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 door katalyse. Voor de katalytische omzetting in DME zijn krachtige katalysatoren nodig. Mesoporeuze katalysatoren van nanogrootte, zoals mesoporeuze zure zeolieten, gedecoreerde zeolieten of metaalkatalysatoren van nanogrootte, zoals aluminium of koper, kunnen de DME-conversie aanzienlijk verbeteren. Ultrageluid met hoge intensiteit is de superieure techniek voor de bereiding van zeer reactieve nanokatalysatoren. Leer meer over hoe ultrasoonbehandeling kan worden gebruikt 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 gevestigd industrieel proces dat in twee stappen verloopt: eerst de katalytische hydrogenering van syngas tot methanol (CO / CO₂ + 3H₂ → CH₃OH + H₂HO) en ten tweede een daaropvolgende katalytische dehydratatie van de methanol over zure katalysatoren om (2CH₃OH → CH₃OCH₃ + H₂O). De belangrijkste beperking van deze tweestaps DME-synthese houdt verband met de lage thermodynamica tijdens de fase van methanolsynthese, die resulteert in een lage gasconversie per pas (15-25%). Daardoor 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 methanolsynthese gekoppeld aan de dehydratatiestap in één enkele reactor
(2CO / CO₂ + 6H₂ → CH₃OCH₃ + 3H₂O).

De directe synthese van DME maakt een verhoging van de omzettingsgraad per stap tot 19% mogelijk, hetgeen een aanzienlijke kostenverlaging betekent met betrekking tot de investerings- en operationele productiekosten van DME. Uit ramingen blijkt dat de productiekosten van DME bij directe synthese met 20-30% worden verlaagd in vergelijking met het conventionele tweestapsomzettingsproces. Om de directe DME syntheseroute te kunnen toepassen, 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 dehydratie van het methanol. (cf. Millán et al. 2020)

Synthese van hoog reactieve katalysatoren voor de omzetting van DME met behulp van Power-Ultrasound

De reactiviteit en selectiviteit van katalysatoren voor de omzetting van dimethylether kan aanzienlijk worden verbeterd door ultrasone behandeling. Zeolieten zoals zure zeolieten (bv. aluminosilicaatzeoliet HZSM-5) en gedecoreerde zeolieten (bv. met CuO/ZnO/Al₂de₃) zijn de belangrijkste katalysatoren die met succes worden gebruikt voor de productie van DME.

Chlorering en fluorisering van zeolieten zijn doeltreffende methoden om de katalytische zuurtegraad te regelen. De gechloreerde en gefluoreerde zeolietkatalysatoren werden bereid door impregnatie van zeolieten (H-ZSM-5, H-MOR of H-Y) met twee halogeen precursoren (ammoniumchloride en ammoniumfluoride) in de studie van het onderzoeksteam van Aboul-Fotouh. De invloed van ultrasone bestraling werd geëvalueerd voor het optimaliseren van beide halogeen precursoren voor de productie van dimethylether (DME) via methanol dehydratie in een vast bed reactor. Vergelijkend onderzoek naar DME katalyse toonde aan dat de gehalogeneerde zeolietkatalysatoren, bereid onder ultrasone bestraling, beter presteren voor DME-vorming. (Aboul-Fotouh et al., 2016)
In een andere studie onderzocht het onderzoeksteam alle belangrijke ultrasone variabelen die zich voordeden bij de uitvoering van de dehydratie van methanol op H-MOR zeolietkatalysatoren om dimethylether te produceren. Voor hun ultrasone experimenten gebruikte het onderzoeksteam de Hielscher UP50H sonde-type ultrasoonapparaat. Scanning elektronen microscoop (SEM) beeldvorming van de gesoniceerde H-MOR zeoliet (Mordenite zeoliet) hebben verduidelijkt dat methanol zelf gebruikt als een ultrasoon medium de beste resultaten met betrekking tot de homogeniteit van de deeltjesgrootte geeft 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 katalytisch 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 de katalytische prestaties voor DME-vorming. (Aboul-Gheit et al., 2014)

Bijna alle commerciële DME wordt geproduceerd door dehydratie van methanol met behulp van verschillende vast-zure katalysatoren zoals zeolieten, sillica-aluminiumoxide, alumina, Al₂de₃-B₂de₃enz. door de volgende reactie:
2CH₃OH <—> CH₃OCH₃ +H₂O(-22.6k jmol^-1)

Koshbin en Haghighi (2013) bereidden CuO-ZnO-Al₂de₃/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 DME syntheseprestatie. De duurzaamheid van de met ultrageluid geassisteerde gesynthetiseerde nanokatalysator werd onderzocht tijdens de reactie van syngas naar DME. De nanokatalysator verliest verwaarloosbare activiteit in de loop van de reactie door cokesvorming op kopersoorten." [Khoshbin and Haghighi, 2013.].

Een alternatieve niet-zeoliet nanokatalysator, die ook zeer efficiënt is in het bevorderen van de DME-conversie, is een nano-grootte 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. (cf. 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 zowel efficiëntieverbetering als verlenging van de levensduur van de katalysatoren belangrijke economische factoren. Onder 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 bijzonder veelbelovende techniek om te onderzoeken voor katalysatorbereiding en -activering. Zij kan homogene en gedispergeerde nanodeeltjes produceren zonder dat daarvoor dure instrumenten en extreme omstandigheden nodig zijn.
In verschillende onderzoekstudies komen de wetenschappers tot de conclusie dat ultrasone katalysatorbereiding de meest voordelige methode is voor de productie van homogene nanokatalysatoren. Onder de bereidingsmethoden van nanokatalysatoren wordt de sonochemische techniek beschouwd als een zeer efficiënte methode. Het vermogen van intense sonicatie om zeer reactieve oppervlakken te creëren, de menging te verbeteren en het massatransport te verhogen maakt het een bijzonder veelbelovende techniek om te onderzoeken voor katalysatorbereiding en -activering. Zij kan homogene en gedispergeerde nanodeeltjes produceren zonder dat daarvoor dure instrumenten en extreme omstandigheden nodig zijn. (cf. Koshbin en Haghighi, 2014)

Ultrasoonmachines met hoge prestaties voor de synthese van mesoporeuze katalysatoren

Sonochemische apparatuur voor de synthese van hoogwaardige nanokatalysatoren is gemakkelijk verkrijgbaar in alle maten – van compacte ultrasoonapparatuur voor laboratoria tot volledig industriële ultrasoonreactoren. Hielscher Ultrasonics ontwerpt, vervaardigt en distribueert krachtige ultrasoonapparatuur. Alle ultrasoon systemen worden gemaakt in het hoofdkantoor in Teltow, Duitsland en van daaruit over de hele wereld gedistribueerd.
De geavanceerde hardware en slimme software van Hielscher ultrasoonapparaten zijn ontworpen om een betrouwbare werking, reproduceerbare resultaten en gebruiksvriendelijkheid te garanderen. De Hielscher ultrasooninstallaties zijn robuust en betrouwbaar, waardoor ze onder zware omstandigheden kunnen worden geïnstalleerd en gebruikt. Operationele instellingen kunnen eenvoudig worden opgevraagd en gekozen via een intuïtief menu, dat toegankelijk is via een digitaal kleuren touch-display en browser-afstandsbediening. Alle verwerkingscondities, zoals netto-energie, totale energie, amplitude, tijd, druk en temperatuur, worden automatisch geregistreerd op een ingebouwde SD-kaart. Dit stelt u in staat eerdere sonicatieruns te herzien en te vergelijken en de synthese en functionalisering van nanokatalysatoren te optimaliseren tot het hoogste rendement.
Hielscher ultrasoon systemen worden wereldwijd gebruikt voor sonochemische synthese processen en hebben bewezen betrouwbaar te zijn voor de synthese van hoge kwaliteit zeoliet nano-katalysatoren en zeoliet derivaten. Hielscher industriële ultrasooninstallaties kunnen gemakkelijk hoge amplitudes in continubedrijf (24/7/365) draaien. Amplitudes tot 200µm kunnen gemakkelijk continu worden gegenereerd met standaard sonotrodes (ultrasone sondes / hoorns). Voor nog hogere amplitudes zijn aangepaste ultrasone sonotroden beschikbaar. Vanwege hun robuustheid en geringe onderhoud worden onze ultrasoonapparaten vaak geïnstalleerd voor zware toepassingen en in veeleisende omgevingen.
Hielscher ultrasoonprocessoren voor sonochemische syntheses, functionalisering, nano-structurering 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, de ultrasone systemen en de prijzen!
Met het voordeel van de ultrasone synthese methode, zal uw mesoporeuze nano-katalysator productie uitblinken in efficiëntie, eenvoud en lage kosten in vergelijking met andere katalysator synthese processen!

Onderstaande tabel geeft een indicatie van de geschatte verwerkingscapaciteit van onze ultrasonicators: