Ultradźwiękowe przygotowanie katalizatorów do konwersji do eteru dimetylowego (DME)

Eter dimetylowy (DME) jest korzystnym paliwem alternatywnym, które można syntetyzować z metanolu, CO₂ lub gazu syntezowego w procesie katalitycznym. Do katalitycznej konwersji do DME potrzebne są skuteczne katalizatory. Mezoporowate katalizatory o rozmiarach nanometrycznych, takie jak mezoporowate zeolity kwasowe, zeolity dekorowane lub metaliczne katalizatory o rozmiarach nanometrycznych, takie jak glin lub miedź, mogą znacznie poprawić konwersję do DME. Ultradźwięki o wysokiej intensywności stanowią najlepszą technikę przygotowania wysoce reaktywnych nanokatalizatorów. Dowiedz się więcej o wykorzystaniu sonikacji do produkcji mikro- i mezoporowatych katalizatorów o doskonałej reaktywności i selektywności!

Katalizatory dwufunkcyjne do bezpośredniej konwersji do DME

Produkcja eteru dimetylowego (DME) jest dobrze ugruntowanym procesem przemysłowym podzielonym na dwa etapy: pierwszy to katalityczne uwodornienie gazu syntezowego do metanolu (CO / CO₂ + 3H₂ → CH₃OH + H₂HO), a drugi to następujące po nim katalityczne odwodnienie metanolu na katalizatorach kwasowych w celu wytworzenia (2CH₃OH → CH₃OCH₃ + H₂O). Główne ograniczenie tej dwuetapowej syntezy DME wiąże się z niską termodynamiką na etapie syntezy metanolu, co skutkuje niskim stopniem konwersji gazu podczas pojedynczego przejścia (15–25%). W związku z tym występują wysokie współczynniki recyrkulacji oraz wysokie koszty inwestycyjne i operacyjne.
Aby pokonać to ograniczenie termodynamiczne, znacznie korzystniejsza jest bezpośrednia synteza DME: w bezpośredniej konwersji do DME etap syntezy metanolu jest połączony z etapem odwodnienia w jednym reaktorze
(2CO / CO₂ + 6H₂ → CH₃OCH₃ + 3H₂O).

Bezpośrednia synteza DME pozwala zwiększyć stopień konwersji w każdym etapie do 19%, co oznacza znaczne obniżenie kosztów inwestycyjnych i operacyjnych produkcji DME. Według szacunków koszty produkcji DME w syntezie bezpośredniej są niższe o 20–30% w porównaniu z konwencjonalnym dwuetapowym procesem konwersji. Do prowadzenia bezpośredniej syntezy DME niezbędny jest wysoce wydajny hybrydowy dwufunkcyjny układ katalityczny. Wymagany katalizator musi zapewniać funkcję uwodornienia CO / CO2 do syntezy metanolu oraz funkcje kwasowe wspomagające odwodnienie metanolu. (por. Millán et al. 2020)

Synteza wysoce reaktywnych katalizatorów do konwersji do DME z wykorzystaniem ultradźwięków dużej mocy

Reaktywność i selektywność katalizatorów do konwersji do eteru dimetylowego można znacznie poprawić przez obróbkę ultradźwiękową. Zeolity, takie jak zeolity kwasowe (np. zeolit glinokrzemianowy HZSM-5) i zeolity dekorowane (np. CuO/ZnO/Al₂O₃), są głównymi katalizatorami z powodzeniem stosowanymi do produkcji DME.

Chlorowanie i fluorowanie zeolitów to skuteczne metody regulacji kwasowości katalitycznej. W badaniu zespołu badawczego Aboul-Fotouh chlorowane i fluorowane katalizatory zeolitowe przygotowano przez impregnację zeolitów (H-ZSM-5, H-MOR lub H-Y) przy użyciu dwóch prekursorów halogenowych (chlorku amonu i fluorku amonu). Oceniono wpływ oddziaływania ultradźwięków w celu optymalizacji obu prekursorów halogenowych do produkcji eteru dimetylowego (DME) przez odwodnienie metanolu w reaktorze ze złożem stałym. Porównawcze badanie katalizy DME wykazało, że halogenowane katalizatory zeolitowe przygotowane pod działaniem ultradźwięków wykazują wyższą wydajność tworzenia DME. (Aboul-Fotouh et al., 2016)
W innym badaniu zespół badawczy analizował wszystkie istotne zmienne sonikacji występujące podczas prowadzenia odwodnienia metanolu na katalizatorach zeolitowych H-MOR w celu wytworzenia eteru dimetylowego. W eksperymentach z sonikacją zespół badawczy wykorzystał sonikator sondowy Hielscher UP50H. Obrazowanie sonikowanego zeolitu H-MOR (zeolitu mordenitowego) za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego (SEM) wykazało, że sam metanol stosowany jako medium do sonikacji daje najlepsze wyniki pod względem jednorodności rozmiarów cząstek w porównaniu z katalizatorem niepoddanym obróbce, w którym występowały duże aglomeraty i niejednorodne skupiska. Wyniki te potwierdziły, że sonikacja ma głęboki wpływ na rozdzielczość komórki elementarnej, a tym samym na zachowanie katalityczne podczas odwodnienia metanolu do eteru dimetylowego (DME). NH3-TPD pokazuje, że oddziaływanie ultradźwięków zwiększyło kwasowość katalizatora H-MOR, a tym samym jego wydajność katalityczną w tworzeniu DME. (Aboul-Gheit et al., 2014)

Niemal cały DME dostępny w handlu jest produkowany przez odwodnienie metanolu przy użyciu różnych stałych katalizatorów kwasowych, takich jak zeolity, krzemionka–tlenek glinu, tlenek glinu, Al₂O₃–B₂O₃, itd., zgodnie z następującą reakcją:
2CH₃OH <—> CH₃OCH₃ +H₂O(-22,6k jmol^-1)

Koshbin and Haghighi (2013) przygotowali nanokatalizatory CuO–ZnO–Al₂O₃/HZSM-5 za pomocą połączonej metody współstrącania i obróbki ultradźwiękowej. Zespół badawczy stwierdził, „że zastosowanie energii ultradźwiękowej ma duży wpływ na dyspersję funkcji uwodornienia CO, a w konsekwencji na wydajność syntezy DME. Trwałość nanokatalizatora syntetyzowanego przy wspomaganiu ultradźwiękami badano podczas reakcji przekształcania gazu syntezowego do DME. W trakcie reakcji nanokatalizator traci znikomo małą część aktywności z powodu tworzenia się koksu na formach miedzi”. [Khoshbin and Haghighi, 2013.]

Alternatywnym nanokatalizatorem niezeolitowym, który również bardzo skutecznie wspomaga konwersję do DME, jest porowaty katalizator z γ-tlenku glinu o rozmiarach nanometrycznych. Porowaty γ-tlenek glinu o rozmiarach nanometrycznych z powodzeniem zsyntetyzowano przez strącanie podczas mieszania ultradźwiękowego. Obróbka sonochemiczna wspomaga syntezę nanocząstek. (por. Rahmanpour et al., 2012)

Dlaczego nanokatalizatory przygotowane ultradźwiękowo są lepsze?

Do produkcji katalizatorów heterogenicznych często potrzebne są materiały o wysokiej wartości dodanej, takie jak metale szlachetne. Sprawia to, że katalizatory są drogie, dlatego zwiększenie ich wydajności oraz wydłużenie cyklu życia stanowią ważne czynniki ekonomiczne. Wśród metod przygotowania nanokatalizatorów technika sonochemiczna jest uznawana za metodę wysoce wydajną. Zdolność ultradźwięków do tworzenia wysoce reaktywnych powierzchni, poprawy mieszania i zwiększania transportu masy sprawia, że jest to szczególnie obiecująca technika do zbadania pod kątem przygotowania i aktywacji katalizatorów. Umożliwia wytwarzanie jednorodnych i zdyspergowanych nanocząstek bez potrzeby stosowania drogich przyrządów i ekstremalnych warunków.
W kilku badaniach naukowcy doszli do wniosku, że ultradźwiękowe przygotowanie katalizatorów jest najkorzystniejszą metodą produkcji jednorodnych nanokatalizatorów. Wśród metod przygotowania nanokatalizatorów technika sonochemiczna jest uznawana za metodę wysoce wydajną. Zdolność intensywnej sonikacji do tworzenia wysoce reaktywnych powierzchni, poprawy mieszania i zwiększania transportu masy sprawia, że jest to szczególnie obiecująca technika do zbadania pod kątem przygotowania i aktywacji katalizatorów. Umożliwia wytwarzanie jednorodnych i zdyspergowanych nanocząstek bez potrzeby stosowania drogich przyrządów i ekstremalnych warunków. (por. Koshbin and Haghighi, 2014)

Sonikatory o wysokiej wydajności do syntezy katalizatorów mezoporowatych

Sprzęt sonochemiczny do syntezy nanokatalizatorów o wysokiej wydajności jest łatwo dostępny w dowolnej wielkości – od kompaktowych sonikatorów laboratoryjnych po w pełni przemysłowe reaktory ultradźwiękowe. Hielscher Ultrasonics projektuje, produkuje i dystrybuuje sonikatory dużej mocy. Wszystkie systemy ultradźwiękowe są wytwarzane w siedzibie głównej w Teltow w Niemczech i stamtąd dystrybuowane na cały świat.
Zaawansowany sprzęt i inteligentne oprogramowanie sonikatorów Hielscher zostały zaprojektowane tak, aby zagwarantować niezawodne działanie, powtarzalne wyniki oraz łatwość obsługi. Sonikatory Hielscher są wytrzymałe i niezawodne, co umożliwia ich instalację i eksploatację w trudnych warunkach pracy. Ustawienia robocze można łatwo otwierać i regulować za pomocą intuicyjnego menu dostępnego na cyfrowym kolorowym wyświetlaczu dotykowym oraz przez zdalne sterowanie w przeglądarce. Dzięki temu wszystkie warunki przetwarzania, takie jak energia netto, energia całkowita, amplituda, czas, ciśnienie i temperatura, są automatycznie rejestrowane na wbudowanej karcie SD. Umożliwia to przeglądanie i porównywanie wcześniejszych przebiegów sonikacji oraz optymalizację syntezy i funkcjonalizacji nanokatalizatorów w celu uzyskania najwyższej wydajności.
Systemy Hielscher Ultrasonics są stosowane na całym świecie w procesach syntezy sonochemicznej i mają potwierdzoną niezawodność w syntezie wysokiej jakości nanokatalizatorów zeolitowych oraz pochodnych zeolitów. Przemysłowe sonikatory Hielscher mogą z łatwością pracować przy wysokich amplitudach w trybie ciągłym (24/7/365). Amplitudy do 200µm można z łatwością generować w sposób ciągły przy użyciu standardowych sonotrod (sond ultradźwiękowych / sonotrod). Dla jeszcze wyższych amplitud dostępne są sonotrody ultradźwiękowe wykonywane na zamówienie. Ze względu na wytrzymałość i niewielkie wymagania konserwacyjne nasze sonikatory są powszechnie instalowane do zastosowań w trudnych warunkach pracy i wymagających środowiskach.
Procesory ultradźwiękowe Hielscher do syntez sonochemicznych, funkcjonalizacji, nanostrukturyzacji i deaglomeracji są już zainstalowane na całym świecie w skali komercyjnej. Skontaktuj się z nami już teraz, aby omówić swój proces produkcji nanokatalizatorów! Nasz doświadczony personel chętnie przekaże więcej informacji o ścieżce syntezy sonochemicznej, systemach ultradźwiękowych i cenach!
Dzięki zaletom metody syntezy ultradźwiękowej Twoja produkcja mezoporowatych nanokatalizatorów będzie wyróżniać się wydajnością, prostotą i niskimi kosztami w porównaniu z innymi procesami syntezy katalizatorów!

Poniższa tabela przedstawia orientacyjną wydajność przetwarzania naszych sonikatorów: