Ultrazvuková príprava katalyzátorov na konverziu dimetyléteru (DME)

Dimetyléter (DME) je priaznivé alternatívne palivo, ktoré je možné syntetizovať z metanolu, CO₂ alebo synplyn katalýzou. Na katalytickú premenu na DME sú potrebné silné katalyzátory. Mezoporézne katalyzátory nanoveľkosti, ako sú mezoporézne kyslé zeolity, zdobené zeolity alebo nano-veľké kovové katalyzátory, ako je hliník alebo meď, môžu výrazne zlepšiť konverziu DME. Ultrazvuk s vysokou intenzitou je vynikajúcou technikou na prípravu vysoko reaktívnych nanokatalyzátorov. Zistite viac o tom, ako používať ultrazvuk na výrobu mikro- a mezoporéznych katalyzátorov s vynikajúcou reaktivitou a selektivitou!

Bifunkčné katalyzátory pre priamu konverziu DME

Výroba dimetyléteru (DME) je dobre zavedený priemyselný proces, ktorý je rozdelený do dvoch krokov: po prvé, katalytická hydrogenácia syntézneho plynu na metanol (CO / CO₂ + 3H₂ → CH₃OH + H₂HO) a po druhé, následná katalytická dehydratácia metanolu nad kyslými katalyzátormi na výrobu (2CH₃OH → CH₃OCH₃ + H₂O). Hlavné obmedzenie tejto dvojstupňovej syntézy DME súvisí s nízkou termodynamikou počas fázy syntézy metanolu, čo má za následok nízku premenu plynu na prechod (15-25%). Tým dochádza k vysokým pomerom recirkulácie, ako aj k vysokým kapitálovým a prevádzkovým nákladom.
Na prekonanie tohto termodynamického obmedzenia je priama syntéza DME výrazne priaznivejšia: Pri priamej premene DME je krok syntézy metanolu spojený s krokom dehydratácie v jednom reaktore
(2CO / CO₂ + 6H₂ → CH₃OCH₃ + 3H₂O).

Priama syntéza DME umožňuje zvýšiť úroveň konverzie na krok, a to až o 19 %, čo znamená výrazné zníženie nákladov na investície a prevádzkové výrobné náklady DME. Na základe odhadov sa výrobné náklady DME pri priamej syntéze znížia o 20 – 30 % v porovnaní s konvenčným dvojstupňovým procesom konverzie. Na prevádzku priamej syntézy DME je potrebný vysoko účinný hybridný bifunkčný katalytický systém. Požadovaný katalyzátor musí ponúkať funkciu pre hydrogenáciu CO / CO2 pre syntézu metanolu a kyslé funkcie, ktoré napomáhajú dehydratácii metanolu. (porovnaj Millán a kol. 2020)

Syntéza vysoko reaktívnych katalyzátorov pre konverziu DME pomocou výkonového ultrazvuku

Reaktivitu a selektivitu katalyzátorov na konverziu dimetyléteru je možné výrazne zlepšiť ultrazvukovou úpravou. Zeolity, ako sú kyslé zeolity (napr. hlinitokremičitý zeolit HZSM-5) a zdobené zeolity (napr. CuO/ZnO/Al₂O₃) sú hlavnými katalyzátormi, ktoré sa úspešne používajú na výrobu DME.

Chlórovanie a fluórovanie zeolitov sú účinné metódy na vyladenie katalytickej kyslosti. Chlórované a fluórované zeolitové katalyzátory boli pripravené impregnáciou zeolitov (H-ZSM-5, H-MOR alebo H-Y) s použitím dvoch halogénových prekurzorov (chlorid amónny a fluorid amónny) v štúdii výskumného tímu Aboul-Fotouh. Vplyv ultrazvukového ožarovania bol hodnotený na optimalizáciu oboch halogénových prekurzorov na výrobu dimetyléteru (DME) prostredníctvom dehydratácie metanolu v reaktore s pevným lôžkom. Porovnávacia skúška katalýzy DME odhalila, že halogénované zeolitové katalyzátory pripravené ultrazvukovým ožarovaním vykazujú vyššiu účinnosť pri tvorbe DME. (Aboul-Fotouh a kol., 2016)
V ďalšej štúdii výskumný tím skúmal všetky dôležité ultrazvukové premenné, s ktorými sa stretli pri vykonávaní dehydratácie metanolu na zeolitových katalyzátoroch H-MOR na výrobu dimetyléteru. Výskumný tím použil na svoje skúsenosti so sonikáciou Ultrazvukový ultrazvuk Hielscher UP50H. Skenovací elektrónový mikroskop (SEM) zobrazovania sonikovaného zeolitu H-MOR (Mordenitový zeolit) objasnilo, že samotný metanol používaný ako ultrazvukové médium poskytuje najlepšie výsledky týkajúce sa homogenity veľkostí častíc v porovnaní s neupraveným katalyzátorom, kde sa objavili veľké aglomeráty a nehomogénne zhluky. Tieto zistenia potvrdili, že ultrazvuk má hlboký vplyv na rozlíšenie jednotkových buniek, a tým aj na katalytické správanie dehydratácie metanolu na dimetyléter (DME). NH3-TPD ukazuje, že ultrazvukové ožarovanie zvýšilo kyslosť katalyzátora H-MOR, a preto je to katalytický výkon pre tvorbu DME. (Aboul-Gheit a kol., 2014)

Takmer všetok komerčný DME sa vyrába dehydratáciou metanolu pomocou rôznych katalyzátorov tuhých kyselín, ako sú zeolity, sillica-oxid hlinitý, oxid hlinitý, Al₂O₃–B₂O₃atď. nasledujúcou reakciou:
2 KANÁLY₃OH <—> CH₃OCH₃ +H₂O (-22,6 tis. jmol^-1)

Koshbin a Haghighi (2013) pripravili CuO–ZnO–Al₂O₃/HZSM-5 nanokatalyzátory kombinovanou metódou ko-zrážania a ultrazvuku. Výskumný tím zistil, že "využitie ultrazvukovej energie má veľký vplyv na disperziu funkcie hydrogenácie CO a následne na výkon syntézy DME. Trvanlivosť ultrazvukom asistovaného nanokatalyzátora sa skúmala počas reakcie syntézneho plynu na DME. Nanokatalyzátor stráca v priebehu reakcie zanedbateľnú aktivitu v dôsledku tvorby koksu na druhoch medi." [Khoshbin a Haghighi, 2013.]

Alternatívnym nezeolitovým nanokatalyzátorom, ktorý je tiež veľmi účinný pri podpore konverzie DME, je nano-veľký porézny katalyzátor γ-oxidu hlinitý. Porézny γ-oxid hlinitý nanoveľkosti bol úspešne syntetizovaný zrážaním pri ultrazvukovom miešaní. Sonochemická úprava podporuje syntézu nanočastíc. (porovnaj Rahmanpour et al., 2012)

Prečo sú ultrazvukom pripravené nanokatalyzátory lepšie?

Na výrobu heterogénnych katalyzátorov sú často potrebné materiály s vysokou pridanou hodnotou, ako sú drahé kovy. To spôsobuje, že katalyzátory sú drahé, a preto sú dôležitými ekonomickými faktormi zvýšenie účinnosti, ako aj predĺženie životného cyklu katalyzátorov. Spomedzi metód prípravy nanokatalyzátorov sa sonochemická technika považuje za vysoko účinnú metódu. Schopnosť ultrazvuku vytvárať vysoko reaktívne povrchy, zlepšovať miešanie a zvyšovať transport hmoty z neho robí obzvlášť sľubnú techniku na preskúmanie prípravy a aktivácie katalyzátora. Dokáže produkovať homogénne a rozptýlené nanočastice bez potreby drahých nástrojov a extrémnych podmienok.
Vo viacerých výskumných štúdiách vedci dospeli k záveru, že príprava ultrazvukového katalyzátora je najvýhodnejšou metódou výroby homogénnych nanokatalyzátorov. Spomedzi metód prípravy nanokatalyzátorov sa sonochemická technika považuje za vysoko účinnú metódu. Schopnosť intenzívnej sonikácie vytvárať vysoko reaktívne povrchy, zlepšovať miešanie a zvyšovať transport hmoty z nej robí obzvlášť sľubnú techniku na preskúmanie prípravy a aktivácie katalyzátora. Dokáže produkovať homogénne a rozptýlené nanočastice bez potreby drahých nástrojov a extrémnych podmienok. (porovnaj Koshbin a Haghighi, 2014)

Vysokovýkonné ultrazvukové prístroje na syntézu mezoporéznych katalyzátorov

Sonochemické zariadenie na syntézu vysokovýkonných nanokatalyzátorov je ľahko dostupné v akejkoľvek veľkosti – od kompaktných laboratórnych ultrazvukov až po plne priemyselné ultrazvukové reaktory. Spoločnosť Hielscher Ultrasonics navrhuje, vyrába a distribuuje vysokovýkonné ultrazvukové prístroje. Všetky ultrazvukové systémy sa vyrábajú v centrále v nemeckom Teltowe a odtiaľ sú distribuované po celom svete.
Sofistikovaný hardvér a inteligentný softvér ultrazvukových prístrojov Hielscher sú navrhnuté tak, aby zaručovali spoľahlivú prevádzku, reprodukovateľné výsledky a užívateľskú prívetivosť. Ultrazvukové prístroje Hielscher sú robustné a spoľahlivé, čo umožňuje inštaláciu a prevádzku v náročných podmienkach. Prevádzkové nastavenia sú ľahko prístupné a vytočené pomocou intuitívneho menu, ku ktorému je možné pristupovať prostredníctvom digitálneho farebného dotykového displeja a diaľkového ovládača prehliadača. Preto sa všetky podmienky spracovania, ako je čistá energia, celková energia, amplitúda, čas, tlak a teplota, automaticky zaznamenávajú na vstavanú SD kartu. To vám umožní revidovať a porovnávať predchádzajúce sonikácie a optimalizovať syntézu a funkcionalizáciu nanokatalyzátorov na najvyššiu účinnosť.
Ultrazvukové systémy Hielscher sa používajú na celom svete v procesoch sonochemickej syntézy a sú preukázateľne spoľahlivé na syntézu vysokokvalitných zeolitových nanokatalyzátorov, ako aj derivátov zeolitu. Priemyselné ultrazvuky Hielscher môžu ľahko prevádzkovať vysoké amplitúdy v nepretržitej prevádzke (24/7/365). Amplitúdy až 200 μm je možné ľahko kontinuálne generovať pomocou štandardných sonotród (ultrazvukové sondy / rohy). Pre ešte vyššie amplitúdy sú k dispozícii prispôsobené ultrazvukové sonotródy. Vďaka svojej robustnosti a nízkej údržbe sa naše ultrazvukové prístroje bežne inštalujú pre náročné aplikácie a v náročných prostrediach.
Ultrazvukové procesory Hielscher pre sonochemické syntézy, funkcionalizáciu, nanoštruktúrovanie a deaglomeráciu sú už inštalované po celom svete v komerčnom meradle. Kontaktujte nás teraz a prediskutujte svoj výrobný proces nanokatalyzátorov! Naši skúsení zamestnanci sa radi podelia o ďalšie informácie o ceste sonochemickej syntézy, ultrazvukových systémoch a cenách!
Vďaka výhode metódy ultrazvukovej syntézy bude vaša mezoporézna výroba nanokatalyzátorov vynikať účinnosťou, jednoduchosťou a nízkymi nákladmi v porovnaní s inými procesmi syntézy katalyzátorov!

Nasledujúca tabuľka vám poskytuje približnú kapacitu spracovania našich ultrazvukových prístrojov: