Ultrazvuková príprava katalyzátorov na konverziu na dimetyléter (DME)

Dimetyléter (DME) je výhodné alternatívne palivo, ktoré možno katalyticky syntetizovať z metanolu, CO₂ alebo syntézneho plynu. Na katalytickú konverziu na DME sú potrebné účinné katalyzátory. Mezoporézne katalyzátory s nanometrovými rozmermi, ako sú mezoporézne kyslé zeolity, zeolity s nanesenými časticami alebo kovové katalyzátory s nanometrovými rozmermi, napríklad hliníkové alebo medené, môžu výrazne zlepšiť konverziu na DME. Ultrazvuk s vysokou intenzitou je najlepšou technikou na prípravu vysoko reaktívnych nanokatalyzátorov. Zistite viac o tom, ako používať ultrazvuk na výrobu mikroporéznych a mezoporéznych katalyzátorov s vynikajúcou reaktivitou a selektivitou!

Bifunkčné katalyzátory na priamu konverziu na DME

Výroba dimetyléteru (DME) je osvedčený priemyselný proces, ktorý sa delí na dva kroky: najprv katalytická hydrogenácia syntézneho plynu na metanol (CO / CO₂ + 3H₂ → CH₃OH + H₂HO) a následne katalytická dehydratácia metanolu na kyslých katalyzátoroch za vzniku produktu (2CH₃OH → CH₃OCH₃ + H₂O). Hlavné obmedzenie tejto dvojkrokovej syntézy DME súvisí s nepriaznivou termodynamikou počas fázy syntézy metanolu, čo vedie k nízkej konverzii plynu pri jednom priechode (15–25%). V dôsledku toho sú potrebné vysoké recirkulačné pomery a vznikajú vysoké investičné aj prevádzkové náklady.
Na prekonanie tohto termodynamického obmedzenia je podstatne výhodnejšia priama syntéza DME: Pri priamej konverzii na DME sa krok syntézy metanolu spája s krokom dehydratácie v jednom reaktore
(2CO / CO₂ + 6H₂ → CH₃OCH₃ + 3H₂O).

Priama syntéza DME umožňuje zvýšiť úroveň konverzie v každom kroku až na 19%, čo znamená výrazné zníženie investičných a prevádzkových nákladov na výrobu DME. Podľa odhadov sa náklady na výrobu DME priamou syntézou znižujú o 20–30% v porovnaní s konvenčným dvojkrokovým procesom konverzie. Na uskutočnenie priamej syntézy DME je potrebný vysoko účinný hybridný bifunkčný katalytický systém. Požadovaný katalyzátor musí poskytovať funkciu hydrogenácie CO / CO2 na syntézu metanolu aj kyslé funkcie, ktoré podporujú dehydratáciu metanolu. (porov. Millán et al. 2020)

Syntéza vysoko reaktívnych katalyzátorov na konverziu na DME pomocou výkonového ultrazvuku

Reaktivitu a selektivitu katalyzátorov na konverziu na dimetyléter možno výrazne zlepšiť ultrazvukovým spracovaním. Zeolity, ako sú kyslé zeolity (napr. hlinitokremičitanový zeolit HZSM-5) a zeolity s nanesenými časticami (napr. CuO/ZnO/Al₂O₃), sú hlavnými katalyzátormi, ktoré sa úspešne používajú na výrobu DME.

Chlorácia a fluorácia zeolitov sú účinné metódy na úpravu katalytickej kyslosti. V štúdii výskumného tímu Aboul-Fotouha sa chlórované a fluórované zeolitové katalyzátory pripravili impregnáciou zeolitov (H-ZSM-5, H-MOR alebo H-Y) pomocou dvoch halogénových prekurzorov (chloridu amónneho a fluoridu amónneho). Vplyv pôsobenia ultrazvuku sa hodnotil s cieľom optimalizovať oba halogénové prekurzory na výrobu dimetyléteru (DME) dehydratáciou metanolu v reaktore s pevným lôžkom. Porovnávací test katalýzy DME ukázal, že halogenované zeolitové katalyzátory pripravené pôsobením ultrazvuku vykazujú vyššiu účinnosť pri tvorbe DME. (Aboul-Fotouh et al., 2016)
V ďalšej štúdii výskumný tím skúmal všetky dôležité premenné ultrazvukového spracovania pri dehydratácii metanolu na zeolitových katalyzátoroch H-MOR na výrobu dimetyléteru. Na svoje experimenty s ultrazvukom výskumný tím použil sondový ultrazvukový prístroj Hielscher UP50H. Snímkovanie ultrazvukom spracovaného zeolitu H-MOR (mordenitového zeolitu) pomocou rastrovacieho elektrónového mikroskopu (SEM) objasnilo, že samotný metanol použitý ako médium na ultrazvukové spracovanie poskytuje najlepšie výsledky z hľadiska homogenity veľkostí častíc v porovnaní s neošetreným katalyzátorom, v ktorom sa vyskytovali veľké aglomeráty a nehomogénne zhluky. Tieto zistenia potvrdili, že ultrazvukové spracovanie má výrazný vplyv na rozlíšenie elementárnej bunky, a tým aj na katalytické správanie pri dehydratácii metanolu na dimetyléter (DME). NH3-TPD ukazuje, že pôsobenie ultrazvuku zvýšilo kyslosť katalyzátora H-MOR, a tým aj jeho katalytickú účinnosť pri tvorbe DME. (Aboul-Gheit et al., 2014)

Takmer všetok komerčne vyrábaný DME sa vyrába dehydratáciou metanolu s použitím rôznych tuhých kyslých katalyzátorov, ako sú zeolity, oxid kremičitý–oxid hlinitý, oxid hlinitý, Al₂O₃–B₂O₃, atď. podľa nasledujúcej reakcie:
2CH₃OH <—> CH₃OCH₃ +H₂O(-22,6k jmol^-1)

Koshbin a Haghighi (2013) pripravili nanokatalyzátory CuO–ZnO–Al₂O₃/HZSM-5 kombinovanou metódou koprecipitácie a ultrazvukového spracovania. Výskumný tím zistil, „že využitie ultrazvukovej energie má veľký vplyv na disperziu zložky zabezpečujúcej hydrogenáciu CO, a tým aj na účinnosť syntézy DME. Stabilita nanokatalyzátora syntetizovaného za pomoci ultrazvuku sa skúmala počas reakcie premeny syntézneho plynu na DME. Nanokatalyzátor stráca počas reakcie zanedbateľnú časť aktivity v dôsledku tvorby koksu na formách medi.“ [Khoshbin and Haghighi, 2013.]

Alternatívnym nezeolitovým nanokatalyzátorom, ktorý je tiež veľmi účinný pri podpore premeny na DME, je pórovitý katalyzátor z γ-oxidu hlinitého s nanometrovými rozmermi. Pórovitý γ-oxid hlinitý s nanometrovými rozmermi bol úspešne syntetizovaný zrážaním za ultrazvukového miešania. Sonochemické spracovanie podporuje syntézu nanočastíc. (porov. Rahmanpour et al., 2012)

Prečo sú nanokatalyzátory pripravené ultrazvukom lepšie?

Na výrobu heterogénnych katalyzátorov sú často potrebné materiály s vysokou pridanou hodnotou, napríklad drahé kovy. To zvyšuje cenu katalyzátorov, a preto sú zvyšovanie ich účinnosti a predlžovanie ich životného cyklu dôležitými ekonomickými faktormi. Spomedzi metód prípravy nanokatalyzátorov sa sonochemická technika považuje za vysoko účinnú metódu. Schopnosť ultrazvuku vytvárať vysoko reaktívne povrchy, zlepšovať miešanie a zvyšovať prenos hmoty z neho robí mimoriadne sľubnú techniku, ktorú sa oplatí skúmať na prípravu a aktiváciu katalyzátorov. Umožňuje vytvárať homogénne a dispergované nanočastice bez potreby drahých prístrojov a extrémnych podmienok.
Vo viacerých výskumných štúdiách vedci dospeli k záveru, že ultrazvuková príprava katalyzátorov 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 prenos hmoty z nej robí mimoriadne sľubnú techniku, ktorú sa oplatí skúmať na prípravu a aktiváciu katalyzátorov. Umožňuje vytvárať homogénne a dispergované nanočastice bez potreby drahých prístrojov a extrémnych podmienok. (porov. Koshbin a Haghighi, 2014)

Vysokovýkonné ultrazvukové prístroje na syntézu mezopórovitých katalyzátorov

Sonochemické zariadenia na syntézu vysokovýkonných nanokatalyzátorov sú bežne dostupné v akejkoľvek veľkosti – od kompaktných laboratórnych ultrazvukových prístrojov až po plne priemyselné ultrazvukové reaktory. Hielscher Ultrasonics navrhuje, vyrába a distribuuje vysokovýkonné ultrazvukové prístroje. Všetky ultrazvukové systémy sa vyrábajú v sídle spoločnosti v nemeckom Teltowe a odtiaľ sa distribuujú do celého sveta.
Sofistikovaný hardvér a inteligentný softvér ultrazvukových prístrojov Hielscher sú navrhnuté tak, aby zaručovali spoľahlivú prevádzku, reprodukovateľné výsledky a jednoduché používanie. Ultrazvukové prístroje Hielscher sú robustné a spoľahlivé, čo umožňuje ich inštaláciu a prevádzku v náročných prevádzkových podmienkach. K prevádzkovým nastaveniam možno jednoducho pristupovať a upravovať ich prostredníctvom intuitívnej ponuky dostupnej cez digitálny farebný dotykový displej a diaľkové ovládanie cez prehliadač. Všetky podmienky spracovania, ako sú čistá energia, celková energia, amplitúda, čas, tlak a teplota, sa preto automaticky zaznamenávajú na zabudovanú kartu SD. To vám umožňuje kontrolovať a porovnávať predchádzajúce sonikačné cykly a optimalizovať syntézu a funkcionalizáciu nanokatalyzátorov na dosiahnutie najvyššej účinnosti.
Systémy Hielscher Ultrasonics sa celosvetovo používajú na procesy sonochemickej syntézy a ich spoľahlivosť pri syntéze vysokokvalitných zeolitových nanokatalyzátorov a derivátov zeolitov je overená. Priemyselné ultrazvukové prístroje Hielscher dokážu bez problémov pracovať s vysokými amplitúdami v nepretržitej prevádzke (24/7/365). So štandardnými sonotródami (ultrazvukovými sondami / rohmi) možno jednoducho a nepretržite generovať amplitúdy až do 200µm. Pre ešte vyššie amplitúdy sú k dispozícii ultrazvukové sonotródy vyrobené na mieru. Vďaka svojej robustnosti a nízkym nárokom na údržbu sa naše ultrazvukové prístroje bežne inštalujú na náročné aplikácie a do náročných prostredí.
Ultrazvukové procesory Hielscher na sonochemické syntézy, funkcionalizáciu, nanoštruktúrovanie a deaglomeráciu sú už celosvetovo nainštalované v komerčnom meradle. Kontaktujte nás a prediskutujte s nami svoj proces výroby nanokatalyzátorov! Náš skúsený personál vám rád poskytne ďalšie informácie o postupe sonochemickej syntézy, ultrazvukových systémoch a cenách!
Vďaka výhodám metódy ultrazvukovej syntézy bude vaša výroba mezoporéznych nanokatalyzátorov v porovnaní s inými procesmi syntézy katalyzátorov vynikať účinnosťou, jednoduchosťou a nízkymi nákladmi!

Nasledujúca tabuľka poskytuje orientačný prehľad o približnej spracovateľskej kapacite našich ultrazvukových prístrojov: