Pregătirea cu ultrasunete a catalizatorilor pentru conversia dimetil eter (DME)

Dimetileterul (DME) este un combustibil alternativ favorabil, care poate fi sintetizat din metanol, CO₂ sau gaz de sinteză prin cataliză. Pentru conversia catalitică în DME, sunt necesari catalizatori puternici. Catalizatorii mezoporoși de dimensiuni nano, cum ar fi zeoliții acizi mezoporoși, zeoliții decorați sau catalizatorii metalici de dimensiuni nano, cum ar fi aluminiul sau cuprul, pot îmbunătăți semnificativ conversia DME. Ultrasunetele de înaltă intensitate sunt tehnica superioară pentru prepararea nanocatalizatorilor foarte reactivi. Aflați mai multe despre cum să utilizați ultrasonication pentru producerea de catalizatori micro- și mezoporoși cu reactivitate excelentă și selectivitate!

Catalizatori bifuncționali pentru conversia directă DME

Producția de dimetil eter (DME) este un proces industrial bine stabilit, care este împărțit în două etape: în primul rând, hidrogenarea catalitică a gazului de sinteză în metanol (CO / CO₂ + 3H₂ → CH₃OH + H₂HO) și, în al doilea rând, o deshidratare catalitică ulterioară a metanolului asupra catalizatorilor acizi care urmează să producă (2CH₃OH → CH₃OCH₃ + H₂O). Limitarea majoră a acestei sinteze DME în două etape este legată de termodinamica scăzută în timpul fazei de sinteză a metanolului, ceea ce duce la o conversie scăzută a gazului pe trecere (15-25%). Astfel, apar rate ridicate de recirculare, precum și costuri ridicate de capital și de exploatare.
Pentru a depăși această limitare termodinamică, sinteza directă a DME este semnificativ mai favorabilă: în conversia directă a DME, etapa de sinteză a metanolului este cuplată cu etapa de deshidratare într-un singur reactor
(2CO / CO₂ + 6H₂ → CH₃OCH₃ + 3H₂O).

Sinteza directă a DME permite creșterea nivelurilor de conversie pe pas, până la 19%, ceea ce înseamnă reduceri semnificative ale costurilor în ceea ce privește investiția și costul operațional de producție al DME. Pe baza estimărilor, costul de producție DME în sinteză directă este redus cu 20-30% în comparație cu procesul convențional de conversie în două etape. Pentru a opera calea directă de sinteză DME, este necesar un sistem catalitic hibrid bifuncțional extrem de eficient. Catalizatorul necesar trebuie să ofere funcționalitatea de hidrogenare CO / CO2 pentru sinteza metanolului și funcționalitățile acide, care ajută la deshidratarea metanolului. (cf. Millán et al. 2020)

Sinteza catalizatorilor foarte reactivi pentru conversia DME folosind Power-Ultrasound

Reactivitatea și selectivitatea catalizatorilor pentru conversia dimetil eterului pot fi îmbunătățite semnificativ prin tratamentul cu ultrasunete. Zeoliți, cum ar fi zeoliții acizi (de exemplu, zeolitul aluminosilicat HZSM-5) și zeoliții decorați (de exemplu, cu CuO/ZnO/Al₂O₃) sunt principalii catalizatori care sunt utilizați cu succes pentru producția DME.

Clorinarea și fluorizarea zeoliților sunt metode eficiente de reglare a acidității catalitice. Catalizatorii cu zeolit clorurat și fluorurat au fost preparați prin impregnarea zeoliților (H-ZSM-5, H-MOR sau H-Y) folosind doi precursori de halogen (clorură de amoniu și fluorură de amoniu) în studiul realizat de echipa de cercetare a Aboul-Fotouh. Influența iradierii cu ultrasunete a fost evaluată pentru optimizarea atât precursorii halogenului pentru producerea de dimetileter (DME) prin deshidratarea metanolului într-un reactor cu pat fix. Studiul comparativ al catalizei DME a arătat că catalizatorii zeolitici halogenați preparați sub iradiere cu ultrasunete prezintă performanțe mai mari pentru formarea DME. (Aboul-Fotouh și colab., 2016)
Într-un alt studiu, echipa de cercetare a investigat toate variabilele importante ultrasonication întâlnite în timpul efectuării deshidratării metanolului pe catalizatori de zeolit H-MOR pentru a produce dimetileter. Pentru perimentele lor Sonication, echipa de cercetare a folosit Hielscher UP50H sondă tip ultrasonicator. Imagistica microscopului electronic de scanare (SEM) a zeolitului sonicat H-MOR (Zeolit Mordenite) au clarificat faptul că metanolul singur utilizat ca mediu ultrasonication oferă cele mai bune rezultate în ceea ce privește omogenitatea dimensiunilor particulelor în comparație cu catalizatorul netratat, în cazul în care au apărut aglomerate mari și clustere neomogene. Aceste constatări au certificat că ultrasonication are un efect profund asupra rezoluției celulelor unitare și, prin urmare, asupra comportamentului catalitic al deshidratării metanolului la dimetil eter (DME). NH3-TPD arată că iradierea cu ultrasunete a îmbunătățit aciditatea catalizatorului H-MOR și, prin urmare, este o performanță catalitică pentru formarea DME. (Aboul-Gheit și colab., 2014)

Aproape toate DME comerciale sunt produse prin deshidratarea metanolului folosind diferiți catalizatori solizi, cum ar fi zeoliții, silica-alumina, alumina, Al₂O₃–B₂O₃, etc. prin următoarea reacție:
2CH₃OH <—> CH₃OCH₃ +H₂O(-22.6k jmol^-1)

Koshbin și Haghighi (2013) au pregătit CuO–ZnO–Al₂O₃/HZSM-5 nanocatalizatori printr-o metodă combinată coprecipitare-ultrasunete. Echipa de cercetare a constatat că "utilizarea energiei cu ultrasunete are o mare influență asupra dispersiei funcției de hidrogenare a CO și, în consecință, asupra performanței sintezei DME. Durabilitatea nanocatalizatorului sintetizat asistat cu ultrasunete a fost investigată în timpul reacției syngas la DME. Nanocatalizatorul pierde o activitate neglijabilă pe parcursul reacției datorită formării cocsului pe speciile de cupru. [Khoshbin și Haghighi, 2013.]

Un nano-catalizator alternativ non-zeolit, care este, de asemenea, foarte eficient în promovarea conversiei DME, este un catalizator poros de γ-alumină de dimensiuni nanometrice. Nano-dimensiunea γ-alumina poroasă a fost sintetizată cu succes prin precipitare sub amestecare cu ultrasunete. Tratamentul sonochimic promovează sinteza nanoparticulelor. (cf. Rahmanpour et al., 2012)

De ce sunt nano-catalizatori pregătiți ultrasonically superiori?

Pentru producerea catalizatorilor eterogeni sunt adesea necesare materiale cu valoare adăugată ridicată, cum ar fi metalele prețioase. Acest lucru face catalizatorii scumpi și, prin urmare, îmbunătățirea eficienței, precum și extinderea ciclului de viață al catalizatorilor sunt factori economici importanți. Printre metodele de preparare a nanocatalizatorilor, tehnica sonochimică este considerată o metodă extrem de eficientă. Capacitatea ultrasunetelor de a crea suprafețe foarte reactive, de a îmbunătăți amestecarea și de a crește transportul în masă îl face o tehnică deosebit de promițătoare de explorat pentru pregătirea și activarea catalizatorului. Poate produce nanoparticule omogene și dispersate fără a fi nevoie de instrumente scumpe și condiții extreme.
În mai multe studii de cercetare, oamenii de știință ajung la concluzia că prepararea catalizatorului cu ultrasunete este metoda cea mai avantajoasă pentru producerea de nano-catalizatori omogeni. Printre metodele de preparare a nanocatalizatorilor, tehnica sonochimică este considerată o metodă extrem de eficientă. Capacitatea sonicare intensă pentru a crea suprafețe foarte reactive, pentru a îmbunătăți amestecarea și pentru a crește transportul în masă îl face o tehnică deosebit de promițătoare de explorat pentru pregătirea și activarea catalizatorului. Poate produce nanoparticule omogene și dispersate fără a fi nevoie de instrumente scumpe și condiții extreme. (cf. Koshbin și Haghighi, 2014)

Ultrasonicators de înaltă performanță pentru sinteza catalizatorilor mezoporoși

Echipamentele sonochimice pentru sinteza nanocatalizatorilor de înaltă performanță sunt disponibile la orice dimensiune – De la ultrasonicators de laborator compact la reactoare cu ultrasunete complet industriale. Hielscher Ultrasonics proiectează, produce și distribuie ultrasonicators de mare putere. Toate sistemele cu ultrasunete sunt realizate în sediul central din Teltow, Germania și distribuite de acolo în întreaga lume.
Hardware-ul sofisticat și software-ul inteligent al ultrasonicators Hielscher sunt concepute pentru a garanta funcționarea fiabilă, rezultate reproductibile, precum și ușurința în utilizare. Ultrasonicators Hielscher sunt robuste și fiabile, care permite să fie instalate și operate în condiții grele. Setările operaționale pot fi accesate și formate cu ușurință prin intermediul meniului intuitiv, care poate fi accesat prin intermediul afișajului tactil color digital și al telecomenzii browserului. Prin urmare, toate condițiile de procesare, cum ar fi energia netă, energia totală, amplitudinea, timpul, presiunea și temperatura, sunt înregistrate automat pe un card SD încorporat. Acest lucru vă permite să revizuiți și să comparați rulările anterioare sonicare și pentru a optimiza sinteza și funcționalizarea nano-catalizatorilor la cea mai mare eficiență.
Hielscher Ultrasonics sisteme sunt utilizate în întreaga lume pentru procesele de sinteză sonochimice și sunt dovedite a fi fiabile pentru sinteza nano-catalizatori zeolit de înaltă calitate, precum și derivați de zeolit. Hielscher ultrasonicators industriale pot rula cu ușurință amplitudini mari în funcționare continuă (24/7/365). Amplitudinile de până la 200μm pot fi ușor generate continuu cu sonotrodes standard (sonde / coarne cu ultrasunete). Pentru amplitudini chiar mai mari, sonotrodes cu ultrasunete personalizate sunt disponibile. Datorită robusteții și întreținerii reduse, ultrasonicators noastre sunt instalate în mod obișnuit pentru aplicații grele și în medii solicitante.
Hielscher procesoare cu ultrasunete pentru sinteze sonochimice, funcționalizare, nano-structurare și dezaglomerare sunt deja instalate la nivel mondial la scară comercială. Contactați-ne acum pentru a discuta despre procesul dvs. de fabricație a nano-catalizatorului! Personalul nostru bine experimentat va fi bucuros să împărtășească mai multe informații despre calea de sinteză sonochimică, sistemele cu ultrasunete și prețurile!
Cu avantajul metodei de sinteză cu ultrasunete, producția nano-catalizator mezoporos va excela în eficiență, simplitate și costuri reduse în comparație cu alte procese de sinteză catalizator!

Tabelul de mai jos vă oferă o indicație a capacității aproximative de procesare a ultrasonicators noastre: