Ultrazvočna priprava katalizovalcev za pretvorbo dimetil etra (DME)
Bifunkcionalni katalizovalci za neposredno pretvorbo DME
Proizvodnja dimetil etra (DME) je dobro uveljavljen industrijski proces, ki je razdeljen na dva koraka: prvič, katalitično hidrogenacijo singasa v metanol (CO / CO2 + 3H2 → CH3OH + H2HO) in drugič, nato katalitična dehidracija metanola nad kislimi katalizovalci za proizvodnjo (2CH3OH → CH3OCH3 + H2O). Glavna omejitev te sinteze DME v dveh korakih je povezana z nizko termodinamiko v fazi sinteze metanola, kar ima za rezultat nizko pretvorbo plina na prehod (15-25 %). Zato se pojavljajo visoka vzajemna razmerja ter visoki kapitalski in stroški poslovanja.
Da bi premagali to termodinamično omejitev, je neposredna sinteza DME bistveno ugodneje: Pri neposredni pretvorbi DME je korak sinteze metanola skupaj s korakom dehidracije v enem reaktorju
(2CO / CO2 + 6H2 → CH3OCH3 + 3H2O).

Ultrasonicator UIP2000hdT (2kW) s pretočnim reaktorjem je pogosto uporabljena nastavitev za sonokemično sintezo mezoporoznih nanokatalistov (npr. okrašenih zeoliti).

Neposredna sinteza dimetil etra (DME) iz singasa na bifunkcionalni katalizovalec.
(© Millán et al. 2020)
Sinteza visoko-reaktivnih katalizovalcev za pretvorbo DME z uporabo Power-Ultrazvok
Reaktivnost in selektivnost katalizovalcev za pretvorbo dimetil etra se lahko bistveno izboljšata z ultrazvočnim zdravljenjem. Zeoliti, kot so kisli zeoliti (npr. aluminosilikat zeolita HZSM-5) in okrašeni zeoliti (npr.2O3) so glavni katalizovalci, ki se uspešno uporabljajo za proizvodnjo DME.

Hibridna so-padavinsko-ultrazvočna sinteza CuO-ZnO-Al2O3/HZSM-5, ki se uporablja pri neposrednem pretvorbi singasa v dimetil eter kot zeleno gorivo.
Študija in slika: Khoshbin in Haghighi, 2013.]
Kloracija in fluorinacija zeolita sta učinkoviti metodi za utrditev katalitične kisline. Katalizatorji kloriranih in fluoriranih zeolita so bili pripravljeni z impregnacijo zeolita (H-ZSM-5, H-MOR ali H-Y) z uporabo dveh halogenih prekursorjev (amonijevega klorida in amonijevega fluorida) v študiji raziskovalne skupine Aboul-Fotouh. Vpliv ultrazvočnega obsevanja je bil ocenjen za optimizacijo obeh halogenih prekursorjev za proizvodnjo dimetiletra (DME) preko metanol dehidracije v reaktorju s fiksno posteljo. Primerjalno preskušanje katalizacije DME je razkrilo, da halogenirani katalizniki zeolita, pripravljeni pod ultrazvočnim obsevanjem, kažejo večjo učinkovitost za nastanek DME. (Aboul-Fotouh et al., 2016)
V drugi študiji je raziskovalna skupina preiskala vse pomembne ultrasonikacijo spremenljivke, na katere se je naletelo med izvajanjem dehidracije metanola na katalizatih H-MOR zeolita za proizvodnjo dimetiletra. Raziskovalna skupina je za svoje sonication eperimente uporabila Hielscher UP50H sonda tipa ultrasonicator. Skeniranje elektronskih mikroskopov (SEM) soniciranega zeolita H-MOR (mordenit zeolit) je pojasnilo, da metanol, ki se sam uporablja kot ultrazvočni medij, daje najboljše rezultate glede homogenosti velikosti delcev v primerjavi z nezdravljenim katalizantom, kjer so se pojavili veliki aglomerati in nehomogeni grozdi. Te ugotovitve so potrdile, da ultrasonication globoko vpliva na ločljivost celic enot in s tem na katalitično vedenje dehidracije metanola v dimetil eter (DME). NH3-TPD kaže, da je ultrazvočno obsevanje povečalo kislost H-MOR katalizovalca in zato je katalitično delovanje za oblikovanje DME. (Aboul-Gheit et al., 2014)

SEM ultrazvočnega H-MOR z uporabo različnih medijev
Študija in slike: ©Aboul-Gheit et al., 2014
Skoraj vsi komercialni DME se proizvajajo z dehidracijo metanola z različnimi katalizovalci trdne kisline, kot so zeoliti, sillica-alumina, alumina, Al2O3–B2O3itd. z naslednjim odzivom:
2CH3OH <—> Ch3OCH3 +H2O(-22.6k jmol-1)
Koshbin in Haghighi (2013) sta pripravila CuO–ZnO–Al2O3/HZSM-5 nanokatalys preko kombinirane so-padavine-ultrazvok metode. Raziskovalna skupina je ugotovila, "da ima zaposlovanje ultrazvočne energije velik vpliv na disperzijo funkcije co hidrogenacije in posledično na delovanje sinteze DME. Trajnost ultrazvoka, ki je pomagala sintetiziranje nanokatalista, so raziskovali med singaso na reakcijo DME. Nanokatalist izgubi zanemarljivo aktivnost med reakcijo zaradi nastanek koke na bakrenih vrstah." [Khoshbin in Haghighi, 2013.]
Alternativni ne-zeolit nano-katalizat, ki je zelo učinkovit tudi pri spodbujanju pretvorbe DME, je nano-velika porozna γ-alumina katalizat. Nano-velikost porozne γ-alumina je bila uspešno sintetizizirana s padavinami pod ultrazvočnim mešanjem. Sonokemično zdravljenje spodbuja sintezo nano delcev. (prim. Rahmanpour et al., 2012)
Zakaj so ultrazvočno pripravljeni nano-katalizovalci Superior?
Za proizvodnjo heterogenih katalizovalcev so pogosto potrebni materiali z visoko dodano vrednostjo, kot so plemenite kovine. Zaradi tega so katalizovalci dragi, zato sta povečanje učinkovitosti in podaljšanje življenjskega cikla katalizovalcev pomembna gospodarska dejavnika. Med metodami priprave nanokatalisti se sonokemična tehnika šteje kot zelo učinkovita metoda. Sposobnost ultrazvoka za ustvarjanje visoko reaktivnih površin, izboljšanje mešanja in povečanje množičnega prevoza je še posebej obetavna tehnika za raziskovanje priprave in aktivacije katalizovalca. Lahko proizvaja homogene in razpršene nanodelce brez potrebe po dragih instrumentih in ekstremnih pogojih.
V več raziskovalnih študijah znanstveniki pridejo do zaključka, da je ultrazvočni pripravek katalizovalca najbolj ugodna metoda za izdelavo homogenih nano-katalizovalcev. Med metodami priprave nanokatalisti se sonokemična tehnika šteje kot zelo učinkovita metoda. Sposobnost intenzivnega sonikacije za ustvarjanje zelo reaktivnih površin, izboljšanje mešanja in povečanje množičnega prevoza je še posebej obetavna tehnika za raziskovanje priprave in aktivacije katalizovalca. Lahko proizvaja homogene in razpršene nanodelce brez potrebe po dragih instrumentih in ekstremnih pogojih. (prim. Koshbin in Haghighi, 2014)

Sonokemična sinteza ima za rezultat zelo aktiven nanostrukturirano CuO–ZnO–Al2O3/HZSM-5 kataliznik.
Študija in slika: Khoshbin in Haghighi, 2013.

Shematski prikaz učinkov akustične kavitacije na spremembo kovinskih delcev. Kovine z nizko tališče (MP) kot cink (Zn) so popolnoma oksidizirane; kovine z visoko tališčem, kot je niklj (Ni) in titan (Ti) razstavljajo površinsko spremembo pod sonication. Aluminij (Al) in magnezij (Mg) tvorita mezoporozno strukturo. Nobelove kovine so odporne na ultrazvočno obsevanje zaradi svoje stabilnosti pred oksidacijo. Tališča kovin so določena v stopinjah Kelvin (K).
Ultrasonicatorji visoke zmogljivosti za sintezo mezoporoznih katalizatorjev
Sonokemična oprema za sintezo visokozmogičnih nano-katalizovalcev je lahko na voljo v kateri koli velikosti – od kompaktnih laboratorijskih ultrazvočnih reaktorjev do popolnoma industrijskih ultrazvočnih reaktorjev. Hielscher Ultrasonics modeli, izdelave, in distribuira visoko moč ultrasonicatorji. Vsi ultrazvočni sistemi so narejeni v sedežu v Teltowu v Nemčiji in distribuirani od tam po vsem svetu.
Prefinjena strojna in pametna programska oprema Hielscher ultrasonicators so zasnovani tako, da zagotavljajo zanesljivo delovanje, ponovljive rezultate, kot tudi prijaznost uporabnika. Ultrasonicatorji Hielscher so robustni in zanesljivi, kar omogoča namestitev in delovanje v težkih pogojih. Do operativnih nastavitev je mogoče enostavno dostopati in klicati preko intuitivnega menija, do katerega lahko dostopate prek digitalnega barvnega zaslona na dotik in daljinskega upravljalnika brskalnika. Zato se vsi pogoji obdelave, kot so neto energija, skupna energija, amplituda, čas, tlak in temperatura, samodejno zapišejo na vgrajeno SD kartico. To vam omogoča, da revidirate in primerjate prejšnje sonication teče in optimizirati sintezo in funkcionalnost nano-katalizovalcev z najvišjo učinkovitost.
Hielscher Ultrasonics sistemi se uporabljajo po vsem svetu za procese sonokemične sinteze in so dokazano zanesljivi za sintezo visokokakovostnih zeolitov nano-katalizovalcev, kot tudi derivatov zeolita. Hielscher industrijski ultrasonicatorji lahko brez težav zaženejo visoke amplitude v neprekinjenem delovanju (24/7/365). Amplitude do 200μm je mogoče enostavno neprekinjeno ustvarjati s standardnimi sonotrodi (ultrazvočne sonde / rogovi). Za še višje amplitude so na voljo prilagojeni ultrazvočni sonotrodi. Zaradi svoje robustnosti in nizkega vzdrževanja so naši ultrazvočniktorji običajno nameščeni za zahtevne aplikacije in v zahtevnih okoljih.
Hielscher ultrazvočni procesorji za sonokemične sinteze, funkcionalnost, nanostrukturiranje in deaglomeracijo so že nameščeni po vsem svetu v komercialnem obsegu. Kontaktirajte nas zdaj, da razpravljate o vašem procesu izdelave nano-katalizovalcev! Naše dobro izkušeno osebje bo z veseljem deliti več informacij o sonokemični sintezi pot, ultrazvočni sistemi in določanje cen!
S prednostjo metode ultrazvočne sinteze bo vaša mezoporozna nano-katalizatorska proizvodnja v primerjavi z drugimi procesi sinteze katalizatorja odlična v učinkovitosti, lahkotnosti in nizkih stroških!
V spodnji tabeli vam daje podatek o približni zmogljivosti obdelave naših ultrasonicators:
serija Volume | Pretok | Priporočena naprave |
---|---|---|
1 do 500ml | 10 do 200 ml / min | UP100H |
10 do 2000 ml | 20 do 400ml / min | UP200Ht, UP400St |
00,1 do 20L | 00,2 do 4L / min | UIP2000hdT |
10 do 100L | 2 do 10L / min | UIP4000hdT |
ni podatkov | 10 do 100L / min | UIP16000 |
ni podatkov | večja | gruča UIP16000 |
Kontaktiraj nas! / Vprašajte nas!

Dr. Andreeva-Bäumler, Univerza v Bayreuthu, sodeluje z ultrazvočni uIP1000hdT nanostrukturiranje kovin za pridobitev vrhunskih katalizovalcev.
Literatura/reference
- Ahmed, K.; Sameh, M.; Laila, I.; Naghmash, Mona (2014): Ultrasonication of H-MOR zeolite catalysts for dimethylether (DME) production as a clean fuel. Journal of Petroleum Technology and Alternative Fuels 5, 2014. 13-25.
- Reza Khoshbin, Mohammad Haghighi (2013): Direct syngas to DME as a clean fuel: The beneficial use of ultrasound for the preparation of CuO–ZnO–Al2O3/HZSM-5 nanocatalyst. Chemical Engineering Research and Design, Volume 91, Issue 6, 2013. 1111-1122.
- Kolesnikova, E.E., Obukhova, T.K., Kolesnichenko, N.V. et al. (2018): Ultrasound-Assisted Modification of Zeolite Catalyst for Dimethyl Ether Conversion to Olefins with Magnesium Compounds. Pet. Chem. 58, 2018. 863–868.
- Reza Khoshbin, Mohammad Haghighi (2014): Direct Conversion of Syngas to Dimethyl Ether as a Green Fuel over Ultrasound- Assisted Synthesized CuO-ZnO-Al2O3/HZSM-5 Nanocatalyst: Effect of Active Phase Ratio on Physicochemical and Catalytic Properties at Different Process Conditions. Catalysis Science & Technology, Volume 6, 2014.
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2014/cy/c3cy01089a - Sameh M.K. Aboul-Fotouh, Laila I. Ali, Mona A. Naghmash, Noha A.K. Aboul-Gheit (2017): Effect of the Si/Al ratio of HZSM-5 zeolite on the production of dimethyl ether before and after ultrasonication. Journal of Fuel Chemistry and Technology, Volume 45, Issue 5, 2017. 581-588.
- Rahmanpour, Omid; Shariati, Ahmad; Khosravi-Nikou, Mohammad Reza (2012): New Method for Synthesis Nano Size γ-Al2O3 Catalyst for Dehydration of Methanol to Dimethyl Ether. International Journal of Chemical Engineering and Applications 2012. 125-128.
- Millán, Elena; Mota, Noelia; Guil-Lopez, R.; Pawelec, Barbara; Fierro, José; Navarro, Rufino (2020): Direct Synthesis of Dimethyl Ether from Syngas on Bifunctional Hybrid Catalysts Based on Supported H3PW12O40 and Cu-ZnO(Al): Effect of Heteropolyacid Loading on Hybrid Structure and Catalytic Activity. Catalysts 10, 2020.
- Suslick, Kenneth S.; Hyeon, Taeghwan; Fang, Mingming; Cichowlas, Andrzej A. (1995): Sonochemical synthesis of nanostructured catalysts. Materials Science and Engineering: A. Proceedings of the Symposium on Engineering of Nanostructured Materials. ScienceDirect 204 (1–2): 186–192.
- Pavel V. Cherepanov, Daria V. Andreeva (2017): Phase structuring in metal alloys: Ultrasound-assisted top-down approach to engineering of nanostructured catalytic materials. Ultrasonics Sonochemistry 2017.
- Sameh M.K. Aboul-Fotouh, Noha A.K. Aboul-Gheit, Mona A. Naghmash (2016): Dimethylether production on zeolite catalysts activated by Cl−, F− and/or ultrasonication. Journal of Fuel Chemistry and Technology, Volume 44, Issue 4, 2016. 428-436.
Dejstva je treba vedeti
Dimetil eter (DME) kot gorivo
Ena od glavnih predvidenih uporabe dimetil etra je njegova uporaba kot nadomestek za propan v LPG (tekoči propan plin), ki se uporablja kot gorivo za vozila, v gospodinjstvih in industriji. Pri avtoplini propana lahko dimetil eter uporabimo tudi kot mešalnik.
Poleg tega je DME tudi obetavno gorivo za dizelske motorje in plinske turbine. Za dizelske motorje je visoko cetano število 55 v primerjavi s številom dizelskih goriv iz nafte s cetanim številom 40–53 zelo koristno. Potrebne so le zmerne spremembe, ki dizelski motor lahko gorijo dimetil eter. Lahkotnost te spojine kratke ogljikove verige vodi med zgorevanjem do zelo nizkih emisij trdnih delcev. Iz teh razlogov in brez žveplovega etra se izpolnjujejo tudi naj strožji predpisi o emisijah v Evropi (EURO5), ZDA (ZDA 2010) in japonski (2009 Japonska).

Hielscher Ultrasonics proizvaja visoko zmogljivost ultrazvočnih homogenizatorjev iz laboratorij do industrijske velikosti.