Preparação ultra-sónica de catalisadores para a conversão de 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 através de catálise. Para a conversão catalítica em DME, são necessários catalisadores potentes. Os catalisadores mesoporosos nanométricos, como as zeólitas ácidas mesoporosas, as zeólitas decoradas ou os catalisadores metálicos nanométricos, como o alumínio ou o cobre, podem melhorar significativamente a conversão de DME. O ultrassom de alta intensidade é a técnica superior para a preparação de nano-catalisadores altamente reativos. Saiba mais sobre como usar ultrassom para a produção de catalisadores micro e mesoporosos com excelente reatividade e seletividade!

Catalisadores bifuncionais para a conversão direta de DME

A produção de éter dimetílico (DME) é um processo industrial bem estabelecido que se divide em duas etapas: primeiro, a hidrogenação catalítica do gás de síntese em metanol (CO / CO₂ + 3H₂ → CH₃OH + H₂HO) e, em segundo lugar, uma desidratação catalítica subsequente 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 de metanol, o que resulta numa baixa conversão de gás por passagem (15-25%). Deste modo, ocorrem elevadas taxas de recirculação, bem como elevados custos de capital e de funcionamento.
Para ultrapassar esta limitação termodinâmica, a síntese direta de DME é significativamente mais favorável: Na conversão direta de DME, a fase de síntese do metanol é associada à fase 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 de custos significativas no que diz respeito ao investimento e ao custo de produção operacional de DME. Com base em estimativas, os custos de produção de DME na síntese direta são reduzidos em 20-30% quando comparados com o processo convencional de conversão em duas fases. Para operar a via de síntese direta de DME, é necessário um sistema catalítico bifuncional híbrido altamente eficiente. O catalisador necessário deve oferecer a funcionalidade para a 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 reactivos para a conversão de DME utilizando ultra-sons de potência

A reatividade e a seletividade dos catalisadores para a conversão de éter dimetílico podem ser significativamente melhoradas através de tratamento ultrassónico. Zeólitos tais como zeólitos ácidos (por exemplo, zeólito de aluminossilicato HZSM-5) e 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. Os catalisadores de zeólito clorados e fluorados foram preparados por impregnação de zeólitos (H-ZSM-5, H-MOR ou H-Y) utilizando dois precursores de halogéneo (cloreto de amónio e fluoreto de amónio) no estudo da equipa de investigação de Aboul-Fotouh. A influência da irradiação ultra-sónica foi avaliada para otimizar ambos os precursores de halogéneo para a produção de éter dimetílico (DME) através da desidratação do metanol num reator de leito fixo. O ensaio comparativo de catálise de DME revelou que os catalisadores de zeólito halogenados preparados sob irradiação ultra-sônica mostram maior desempenho para a formação de DME. (Aboul-Fotouh et al., 2016)
Em outro estudo, a equipe de pesquisa investigou todas as variáveis importantes de ultrassom encontradas durante a realização da desidratação do metanol em catalisadores de zeólito H-MOR para produzir éter dimetílico. Para as suas experiências de sonicação, a equipa de investigação utilizou o Ultrassom Hielscher UP50H do tipo sonda. As imagens de microscópio eletrónico de varrimento (SEM) do zeólito H-MOR sonicado (zeólito Mordenite) esclareceram que o metanol por si só utilizado como meio de ultra-sons dá os melhores resultados no que diz respeito à homogeneidade dos tamanhos de partículas em comparação com o catalisador não tratado, onde apareceram grandes aglomerados e aglomerados não homogéneos. Estas descobertas certificaram que a ultrassonografia tem um efeito profundo na resolução da célula unitária e, portanto, no comportamento catalítico da desidratação do metanol em éter dimetílico (DME). NH3-TPD mostra que a irradiação de ultra-sons aumentou a acidez do catalisador H-MOR e, portanto, o seu desempenho catalítico para a formação de DME. (Aboul-Gheit et al., 2014)

Quase todo o DME comercial é produzido por desidratação do metanol utilizando diferentes catalisadores sólidos-ácidos, tais como zeólitos, sílica-alumina, alumina, Al₂O₃-B₂O₃etc., através da reação seguinte:
2CH₃OH <—> CH₃OCH₃ +H₂O(-22,6k jmol^-1)

Koshbin e Haghighi (2013) prepararam CuO-ZnO-Al₂O₃/HZSM-5 através de um método combinado de co-precipitação e ultra-sons. A equipa de investigação descobriu "que o emprego de energia de ultra-sons tem grande influência na dispersão da função de hidrogenação do CO e, consequentemente, no desempenho da síntese de DME. A durabilidade do nanocatalisador sintetizado e assistido por ultra-sons foi investigada durante a reação de syngas para DME. O nanocatalisador perde uma atividade insignificante no decurso da reação devido à formação de coque nas espécies de cobre." [Khoshbin e Haghighi, 2013.]

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

Porque é que os nanocatalisadores preparados por ultra-sons são superiores?

Para a produção de catalisadores heterogéneos são frequentemente necessários materiais de elevado valor acrescentado, tais como metais preciosos. Isto torna os catalisadores caros e, por conseguinte, o aumento da eficiência e a extensão do ciclo de vida dos catalisadores são factores económicos importantes. Entre os métodos de preparação de nanocatalisadores, a técnica sonoquímica é considerada um método altamente eficiente. A capacidade dos ultra-sons para criar superfícies altamente reactivas, melhorar a mistura e aumentar o transporte de massa faz com que seja uma técnica particularmente promissora a 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 chegaram à conclusão de que a preparação de catalisadores por ultra-sons é o método mais vantajoso para a produção de nanocatalisadores homogéneos. Entre os métodos de preparação de nanocatalisadores, a técnica sonoquímica é considerada como um método altamente eficiente. A capacidade da sonicação intensa para criar superfícies altamente reactivas, para melhorar a mistura e para aumentar o transporte de massa torna-a uma técnica particularmente promissora a explorar para a preparação e ativação de catalisadores. Pode produzir nanopartículas homogéneas e dispersas sem necessidade de instrumentos dispendiosos e condições extremas. (cf. Koshbin e Haghighi, 2014)

Ultrasonicators de alto desempenho para a síntese de catalisadores mesoporosos

O equipamento sonoquímico para a síntese de nanocatalisadores de elevado desempenho está facilmente disponível em qualquer dimensão – desde ultrasonicadores compactos de laboratório a reactores ultrassónicos totalmente industriais. Hielscher Ultrasonics projeta, fabrica e distribui ultrasonicators de alta potência. Todos os sistemas de ultra-sons são fabricados na sede em Teltow, Alemanha, e distribuídos a partir daí para todo o mundo.
O hardware sofisticado e o software inteligente dos ultrasonicadores Hielscher foram concebidos para garantir um funcionamento fiável, resultados reprodutíveis e facilidade de utilização. Os ultrassons Hielscher são robustos e fiáveis, o que permite a sua instalação e funcionamento em condições de trabalho pesado. As definições operacionais podem ser facilmente acedidas e marcadas através de um menu intuitivo, que pode ser acedido através de um ecrã tátil digital a cores e de um controlo remoto via browser. Assim, todas as condições de processamento, como a energia líquida, a energia total, a amplitude, o tempo, a pressão e a temperatura são automaticamente registadas num cartão SD incorporado. Isto permite-lhe rever e comparar execuções de sonicação anteriores e otimizar a síntese e funcionalização de nano-catalisadores para a mais alta eficiência.
Os sistemas de ultra-sons Hielscher são utilizados em todo o mundo para processos de síntese sonoquímica e são comprovadamente fiáveis para a síntese de nano-catalisadores de zeólito de alta qualidade, bem como derivados de zeólito. Hielscher ultrasonicators industriais podem facilmente executar altas amplitudes em operação contínua (24/7/365). Amplitudes de até 200µm podem ser facilmente geradas continuamente com sonotrodos padrão (sondas ultra-sônicas / chifres). Para amplitudes ainda mais elevadas, estão disponíveis sonotrodos ultra-sónicos personalizados. Devido à sua robustez e baixa manutenção, os nossos ultrassons são normalmente instalados em aplicações pesadas e em ambientes exigentes.
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Com a vantagem do método de síntese por ultra-sons, a sua produção de nanocatalisadores mesoporosos será excelente em termos de eficiência, simplicidade e baixo custo quando comparada com outros processos de síntese de catalisadores!

O quadro seguinte dá-lhe uma indicação da capacidade de processamento aproximada dos nossos ultra-sons: