone systemen worden vervaardigd op het hoofdkantoor in Teltow, Duitsland, en van daaruit wereldwijd gedistribueerd.
De geavanceerde hardware en slimme software van Hielscher sonicatoren zijn ontworpen om een betrouwbare werking, reproduceerbare resultaten en gebruiksvriendelijkheid te garanderen. De Hielscher sonicatoren zijn robuust en betrouwbaar, waardoor ze onder zware omstandigheden kunnen worden geïnstalleerd en gebruikt. Bedieningsinstellingen kunnen eenvoudig worden opgeroepen en ingesteld via een intuïtief menu, dat toegankelijk is via een digitaal kleurentouchscreen en afstandsbediening via de browser. Alle procesomstandigheden, zoals netto-energie, totale energie, amplitude, tijd, druk en temperatuur, worden daarom automatisch vastgelegd op een ingebouwde SD-kaart. Hiermee kunt u eerdere sonicatieprocessen bekijken en vergelijken en de synthese en functionalisering van nanokatalysatoren optimaliseren voor de hoogste efficiëntie.
Systemen van Hielscher Ultrasonics worden wereldwijd gebruikt voor sonochemische syntheseprocessen en hebben hun betrouwbaarheid bewezen bij de synthese van hoogwaardige zeolietnanokatalysatoren en zeolietderivaten. Industriële sonicatoren van Hielscher kunnen probleemloos met hoge amplitudes in continubedrijf werken (24/7/365). Amplitudes tot 200µm kunnen met standaardsonotroden (ultrasone sondes / hoorns) probleemloos continu worden gegenereerd. Voor nog hogere amplitudes zijn ultrasone sonotroden op maat verkrijgbaar. Dankzij hun robuustheid en geringe onderhoudsbehoefte worden onze sonicatoren vaak geïnstalleerd voor zware toepassingen en in veeleisende omgevingen.
Ultrasone processoren van Hielscher voor sonochemische synthese, functionalisering, nanostructurering en deagglomeratie zijn wereldwijd al op commerciële schaal geïnstalleerd. Neem nu contact met ons op om uw productieproces voor nanokatalysatoren te bespreken! Onze zeer ervaren medewerkers geven u graag meer informatie over de sonochemische syntheseroute, ultrasone systemen en prijzen!
Dankzij de voordelen van de ultrasone synthesemethode zal uw productie van mesoporeuze nanokatalysatoren uitblinken in efficiëntie, eenvoud en lage kosten in vergelijking met andere processen voor katalysatorsynthese!

De onderstaande tabel geeft u een indicatie van de geschatte verwerkingscapaciteit van onze sonicatoren: