Preparação ultrassônica de catalisadores para conversão de eter dimetil (DME)

Éter de dimetila (DME) é um combustível alternativo favorável, que pode ser sintetizado a partir de metanol, CO₂ ou syngas através da catálise. Para a conversão catalítica ao DME, catalisadores potentes são necessários. Catalisadores mesoporos do tamanho nano, como zeólitos ácidos mesoporos, zeólitos decorados ou catalisadores metálicos nano-tamanho, como alumínio ou cobre, podem melhorar significativamente a conversão de DME. Ultrassom de alta intensidade é a técnica superior para a preparação de nano-catalisadores altamente reativos. Saiba mais sobre como usar a ultrassonação para a produção de catalisadores micro e mesoporos com excelente reatividade e seletividade!

Catalisadores Bifunctional para Conversão Direta de DME

A produção de éter dimetila (DME) é um processo industrial bem estabelecido que é dividido em duas etapas: primeiro, a hidrogenação catalítica de sinagas em metanol (CO/ CO₂ + 3H₂ →₃OH + H₂HO) e em segundo lugar, uma subsequente desidratação catalítica do metanol sobre catalisadores ácidos para produzir (2CH₃OH → CH₃OCH₃ + H₂O). A maior limitação dessa síntese DME de duas etapas está relacionada à baixa termodinâmica durante a fase da síntese de metanol, o que resulta em uma baixa conversão de gás por passe (15-25%). Assim, estão ocorrendo altas taxas de recirculação, bem como altos custos de capital e operação.
Para superar essa limitação termodinâmica, a síntese direta de DME é significativamente mais favorável: Na conversão direta de DME, a etapa de síntese de metanol é acoplada com a etapa de desidratação em um único reator
(2CO / CO)₂ + 6H₂ →₃OCH₃ + 3H₂O).

A síntese direta do DME permite aumentar os níveis de conversão por etapa, em até 19%, o que significa reduções significativas de custos em relação ao investimento e ao custo de produção operacional do DME. Com base em estimativas, o custo de produção do DME em síntese direta é reduzido em 20-30% quando comparado ao processo convencional de conversão em duas etapas. Para operar a via de síntese DME direta, é necessário um sistema catalítico híbrido altamente eficiente. O catalisador necessário deve oferecer a funcionalidade para a hidrogenação co/CO2 para a síntese de metanol e as funcionalidades ácidas, que auxiliam na desidratação do metanol. (cf. Millán et al. 2020)

Síntese de catalisadores altamente reativos para conversão de DME usando power-ultrasound

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

Cloração e fluoretação de zeólitos são métodos eficazes para ajustar a acidez catalítica. Os catalisadores de zeólito clorado e fluorado foram preparados pela impregnação de zeólitos (H-ZSM-5, H-MOR ou H-Y) usando dois precursores halógenos (cloreto de amônio e flúor de amônio) no estudo pela equipe de pesquisa de Aboul-Fotouh. A influência da irradiação ultrassônica foi avaliada para otimizar ambos os precursores halógenos para produção de dimetilether (DME) através de desidratação de metanol em um reator de leito fixo. O estudo comparativo de catálise DME revelou que os catalisadores de zeólito halogenado preparados sob irradiação ultrassônica mostram maior desempenho para a formação de DME. (Aboul-Fotouh et al., 2016)
Em outro estudo, a equipe de pesquisa investigou todas as importantes variáveis de ultrassonação encontradas durante a realização da desidratação do metanol em catalisadores zeólitos H-MOR para produzir dimetilether. Para seus eperimentos de Sonication, a equipe de pesquisa usou o Hielscher UP50H tipo ultrassônico. A imagem do microscópio eletrônico de varredura (SEM) do zeólito H-MOR sonicado (Mordenite zeolite) esclareceu que o metanol por si só usado como meio de ultrassônica dá os melhores resultados sobre a homogeneidade dos tamanhos de partículas em comparação com o catalisador não tratado, onde grandes aglomerações aglomeradas e aglomerados não homogêneos apareceram. Esses achados atestaram que a ultrassônica tem um efeito profundo na resolução celular da unidade e, portanto, no comportamento catallítico da desidratação do metanol ao éter de dimetila (DME). O NH3-TPD mostra que a irradiação de ultrassom aumentou a acidez do catalisador H-MOR e, portanto, é um desempenho catalítico para a formação de DME. (Aboul-Gheit et al., 2014)

Quase todos os DME comerciais são produzidos pela desidratação do metanol usando diferentes catalisadores de ácido sólido, como zeólitos, sillica-alumina, alumina, Al₂O₃–B₂O₃, etc. pela seguinte reação:
2CH₃AH <—> Ch₃OCH₃ +H₂O (-22.6k jmol^{-1 de})

Koshbin e Haghighi (2013) prepararam CuO-ZnO-Al₂O₃/HZSM-5 nanocatalysts através de um método combinado de co-precipitação-ultrassom. A equipe de pesquisa descobriu "que o uso de energia de ultrassom tem grande influência na dispersão da função de hidrogenação de CO e, consequentemente, no desempenho da síntese do DME. A durabilidade do ultrassom assistido nanocatalyst foi investigada durante a reação de syngas à DME. O nanocatalyst perde atividade insignificante ao longo da reação devido à formação de coque em espécies de cobre." [Khoshbin e Haghighi, 2013.]

Um nano-catalisador alternativo não zeólito, que também é muito eficiente na promoção da conversão DME, é um catalisador poroso de γ-alumina de tamanho nano-tamanho. A γ alumina porosa de tamanho nano-tamanho foi sintetizada com sucesso pela precipitação sob a mistura ultrassônica. O tratamento sonológico promove a síntese de nanopartículas. (cf. Rahmanpour et al., 2012)

Por que nano-catalisadores ultrasonicamente preparados são superiores?

Para a produção de catalisadores heterogêneos muitas vezes são necessários materiais de alto valor agregado, como metais preciosos. Isso torna os catalisadores caros e, portanto, o aprimoramento da eficiência, bem como a extensão do ciclo de vida dos catalisadores são fatores econômicos importantes. Entre os métodos de preparação dos nanocatalístes, a técnica sonoquímica é considerada como um método altamente eficiente. A capacidade do ultrassom de criar superfícies altamente reativas, melhorar a mistura e aumentar o transporte de massa torna-se uma técnica particularmente promissora para explorar para a preparação e ativação do catalisador. Pode produzir nanopartículas homogêneas e dispersas sem necessidade de instrumentos caros e condições extremas.
Em vários estudos, os cientistas chegam à conclusão de que a preparação de catalisadores ultrassônicos é o método mais vantajoso para a produção de nano-catalisadores homogêneos. Entre os métodos de preparação dos nanocatalístes, a técnica sonoquímica é considerada como um método altamente eficiente. A capacidade de sonicação intensa para criar superfícies altamente reativas, melhorar a mistura e aumentar o transporte de massa torna-se uma técnica particularmente promissora para explorar para a preparação e ativação de catalisadores. Pode produzir nanopartículas homogêneas e dispersas sem necessidade de instrumentos caros e condições extremas. (cf. Koshbin e Haghighi, 2014)

Ultrassonicadores de alto desempenho para a Síntese de Catalisadores Mesoporos

Equipamentos sonográficos para a síntese de nano-catalisadores de alto desempenho estão prontamente disponíveis em qualquer tamanho – de ultrassonicadores de laboratório compactos a reatores ultrassônicos totalmente industriais. Hielscher Ultrasonics projeta, fabrica e distribui ultrassonicadores de alta potência. Todos os sistemas ultrassônicos são fabricados na sede em Teltow, Alemanha e distribuídos de lá em todo o mundo.
O hardware sofisticado e o software inteligente dos ultrassonicadores Hielscher são projetados para garantir uma operação confiável, resultados reprodutíveis, bem como a simpatia do usuário. Os ultrassonicadores Hielscher são robustos e confiáveis, o que permite ser instalado e operado sob condições pesadas de serviço. As configurações operacionais podem ser facilmente acessadas e discadas através do menu intuitivo, que pode ser acessado através de tela de toque de cores digitais e controle remoto do navegador. Portanto, todas as condições de processamento, como energia líquida, energia total, amplitude, tempo, pressão e temperatura são automaticamente registradas em um cartão SD embutido. Isso permite que você revise e compare as corridas de sônica anteriores e otimize a síntese e a funcionalidade dos nano catalisadores com a maior eficiência.
Os sistemas Hielscher Ultrasonics são usados em todo o mundo para processos de síntese sonora e são comprovadamente confiáveis para a síntese de nano-catalisadores zeolite de alta qualidade, bem como derivados zeolite. Os ultrassonicadores industriais hielscher podem facilmente executar altas amplitudes em operação contínua (24/7/365). Amplitudes de até 200μm podem ser facilmente geradas continuamente com sonotrodes padrão (sondas ultrassônicas/chifres). Para amplitudes ainda maiores, sonotrodes ultrassônicos personalizados estão disponíveis. Devido à sua robustez e baixa manutenção, nossos ultrassonicadores são comumente instalados para aplicações pesadas e em ambientes exigentes.
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Com a vantagem do método de síntese ultrassônica, sua produção de nano-catalisadores mesopoos se destacará em eficiência, simplicidade e baixo custo quando comparada a outros processos de síntese catalisador!

A tabela abaixo dá-lhe uma indicação da capacidade de processamento aproximado de nossos ultrasonicators: