Ultrazvočna priprava katalizovalcev za pretvorbo dimetil etra (DME)

Dimetil eter (DME) je ugodno alternativno gorivo, ki ga je mogoče sintetizizirati iz metanola, CO₂ ali singaso s katalizo. Za katalitično pretvorbo v DME so potrebni močni katalizovalci. Mezoporozen katalizniki, kot so mezoporozen kisli zeoliti, okrašeni zeoliti ali kovinski katalizniki nano velikosti, kot sta aluminij ali baker, lahko bistveno izboljšajo pretvorbo DME. Ultrazvok visoke intenzivnosti je vrhunska tehnika za pripravo visoko reaktivnih nano-katalizovalcev. Preberite več o tem, kako uporabljati ultrasonication za proizvodnjo mikro- in mezoporoznih katalizovalcev z odlično reaktivnostjo in selektivnostjo!

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).

Neposredna sinteza DME omogoča povečanje ravni pretvorbe na korak, do 19 %, kar pomeni znatno znižanje stroškov v zvezi z naložbami in operativnimi proizvodnimi stroški DME. Na podlagi ocen se stroški proizvodnje DME pri neposredni sintezi v primerjavi s konvencionalnim postopkom pretvorbe v dveh korakih zmanjšajo za 20–30 %. Za delovanje neposredne sintezne poti DME je potreben zelo učinkovit hibridni bifunkcionalni katalitični sistem. Zahtevani katalizovalec mora ponuditi funkcionalnost hidrogenacije CO / CO2 za sintezo metanola in kisle funkcionalnosti, ki pomagajo pri dehidraciji metanola. (prim. 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.

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)

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)

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: