Ultradźwiękowe przygotowanie katalizatorów do konwersji eteru dimetylowego (DME)

Eter dimetylowy (DME) jest korzystnym paliwem alternatywnym, które może być syntetyzowane z metanolu, CO₂ lub gazu syntezowego poprzez katalizę. Do katalitycznej konwersji do DME wymagane są silne katalizatory. Nanowymiarowe mezoporowate katalizatory, takie jak mezoporowate kwaśne zeolity, dekorowane zeolity lub nanowymiarowe katalizatory metalowe, takie jak aluminium lub miedź, mogą znacznie poprawić konwersję DME. Ultradźwięki o wysokiej intensywności są doskonałą techniką przygotowania wysoce reaktywnych nanokatalizatorów. Dowiedz się więcej o tym, jak używać ultradźwięków do produkcji mikro- i mezoporowatych katalizatorów o doskonałej reaktywności i selektywności!

Dwufunkcyjne katalizatory do bezpośredniej konwersji DME

Produkcja eteru dimetylowego (DME) jest dobrze ugruntowanym procesem przemysłowym, który dzieli się na dwa etapy: po pierwsze, katalityczne uwodornienie gazu syntezowego do metanolu (CO / CO₂ + 3H₂ → CH₃OH + H₂HO), a następnie katalityczne odwodnienie metanolu na katalizatorach kwasowych z wytworzeniem (2CH₃OH → CH₃OCH₃ + H₂O). Główne ograniczenie tej dwuetapowej syntezy DME jest związane z niską termodynamiką w fazie syntezy metanolu, co skutkuje niską konwersją gazu na przejście (15-25%). W związku z tym występują wysokie współczynniki recyrkulacji, a także wysokie koszty kapitałowe i operacyjne.
Aby przezwyciężyć to ograniczenie termodynamiczne, bezpośrednia synteza DME jest znacznie bardziej korzystna: W bezpośredniej konwersji DME etap syntezy metanolu jest połączony z etapem odwodnienia w jednym reaktorze
(2CO / CO₂ + 6H₂ → CH₃OCH₃ + 3H₂O).

Bezpośrednia synteza DME pozwala na zwiększenie poziomu konwersji na etap do 19%, co oznacza znaczne obniżenie kosztów inwestycyjnych i operacyjnych produkcji DME. Na podstawie szacunków, koszty produkcji DME w bezpośredniej syntezie są zmniejszone o 20-30% w porównaniu do konwencjonalnego dwuetapowego procesu konwersji. Do prowadzenia bezpośredniej syntezy DME niezbędny jest wysoce wydajny hybrydowy dwufunkcyjny układ katalityczny. Wymagany katalizator musi oferować funkcjonalność uwodornienia CO / CO2 do syntezy metanolu oraz funkcje kwasowe, które wspomagają odwodnienie metanolu. (por. Millán et al. 2020)

Synteza wysoce reaktywnych katalizatorów do konwersji DME przy użyciu ultradźwięków

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

Chlorowanie i fluorowanie zeolitów są skutecznymi metodami dostrajania kwasowości katalitycznej. Chlorowane i fluorowane katalizatory zeolitowe zostały przygotowane przez impregnację zeolitów (H-ZSM-5, H-MOR lub H-Y) przy użyciu dwóch prekursorów halogenowych (chlorku amonu i fluorku amonu) w badaniu przeprowadzonym przez zespół badawczy Aboul-Fotouh. Wpływ napromieniowania ultradźwiękowego został oceniony pod kątem optymalizacji obu prekursorów halogenowych do produkcji eteru dimetylowego (DME) poprzez odwodnienie metanolu w reaktorze ze złożem stałym. Porównawcza próba katalizy DME wykazała, że halogenowane katalizatory zeolitowe przygotowane pod wpływem promieniowania ultradźwiękowego wykazują wyższą wydajność w tworzeniu DME. (Aboul-Fotouh et al., 2016)
W innym badaniu zespół badawczy zbadał wszystkie ważne zmienne ultradźwiękowe napotkane podczas przeprowadzania odwodnienia metanolu na katalizatorach zeolitowych H-MOR w celu wytworzenia eteru dimetylowego. Do swoich eksperymentów z sonikacją zespół badawczy wykorzystał metodę Ultradźwiękowiec z sondą UP50H firmy Hielscher. Skaningowy mikroskop elektronowy (SEM) obrazujący sonikowany zeolit H-MOR (zeolit Mordenite) wyjaśnił, że sam metanol stosowany jako medium ultradźwiękowe daje najlepsze wyniki dotyczące jednorodności wielkości cząstek w porównaniu z nieobrobionym katalizatorem, w którym pojawiły się duże aglomeraty i niejednorodne skupiska. Odkrycia te poświadczyły, że ultradźwięki mają głęboki wpływ na rozdzielczość komórek jednostkowych, a tym samym na zachowanie katalityczne odwodnienia metanolu do eteru dimetylowego (DME). NH3-TPD pokazuje, że napromieniowanie ultradźwiękami zwiększyło kwasowość katalizatora H-MOR, a tym samym jego wydajność katalityczną w tworzeniu DME. (Aboul-Gheit et al., 2014)

Prawie cały komercyjny DME jest wytwarzany przez odwodnienie metanolu przy użyciu różnych stałych katalizatorów kwasowych, takich jak zeolity, tlenek glinu, tlenek glinu, Al₂O₃-B₂O₃itd. poprzez następującą reakcję:
2CH₃OH <—> CH₃OCH₃ +H₂O(-22,6k jmol^-1)

Koshbin i Haghighi (2013) przygotowali CuO-ZnO-Al₂O₃/HZSM-5 za pomocą połączonej metody współstrącania i ultradźwięków. Zespół badawczy stwierdził, że "zastosowanie energii ultradźwiękowej ma duży wpływ na dyspersję funkcji uwodornienia CO, a w konsekwencji na wydajność syntezy DME. Trwałość wspomaganego ultradźwiękami zsyntetyzowanego nanokatalizatora badano podczas reakcji syngazu z DME. Nanokatalizator traci znikomą aktywność w trakcie reakcji z powodu tworzenia się koksu na gatunkach miedzi." [Khoshbin i Haghighi, 2013].

Alternatywnym nanokatalizatorem niezeolitowym, który jest również bardzo skuteczny w promowaniu konwersji DME, jest nanorozmiarowy porowaty katalizator γ-tlenku glinu. Nanorozmiarowy porowaty tlenek glinu γ został z powodzeniem zsyntetyzowany przez wytrącanie pod wpływem mieszania ultradźwiękowego. Obróbka sonochemiczna sprzyja syntezie nanocząstek. (por. Rahmanpour et al., 2012)

Dlaczego ultradźwiękowo przygotowane nanokatalizatory są lepsze?

Do produkcji katalizatorów heterogenicznych często wymagane są materiały o wysokiej wartości dodanej, takie jak metale szlachetne. To sprawia, że katalizatory są drogie, a zatem poprawa wydajności, jak również wydłużenie cyklu życia katalizatorów są ważnymi czynnikami ekonomicznymi. Wśród metod przygotowania nanokatalizatorów, technika sonochemiczna jest uważana za wysoce skuteczną metodę. Zdolność ultradźwięków do tworzenia wysoce reaktywnych powierzchni, poprawy mieszania i zwiększenia transportu masy sprawia, że jest to szczególnie obiecująca technika do zbadania w celu przygotowania i aktywacji katalizatora. Może wytwarzać jednorodne i zdyspergowane nanocząstki bez potrzeby stosowania drogich instrumentów i ekstremalnych warunków.
W kilku badaniach naukowcy doszli do wniosku, że ultradźwiękowe przygotowanie katalizatora jest najkorzystniejszą metodą produkcji homogenicznych nanokatalizatorów. Wśród metod przygotowania nanokatalizatorów, technika sonochemiczna jest uważana za wysoce skuteczną metodę. Zdolność intensywnej sonikacji do tworzenia wysoce reaktywnych powierzchni, poprawy mieszania i zwiększenia transportu masy czyni ją szczególnie obiecującą techniką do badania przygotowania i aktywacji katalizatorów. Może wytwarzać jednorodne i rozproszone nanocząstki bez potrzeby stosowania drogich instrumentów i ekstremalnych warunków. (por. Koshbin i Haghighi, 2014)

Wysokowydajne ultradźwięki do syntezy mezoporowatych katalizatorów

Sprzęt sonochemiczny do syntezy wysokowydajnych nanokatalizatorów jest łatwo dostępny w dowolnym rozmiarze – od kompaktowych ultrasonografów laboratoryjnych po w pełni przemysłowe reaktory ultradźwiękowe. Hielscher Ultrasonics projektuje, produkuje i dystrybuuje ultrasonografy dużej mocy. Wszystkie systemy ultradźwiękowe są produkowane w siedzibie głównej w Teltow w Niemczech i stamtąd dystrybuowane na całym świecie.
Zaawansowany sprzęt i inteligentne oprogramowanie ultrasonografów Hielscher zostały zaprojektowane tak, aby zagwarantować niezawodne działanie, powtarzalne wyniki, a także łatwość obsługi. Ultradźwięki Hielscher są solidne i niezawodne, co pozwala na instalację i obsługę w ciężkich warunkach. Ustawienia operacyjne są łatwo dostępne i wybierane za pomocą intuicyjnego menu, do którego można uzyskać dostęp za pomocą cyfrowego kolorowego wyświetlacza dotykowego i pilota przeglądarki. W związku z tym wszystkie warunki przetwarzania, takie jak energia netto, energia całkowita, amplituda, czas, ciśnienie i temperatura są automatycznie rejestrowane na wbudowanej karcie SD. Pozwala to na rewizję i porównanie poprzednich przebiegów sonikacji oraz optymalizację syntezy i funkcjonalizacji nanokatalizatorów do najwyższej wydajności.
Systemy Hielscher Ultrasonics są stosowane na całym świecie w procesach syntezy sonochemicznej i okazały się niezawodne w syntezie wysokiej jakości nanokatalizatorów zeolitowych, jak również pochodnych zeolitu. Przemysłowe ultrasonografy firmy Hielscher mogą z łatwością pracować z wysokimi amplitudami w trybie ciągłym (24/7/365). Amplitudy do 200 µm można łatwo generować w sposób ciągły za pomocą standardowych sonotrod (sondy ultradźwiękowe / rogi). Dla jeszcze wyższych amplitud dostępne są dostosowane sonotrody ultradźwiękowe. Ze względu na swoją wytrzymałość i niskie koszty utrzymania, nasze ultradźwięki są powszechnie instalowane w ciężkich zastosowaniach i wymagających środowiskach.
Procesory ultradźwiękowe Hielscher do syntez sonochemicznych, funkcjonalizacji, nanostrukturyzacji i deaglomeracji są już instalowane na całym świecie na skalę komercyjną. Skontaktuj się z nami już teraz, aby omówić proces produkcji nanokatalizatorów! Nasz doświadczony personel chętnie podzieli się dodatkowymi informacjami na temat ścieżki syntezy sonochemicznej, systemów ultradźwiękowych i cen!
Dzięki zaletom metody syntezy ultradźwiękowej, produkcja mezoporowatych nanokatalizatorów będzie wyróżniać się wydajnością, prostotą i niskimi kosztami w porównaniu z innymi procesami syntezy katalizatorów!

Poniższa tabela przedstawia przybliżoną wydajność przetwarzania naszych ultradźwiękowców: