Prepararea cu ultrasunete a catalizatorilor pentru conversia dimetileterului (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 nanometrici, precum zeoliții acizi mezoporoși, zeoliții decorați sau catalizatorii metalici nanometrici, precum aluminiul sau cuprul, pot îmbunătăți semnificativ conversia DME. Ultrasunetele de mare intensitate reprezintă tehnica superioară pentru prepararea nanocatalizatorilor foarte reactivi. Aflați mai multe despre modul de utilizare a ultrasonicării pentru producția de catalizatori micro- și mezoporoși cu reactivitate și selectivitate excelente!

Catalizatori bifuncționali pentru conversia directă a DME

Producția de dimetileter (DME) este un proces industrial bine stabilit, care se împarte în două etape: mai întâi, hidrogenarea catalitică a gazului de sinteză în metanol (CO / CO₂ + 3H₂ → CH₃OH + H₂HO) și, în al doilea rând, o deshidratare catalitică ulterioară a metanolului pe catalizatori acizi pentru a produce (2CH₃OH → CH₃OCH₃ + H₂O). Principala limitare a acestei sinteze a DME în două etape este legată de termodinamica scăzută din faza de sinteză a metanolului, ceea ce duce la o conversie redusă a gazului per trecere (15–25%). Prin urmare, apar rapoarte ridicate de recirculare, precum și costuri ridicate de capital și de operare.
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 per etapă, până la 19%, ceea ce înseamnă reduceri semnificative ale costurilor de investiție și ale costurilor operaționale de producție a DME. Conform estimărilor, costurile de producție a DME în sinteza directă sunt reduse cu 20–30% în comparație cu procesul convențional de conversie în două etape. Pentru a opera calea de sinteză directă a DME, este necesar un sistem catalitic hibrid bifuncțional foarte eficient. Catalizatorul necesar trebuie să ofere funcționalitatea pentru hidrogenarea CO / CO2 în vederea sintezei metanolului și funcționalitățile acide care asistă deshidratarea metanolului. (cf. Millán et al. 2020)

Sinteza catalizatorilor foarte reactivi pentru conversia DME cu ultrasunete de putere

Reactivitatea și selectivitatea catalizatorilor pentru conversia dimetileterului pot fi îmbunătățite semnificativ prin tratament cu ultrasunete. Zeoliții precum zeoliții acizi (de ex., zeolitul aluminosilicat HZSM-5) și zeoliții decorați (de ex., cu CuO/ZnO/Al₂O₃) sunt principalii catalizatori utilizați cu succes pentru producția de DME.

Clorurarea și fluorurarea zeoliților sunt metode eficiente de ajustare a acidității catalitice. În studiul echipei de cercetare a lui Aboul-Fotouh, catalizatorii zeolitici clorurați și fluorurați au fost preparați prin impregnarea zeoliților (H-ZSM-5, H-MOR sau H-Y) folosind doi precursori halogenați (clorură de amoniu și fluorură de amoniu). Influența iradierii cu ultrasunete a fost evaluată pentru optimizarea ambilor precursori halogenați în vederea producției de dimetileter (DME) prin deshidratarea metanolului într-un reactor cu strat fix. Testul comparativ de cataliză a DME a arătat că catalizatorii zeolitici halogenați preparați sub iradiere cu ultrasunete prezintă performanțe mai ridicate pentru formarea DME. (Aboul-Fotouh et al., 2016)
Într-un alt studiu, echipa de cercetare a investigat toate variabilele importante ale ultrasonicării întâlnite în timpul deshidratării metanolului pe catalizatori zeolitici H-MOR pentru producerea dimetileterului. Pentru experimentele de sonicare, echipa de cercetare a utilizat ultrasonicatorul cu sondă Hielscher UP50H. Imagistica prin microscopie electronică de baleiaj (SEM) a zeolitului H-MOR sonicat (zeolit mordenit) a clarificat faptul că metanolul utilizat singur ca mediu de ultrasonicare oferă cele mai bune rezultate în ceea ce privește omogenitatea dimensiunilor particulelor, comparativ cu catalizatorul netratat, la care au apărut aglomerate mari și clustere neomogene. Aceste constatări au certificat faptul că ultrasonicarea are un efect profund asupra rezoluției celulei elementare și, prin urmare, asupra comportamentului catalitic al deshidratării metanolului la dimetileter (DME). NH3-TPD arată că iradierea cu ultrasunete a îmbunătățit aciditatea catalizatorului H-MOR și, prin urmare, performanța sa catalitică pentru formarea DME. (Aboul-Gheit et al., 2014)

Aproape tot DME-ul comercial este produs prin deshidratarea metanolului folosind diferiți catalizatori acizi solizi, precum zeoliți, silice–alumină, alumină, Al₂O₃–B₂O₃, etc., prin următoarea reacție:
2CH₃OH <—> CH₃OCH₃ +H₂O(-22,6k jmol^-1)

Koshbin și Haghighi (2013) au preparat nanocatalizatori CuO–ZnO–Al₂O₃/HZSM-5 printr-o metodă combinată de co-precipitare–ultrasunete. Echipa de cercetare a constatat „că utilizarea energiei ultrasunetelor are o mare influență asupra dispersiei funcției de hidrogenare a CO și, în consecință, asupra performanței sintezei DME. Durabilitatea nanocatalizatorului sintetizat cu asistența ultrasunetelor a fost investigată în timpul reacției de transformare a gazului de sinteză în DME. Nanocatalizatorul pierde o activitate neglijabilă pe parcursul reacției din cauza formării de cocs pe speciile de cupru.” [Khoshbin and Haghighi, 2013.]

Un nanocatalizator alternativ non-zeolitic, care este, de asemenea, foarte eficient în promovarea conversiei DME, este un catalizator nanometric de γ-alumină poroasă. γ-alumina poroasă nanometrică a fost sintetizată cu succes prin precipitare sub amestecare cu ultrasunete. Tratamentul sonochimic favorizează sinteza nanoparticulelor. (cf. Rahmanpour et al., 2012)

De ce sunt superiori nanocatalizatorii preparați cu ultrasunete?

Pentru producția catalizatorilor eterogeni sunt adesea necesare materiale cu valoare adăugată ridicată, precum metalele prețioase. Acest lucru face ca catalizatorii să fie scumpi și, prin urmare, creșterea eficienței, precum și prelungirea ciclului de viață al catalizatorilor sunt factori economici importanți. Dintre metodele de preparare a nanocatalizatorilor, tehnica sonochimică este considerată o metodă foarte eficientă. Capacitatea ultrasunetelor de a crea suprafețe foarte reactive, de a îmbunătăți amestecarea și de a intensifica transferul de masă o face o tehnică deosebit de promițătoare de explorat pentru prepararea și activarea catalizatorilor. Aceasta poate produce nanoparticule omogene și dispersate fără a necesita instrumente costisitoare și condiții extreme.
În mai multe studii de cercetare, oamenii de știință ajung la concluzia că prepararea catalizatorilor cu ultrasunete este cea mai avantajoasă metodă pentru producția de nanocatalizatori omogeni. Dintre metodele de preparare a nanocatalizatorilor, tehnica sonochimică este considerată o metodă foarte eficientă. Capacitatea sonicării intense de a crea suprafețe foarte reactive, de a îmbunătăți amestecarea și de a intensifica transferul de masă o face o tehnică deosebit de promițătoare de explorat pentru prepararea și activarea catalizatorilor. Aceasta poate produce nanoparticule omogene și dispersate fără a necesita instrumente costisitoare și condiții extreme. (cf. Koshbin și Haghighi, 2014)

Ultrasonicatoare de înaltă performanță pentru sinteza catalizatorilor mezoporoși

Echipamentele sonochimice pentru sinteza nanocatalizatorilor de înaltă performanță sunt disponibile în orice dimensiune – de la ultrasonicatoare compacte de laborator până la reactoare cu ultrasunete complet industriale. Hielscher Ultrasonics proiectează, fabrică și distribuie ultrasonicatoare de mare putere. Toate sistemele cu ultrasunete sunt fabricate la sediul central din Teltow, Germania, și distribuite de acolo în întreaga lume.
Hardware-ul sofisticat și software-ul inteligent al ultrasonicatoarelor Hielscher sunt concepute pentru a garanta funcționarea fiabilă, rezultate reproductibile, precum și ușurința în utilizare. Ultrasonicatoarele Hielscher sunt robuste și fiabile, ceea ce permite instalarea și operarea lor în condiții grele de lucru. Setările de funcționare pot fi accesate și reglate cu ușurință prin meniul intuitiv, care poate fi accesat prin intermediul afișajului digital color tactil și al telecomenzii prin browser. Prin urmare, toate condițiile de procesare, precum 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 de sonicare și să optimizați sinteza și funcționalizarea nanocatalizatorilor la cea mai mare eficiență.
Sistemele Hielscher Ultrasonics sunt utilizate în întreaga lume pentru procese de sinteză sonochimică și s-au dovedit fiabile pentru sinteza nanocatalizatorilor zeolitici de înaltă calitate, precum și a derivaților zeolitici. Ultrasonicatoarele industriale Hielscher pot funcționa cu ușurință la amplitudini mari în regim continuu (24/7/365). Amplitudini de până la 200µm pot fi generate continuu cu ușurință cu sonotrode standard (sonde ultrasonice / sonotrode). Pentru amplitudini și mai mari, sunt disponibile sonotrode ultrasonice personalizate. Datorită robusteții și întreținerii reduse, ultrasonicatoarele noastre sunt instalate frecvent pentru aplicații grele și în medii solicitante.
Procesoarele cu ultrasunete Hielscher pentru sinteze sonochimice, funcționalizare, nanostructurare și dezaglomerare sunt deja instalate în întreaga lume la scară comercială. Contactați-ne acum pentru a discuta procesul dumneavoastră de fabricare a nanocatalizatorilor! Personalul nostru cu experiență vă va împărtăși cu plăcere mai multe informații despre calea de sinteză sonochimică, sistemele cu ultrasunete și prețuri!
Cu avantajul metodei de sinteză cu ultrasunete, producția dumneavoastră de nanocatalizatori mezoporoși va excela prin eficiență, simplitate și cost redus în comparație cu alte procese de sinteză a catalizatorilor!

Tabelul de mai jos vă oferă o indicație privind capacitatea aproximativă de procesare a ultrasonicatoarelor noastre: