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

O ultrassônico UIP2000hdT (2kW) com reator de fluxo é uma configuração comumente usada para a síntese sonoquímica de nanocatalístes mesopoos (por exemplo, zeolitos decorados).

Síntese direta de éter de dimetila (DME) de syngas no catalisador bifunctional.
(© 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.

Síntese híbrida de co-precipitação-ultrassom de CuO-ZnO-Al2O3/HZSM-5 usado em conver-sion direto de sinagas para éter de dimetila como combustível verde.
Estudo e imagem: Khoshbin e Haghighi, 2013.]
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)

SEM de H-MOR ultrassônico usando diferentes mídias
Estudo e fotos: ©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)

A síntese sonológica resulta em um catalisador ultraestruso altamente ativo nanoestruso CuO-ZnO-Al2O3/HZSM-5.
Estudo e imagem: Khoshbin e Haghighi, 2013.

Apresentação esquemática dos efeitos da cavitação acústica na modificação de partículas metálicas. Metais com baixo ponto de fusão (MP) como zinco (Zn) são completamente oxidados; metais com um alto ponto de fusão como níquel (Ni) e titânio (Ti) exibem modificação de superfície sob sônica. Alumínio (Al) e magnésio (Mg) formam estruturas mesoporosas. Os metais nobel são resistentes à irradiação de ultrassom devido à sua estabilidade contra a oxidação. Os pontos de fusão dos metais são especificados em graus Kelvin (K).
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.
Os processadores ultrassônicos hielscher para sínteses sonoquímicas, funcionalização, nanoestruturação e desagglomeração já estão instalados em todo o mundo em escala comercial. Entre em contato conosco agora para discutir seu processo de fabricação de nano-catalisadores! Nossa equipe bem experiente ficará feliz em compartilhar mais informações sobre o caminho da síntese sonora, sistemas ultrassônicos e preços!
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:
Volume batch | Quociente de vazão | Dispositivos Recomendados |
---|---|---|
1 a 500mL | 10 a 200 mL / min | UP100H |
10 a 2000 mL | 20 a 400 mL / min | UP200Ht, UP400St |
0.1 a 20L | 00,2 a 4 L / min | UIP2000hdT |
10 a 100L | 2 de 10L / min | UIP4000hdT |
n / D. | 10 a 100L / min | UIP16000 |
n / D. | maior | aglomerado de UIP16000 |
Contate-Nos! / Pergunte-nos!

Dr. Andreeva-Bäumler, Universidade de Bayreuth, está trabalhando com o ultrassônico UIP1000hdT na nanoestruturação de metais, a fim de obter catalisadores superiores.
Literatura / Referências
- Ahmed, K.; Sameh, M.; Laila, I.; Naghmash, Mona (2014): Ultrasonication of H-MOR zeolite catalysts for dimethylether (DME) production as a clean fuel. Journal of Petroleum Technology and Alternative Fuels 5, 2014. 13-25.
- Reza Khoshbin, Mohammad Haghighi (2013): Direct syngas to DME as a clean fuel: The beneficial use of ultrasound for the preparation of CuO–ZnO–Al2O3/HZSM-5 nanocatalyst. Chemical Engineering Research and Design, Volume 91, Issue 6, 2013. 1111-1122.
- Kolesnikova, E.E., Obukhova, T.K., Kolesnichenko, N.V. et al. (2018): Ultrasound-Assisted Modification of Zeolite Catalyst for Dimethyl Ether Conversion to Olefins with Magnesium Compounds. Pet. Chem. 58, 2018. 863–868.
- Reza Khoshbin, Mohammad Haghighi (2014): Direct Conversion of Syngas to Dimethyl Ether as a Green Fuel over Ultrasound- Assisted Synthesized CuO-ZnO-Al2O3/HZSM-5 Nanocatalyst: Effect of Active Phase Ratio on Physicochemical and Catalytic Properties at Different Process Conditions. Catalysis Science & Technology, Volume 6, 2014.
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2014/cy/c3cy01089a - Sameh M.K. Aboul-Fotouh, Laila I. Ali, Mona A. Naghmash, Noha A.K. Aboul-Gheit (2017): Effect of the Si/Al ratio of HZSM-5 zeolite on the production of dimethyl ether before and after ultrasonication. Journal of Fuel Chemistry and Technology, Volume 45, Issue 5, 2017. 581-588.
- Rahmanpour, Omid; Shariati, Ahmad; Khosravi-Nikou, Mohammad Reza (2012): New Method for Synthesis Nano Size γ-Al2O3 Catalyst for Dehydration of Methanol to Dimethyl Ether. International Journal of Chemical Engineering and Applications 2012. 125-128.
- Millán, Elena; Mota, Noelia; Guil-Lopez, R.; Pawelec, Barbara; Fierro, José; Navarro, Rufino (2020): Direct Synthesis of Dimethyl Ether from Syngas on Bifunctional Hybrid Catalysts Based on Supported H3PW12O40 and Cu-ZnO(Al): Effect of Heteropolyacid Loading on Hybrid Structure and Catalytic Activity. Catalysts 10, 2020.
- Suslick, Kenneth S.; Hyeon, Taeghwan; Fang, Mingming; Cichowlas, Andrzej A. (1995): Sonochemical synthesis of nanostructured catalysts. Materials Science and Engineering: A. Proceedings of the Symposium on Engineering of Nanostructured Materials. ScienceDirect 204 (1–2): 186–192.
- Pavel V. Cherepanov, Daria V. Andreeva (2017): Phase structuring in metal alloys: Ultrasound-assisted top-down approach to engineering of nanostructured catalytic materials. Ultrasonics Sonochemistry 2017.
- Sameh M.K. Aboul-Fotouh, Noha A.K. Aboul-Gheit, Mona A. Naghmash (2016): Dimethylether production on zeolite catalysts activated by Cl−, F− and/or ultrasonication. Journal of Fuel Chemistry and Technology, Volume 44, Issue 4, 2016. 428-436.
Fatos, vale a pena conhecer
Ether dimetil (DME) como Combustível
Um dos principais usos previstos do éter dimetil é sua aplicação como substituto do propano em GLP (gás propano líquido), que é usado como combustível para veículos, em domicílios e indústria. Em autogas de propano, o éter dimetil também pode ser usado como blendstock.
Além disso, a DME também é um combustível promissor para motores diesel e turbinas a gás. Para os motores diesel, o alto número de cetano de 55, comparado ao do diesel do petróleo com números de cetano de 40 a 53, é altamente vantajoso. Apenas modificações moderadas são necessárias para permitir que um motor diesel queime éter dimetil. A simplicidade deste composto de cadeia de carbono curto leva durante a combustão a emissões muito baixas de material particulado. Por essas razões, além de ser livre de enxofre, o éter dimetil atende até mesmo aos regulamentos de emissões mais rigorosos da Europa (EURO5), dos EUA (EUA 2010) e do Japão (Japão de 2009).

Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultrassônicos de alto desempenho de Laboratório para tamanho industrial.