Preparação ultrassónica de catalisadores para a conversão em éter dimetílico (DME)

O éter dimetílico (DME) é um combustível alternativo favorável, que pode ser sintetizado a partir de metanol, CO₂ ou gás de síntese por catálise. Para a conversão catalítica em DME, são necessários catalisadores potentes. Catalisadores mesoporosos de dimensão nanométrica, como zeólitos ácidos mesoporosos, zeólitos decorados ou catalisadores metálicos de dimensão nanométrica, como alumínio ou cobre, podem melhorar significativamente a conversão em DME. Os ultrassons de alta intensidade são a técnica superior para a preparação de nanocatalisadores altamente reativos. Saiba mais sobre como utilizar a sonicação para produzir catalisadores microporosos e mesoporosos com excelente reatividade e seletividade!

Catalisadores bifuncionais para a conversão direta em DME

A produção de éter dimetílico (DME) é um processo industrial bem estabelecido, dividido em duas etapas: primeiro, a hidrogenação catalítica do gás de síntese em metanol (CO / CO₂ + 3H₂ → CH₃OH + H₂HO) e, em segundo lugar, uma subsequente desidratação catalítica do metanol sobre catalisadores ácidos para produzir (2CH₃OH → CH₃OCH₃ + H₂O). A principal limitação desta síntese de DME em duas etapas está relacionada com a baixa termodinâmica durante a fase de síntese do metanol, que resulta numa baixa conversão do gás por passagem (15–25%). Consequentemente, verificam-se elevadas razões de recirculação, bem como elevados custos de investimento e de operação.
Para ultrapassar esta limitação termodinâmica, a síntese direta de DME é significativamente mais favorável: na conversão direta em DME, a etapa de síntese do metanol é acoplada à etapa de desidratação num único reator
(2CO / CO₂ + 6H₂ → CH₃OCH₃ + 3H₂O).

A síntese direta de DME permite aumentar os níveis de conversão por etapa, até 19%, o que significa reduções significativas dos custos de investimento e dos custos operacionais de produção de DME. Segundo estimativas, os custos de produção de DME por síntese direta são reduzidos em 20–30% em comparação com o processo convencional de conversão em duas etapas. Para operar a via de síntese direta de DME, é necessário um sistema catalítico híbrido bifuncional altamente eficiente. O catalisador necessário deve oferecer a funcionalidade de hidrogenação de CO / CO2 para a síntese de metanol e as funcionalidades ácidas que auxiliam a desidratação do metanol. (cf. Millán et al. 2020)

Síntese de catalisadores altamente reativos para a conversão em DME utilizando ultrassons de potência

A reatividade e a seletividade dos catalisadores para a conversão em éter dimetílico podem ser significativamente melhoradas através de tratamento ultrassónico. Zeólitos como os zeólitos ácidos (por exemplo, o zeólito de aluminossilicato HZSM-5) e os zeólitos decorados (por exemplo, com CuO/ZnO/Al₂O₃) são os principais catalisadores utilizados com sucesso na produção de DME.

A cloração e a fluoração de zeólitos são métodos eficazes para ajustar a acidez catalítica. No estudo da equipa de investigação de Aboul-Fotouh, os catalisadores zeolíticos clorados e fluorados foram preparados por impregnação de zeólitos (H-ZSM-5, H-MOR ou H-Y) utilizando dois precursores halogenados (cloreto de amónio e fluoreto de amónio). A influência da irradiação ultrassónica foi avaliada para otimizar ambos os precursores halogenados para a produção de éter dimetílico (DME) por desidratação de metanol num reator de leito fixo. Um ensaio comparativo de catálise de DME revelou que os catalisadores zeolíticos halogenados preparados sob irradiação ultrassónica apresentam um desempenho superior na formação de DME. (Aboul-Fotouh et al., 2016)
Noutro estudo, a equipa de investigação analisou todas as variáveis importantes da sonicação encontradas durante a desidratação de metanol sobre catalisadores zeolíticos H-MOR para produzir éter dimetílico. Para as suas experiências de sonicação, a equipa de investigação utilizou o sonicador de sonda Hielscher UP50H. As imagens de microscopia eletrónica de varrimento (SEM) do zeólito H-MOR sonicado (zeólito mordenite) esclareceram que o metanol, utilizado por si só como meio de sonicação, proporciona os melhores resultados relativamente à homogeneidade dos tamanhos das partículas, em comparação com o catalisador não tratado, no qual surgiram grandes aglomerados e agrupamentos não homogéneos. Estes resultados confirmaram que a sonicação tem um efeito profundo na resolução da célula unitária e, consequentemente, no comportamento catalítico da desidratação de metanol em éter dimetílico (DME). A NH3-TPD mostra que a irradiação ultrassónica aumentou a acidez do catalisador H-MOR e, consequentemente, o seu desempenho catalítico na formação de DME. (Aboul-Gheit et al., 2014)

Quase todo o DME comercial é produzido por desidratação de metanol utilizando diferentes catalisadores ácidos sólidos, como zeólitos, sílica–alumina, alumina, Al₂O₃–B₂O₃, etc., segundo a seguinte reação:
2CH₃OH <—> CH₃OCH₃ +H₂O(-22,6k jmol^-1)

Koshbin and Haghighi (2013) prepararam nanocatalisadores de CuO–ZnO–Al₂O₃/HZSM-5 através de um método combinado de coprecipitação e ultrassons. A equipa de investigação constatou «que a utilização de energia ultrassónica tem uma grande influência na dispersão da função de hidrogenação do CO e, consequentemente, no desempenho da síntese de DME. A durabilidade do nanocatalisador sintetizado com assistência de ultrassons foi investigada durante a reação de conversão de gás de síntese em DME. O nanocatalisador perde uma atividade negligenciável ao longo da reação devido à formação de coque sobre espécies de cobre.» [Khoshbin and Haghighi, 2013.]

Um nanocatalisador alternativo não zeolítico, que também é muito eficiente na promoção da conversão em DME, é um catalisador de γ-alumina porosa de dimensão nanométrica. A γ-alumina porosa de dimensão nanométrica foi sintetizada com sucesso por precipitação sob mistura ultrassónica. O tratamento sonoquímico promove a síntese de nanopartículas. (cf. Rahmanpour et al., 2012)

Porque são superiores os nanocatalisadores preparados por ultrassons?

A produção de catalisadores heterogéneos exige frequentemente materiais de elevado valor acrescentado, como metais preciosos. Isto torna os catalisadores dispendiosos e, por conseguinte, o aumento da eficiência e o prolongamento do ciclo de vida dos catalisadores são fatores económicos importantes. Entre os métodos de preparação de nanocatalisadores, a técnica sonoquímica é considerada um método altamente eficiente. A capacidade dos ultrassons para criar superfícies altamente reativas, melhorar a mistura e aumentar o transporte de massa torna esta técnica particularmente promissora para explorar na preparação e ativação de catalisadores. Pode produzir nanopartículas homogéneas e dispersas sem necessidade de instrumentos dispendiosos e condições extremas.
Em vários estudos de investigação, os cientistas chegam à conclusão de que a preparação ultrassónica de catalisadores é o método mais vantajoso para a produção de nanocatalisadores homogéneos. Entre os métodos de preparação de nanocatalisadores, a técnica sonoquímica é considerada um método altamente eficiente. A capacidade da sonicação intensa para criar superfícies altamente reativas, melhorar a mistura e aumentar o transporte de massa torna esta técnica particularmente promissora para explorar na preparação e ativação de catalisadores. Pode produzir nanopartículas homogéneas e dispersas sem necessidade de instrumentos dispendiosos e condições extremas. (cf. Koshbin and Haghighi, 2014)

Sonicadores de alto desempenho para a síntese de catalisadores mesoporosos

O equipamento sonoquímico para a síntese de nanocatalisadores de alto desempenho está prontamente disponível em qualquer dimensão – desde sonicadores compactos de laboratório até reatores ultrassónicos totalmente industriais. A Hielscher Ultrasonics concebe, fabrica e distribui sonicadores de alta potência. Todos os sistemas ultrassónicos são fabricados na sede em Teltow, Alemanha, e distribuídos a partir daí para todo o mundo.
O hardware sofisticado e o software inteligente dos sonicadores Hielscher foram concebidos para garantir um funcionamento fiável, resultados reprodutíveis e facilidade de utilização. Os sonicadores Hielscher são robustos e fiáveis, o que permite a sua instalação e operação em condições de serviço intensivo. As definições de funcionamento podem ser facilmente acedidas e ajustadas através de um menu intuitivo, acessível através de um ecrã tátil digital a cores e de controlo remoto por navegador. Assim, todas as condições de processamento, como energia líquida, energia total, amplitude, tempo, pressão e temperatura, são automaticamente registadas num cartão SD integrado. Isto permite rever e comparar operações de sonicação anteriores e otimizar a síntese e a funcionalização de nanocatalisadores para a máxima eficiência.
Os sistemas Hielscher Ultrasonics são utilizados em todo o mundo em processos de síntese sonoquímica e demonstraram ser fiáveis na síntese de nanocatalisadores zeolíticos de elevada qualidade, bem como de derivados de zeólitos. Os sonicadores industriais Hielscher podem operar facilmente com amplitudes elevadas em funcionamento contínuo (24/7/365). Amplitudes de até 200µm podem ser facilmente geradas de forma contínua com sonotrodos padrão (sondas ultrassónicas / cornetas). Para amplitudes ainda mais elevadas, estão disponíveis sonotrodos ultrassónicos personalizados. Devido à sua robustez e reduzida necessidade de manutenção, os nossos sonicadores são frequentemente instalados para aplicações de serviço intensivo e em ambientes exigentes.
Os processadores ultrassónicos Hielscher para sínteses sonoquímicas, funcionalização, nanoestruturação e desaglomeração já estão instalados em todo o mundo à escala comercial. Contacte-nos agora para discutir o seu processo de fabrico de nanocatalisadores! A nossa equipa experiente terá todo o gosto em partilhar mais informações sobre a via de síntese sonoquímica, os sistemas ultrassónicos e os preços!
Com a vantagem do método de síntese ultrassónica, a sua produção de nanocatalisadores mesoporosos destacar-se-á pela eficiência, simplicidade e baixo custo em comparação com outros processos de síntese de catalisadores!

A tabela abaixo dá-lhe uma indicação da capacidade aproximada de processamento dos nossos sonicadores: