Preparação ultrassônica de catalisadores para 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 por catálise. Para a conversão catalítica em EMD, são necessários catalisadores potentes. Catalisadores mesoporosos de tamanho nanométrico, como zeólitas ácidas mesoporosas, zeólitas decoradas ou catalisadores metálicos de tamanho nanométrico, como alumínio ou cobre, podem melhorar significativamente a conversão de DME. O ultrassom de alta intensidade é a técnica superior para a preparação de nanocatalisadores altamente reativos. Saiba mais sobre como usar a ultrassonografia para a produção de catalisadores micro e mesoporosos com excelente reatividade e seletividade!

Catalisadores bifuncionais para 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 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 à baixa termodinâmica durante a fase de síntese de metanol, o que resulta em uma baixa conversão de gás por passagem (15-25%). Assim, estão ocorrendo altas taxas de recirculação, bem como altos custos operacionais e de capital.
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 à etapa de desidratação em um único reator
(2CO? CO₂ + 6H₂ → CH₃OCH₃ + 3H₂O).

A síntese direta do EMD permite aumentar os níveis de conversão por etapa, até 19%, o que significa reduções significativas de custos em relação ao investimento e ao custo operacional de produção do EMD. 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 direta de síntese do DME, é necessário um sistema catalítico bifuncional híbrido 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 na desidratação do metanol. (cf. Millán et al. 2020)

Síntese de catalisadores altamente reativos para conversão de DME usando ultrassom de potência

A reatividade e seletividade dos catalisadores para conversão de éter dimetílico podem ser significativamente melhoradas por meio de tratamento ultrassônico. Zeólitos, como zeólitos ácidos (por exemplo, zeólita de aluminossilicato HZSM-5) e zeólitas decoradas (por exemplo, com CuO/ZnO/Al₂O₃) são os principais catalisadores utilizados com êxito para a produção de EMD.

A cloração e a fluoração de zeólitas são métodos eficazes para ajustar a acidez catalítica. Os catalisadores de zeólita clorada e fluorada foram preparados pela impregnação de zeólitas (H-ZSM-5, H-MOR ou H-Y) usando dois precursores de halogênio (cloreto de amônio e fluoreto de amônio) no estudo da equipe de pesquisa de Aboul-Fotouh. A influência da irradiação ultrassônica foi avaliada para otimizar ambos os precursores de halogênio para produção de éter dimetílico (DME) via desidratação de metanol em um reator de leito fixo. O estudo comparativo de catálise de DME revelou que os catalisadores de zeólita halogenados preparados sob irradiação ultrassônica apresentam 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 desidratação do metanol em catalisadores de zeólita H-MOR para produzir éter dimetílico. Para suas experiências de sonicação, a equipe de pesquisa usou o Ultrassônico tipo sonda Hielscher UP50H. Imagens de microscópio eletrônico de varredura (MEV) da zeólita H-MOR sonicada (zeólita Mordenite) esclareceram que o metanol por si só usado como meio de ultrassom fornece os melhores resultados em relação à homogeneidade dos tamanhos de partículas em comparação com o catalisador não tratado, onde grandes aglomerados e aglomerados não homogêneos apareceram. Esses achados 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). O NH3-TPD mostra que a irradiação por ultrassom aumentou a acidez do catalisador H-MOR e, portanto, é o desempenho catalítico para a formação de DME. (Aboul-Gheit et al., 2014)

Quase todo o EMD comercial é produzido pela desidratação do metanol usando diferentes catalisadores de ácido sólido, como zeólitos, sílica-alumina, alumina, Al₂O₃–B₂O₃, etc., pela seguinte reação:
2 CH₃AH <–> CH₃OCH₃ +H₂O(-22.6k jmol^-1)

Koshbin e Haghighi (2013) prepararam CuO-ZnO-Al₂O₃/HZSM-5 nanocatalisadores através de um método combinado co-precipitação-ultrassom. A equipa de investigação descobriu “que o emprego de energia de ultrassom tem grande influência na dispersão da função de hidrogenação de CO e, consequentemente, no desempenho da síntese do EMD. A durabilidade do nanocatalisador sintetizado assistido por ultrassom foi investigada durante a reação de gás de síntese-EMD. O nanocatalisador perde atividade insignificante ao longo da reação devido à formação de coque em espécies de cobre.” [Khoshbin e Haghighi, 2013.]

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

Por que os nanocatalisadores preparados por ultrassom 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 aumento da eficiência, bem como a extensão do ciclo de vida dos catalisadores, são fatores econômicos importantes. Dentre os métodos de preparação de nanocatalisadores, a técnica sonoquímica é considerada um método altamente eficiente. A capacidade do ultrassom de criar superfícies altamente reativas, melhorar a mistura e aumentar o transporte de massa o torna uma técnica particularmente promissora a ser explorada para a preparação e ativação de catalisadores. Pode produzir nanopartículas homogêneas e dispersas sem a necessidade de instrumentos caros e condições extremas.
Em vários estudos de pesquisa, os cientistas chegaram à conclusão de que a preparação de catalisadores ultrassônicos é o método mais vantajoso para a produção de nanocatalisadores homogêneos. Dentre os métodos de preparação de nanocatalisadores, a técnica sonoquímica é considerada um método altamente eficiente. A capacidade da sonicação intensa de criar superfícies altamente reativas, melhorar a mistura e aumentar o transporte de massa a torna uma técnica particularmente promissora para explorar a preparação e ativação do catalisador. Pode produzir nanopartículas homogêneas e dispersas sem a necessidade de instrumentos caros e condições extremas. (cf. Koshbin e Haghighi, 2014)

Ultrassonicadores de alto desempenho para a síntese de catalisadores mesoporosos

Equipamentos sonoquímicos para a síntese de nanocatalisadores de alto desempenho estão prontamente disponíveis em qualquer tamanho – de ultrassônicos de laboratório compactos a reatores ultrassônicos totalmente industriais. A Hielscher Ultrasonics projeta, fabrica e distribui ultrassônicos de alta potência. Todos os sistemas ultrassônicos são fabricados na sede em Teltow, Alemanha, e distribuídos de lá para todo o mundo.
O hardware sofisticado e o software inteligente dos ultrasonicadores Hielscher são projetados para garantir uma operação confiável, resultados reprodutíveis e facilidade de uso. Os ultrassônicos Hielscher são robustos e confiáveis, o que permite serem instalados e operados em condições de serviço pesado. As configurações operacionais podem ser facilmente acessadas e discadas por meio de um menu intuitivo, que pode ser acessado por meio de tela sensível ao toque digital colorida e controle remoto do navegador. Portanto, todas as condições de processamento, como energia líquida, energia total, amplitude, tempo, pressão e temperatura, são registradas automaticamente em um cartão SD integrado. Isso permite que você revise e compare execuções de sonicação anteriores e otimize a síntese e funcionalização de nanocatalisadores para a mais alta eficiência.
Os sistemas Hielscher Ultrasonics são usados em todo o mundo para processos de síntese sonoquímica e são comprovadamente confiáveis para a síntese de nanocatalisadores de zeólita de alta qualidade, bem como derivados de zeólita. Os ultrassônicos industriais Hielscher podem facilmente executar altas amplitudes em operação contínua (24/7/365). Amplitudes de até 200μm podem ser facilmente geradas continuamente com sonotrodos padrão (sondas? buzinas ultrassônicas). Para amplitudes ainda maiores, estão disponíveis sonotrodos ultrassônicos personalizados. Devido à sua robustez e baixa manutenção, nossos ultrasonicadores 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 mesoporosos se destacará em eficiência, simplicidade e baixo custo quando comparada a outros processos de síntese de catalisadores!

A tabela abaixo fornece uma indicação da capacidade aproximada de processamento de nossos ultrassônicos: