Ultrazvočna priprava katalizatorjev za pretvorbo v dimetil eter (DME)

Dimetil eter (DME) je ugodno alternativno gorivo, ki ga je mogoče s katalizo sintetizirati iz metanola, CO₂ ali sinteznega plina. Za katalitsko pretvorbo v DME so potrebni učinkoviti katalizatorji. Mezoporozni katalizatorji nanometrskih velikosti, kot so mezoporozni kisli zeoliti, zeoliti z nanesenimi delci ali kovinski katalizatorji nanometrskih velikosti, kot sta aluminij ali baker, lahko znatno izboljšajo pretvorbo v DME. Visokointenzivni ultrazvok je vrhunska tehnika za pripravo zelo reaktivnih nanokatalizatorjev. Preberite več o uporabi ultrazvočne obdelave za proizvodnjo mikro- in mezoporoznih katalizatorjev z odlično reaktivnostjo in selektivnostjo!

Bifunkcionalni katalizatorji za neposredno pretvorbo v DME

Proizvodnja dimetil etra (DME) je dobro uveljavljen industrijski proces, razdeljen na dva koraka: najprej katalitsko hidrogeniranje sinteznega plina v metanol (CO / CO₂ + 3H₂ → CH₃OH + H₂HO), nato pa naknadna katalitska dehidracija metanola na kislih katalizatorjih za proizvodnjo (2CH₃OH → CH₃OCH₃ + H₂O). Glavna omejitev te dvostopenjske sinteze DME je povezana z nizko termodinamiko v fazi sinteze metanola, kar povzroči nizko pretvorbo plina pri posameznem prehodu (15–25%). Pri tem se pojavljajo visoka recirkulacijska razmerja ter visoki investicijski in obratovalni stroški.
Za premagovanje te termodinamske omejitve je neposredna sinteza DME znatno ugodnejša: pri neposredni pretvorbi v DME je korak sinteze metanola povezan s korakom dehidracije v enem reaktorju
(2CO / CO₂ + 6H₂ → CH₃OCH₃ + 3H₂O).

Neposredna sinteza DME omogoča povečanje stopnje pretvorbe pri posameznem koraku do 19%, kar pomeni znatno znižanje investicijskih in obratovalnih stroškov proizvodnje DME. Po ocenah se stroški proizvodnje DME pri neposredni sintezi v primerjavi s konvencionalnim dvostopenjskim procesom pretvorbe zmanjšajo za 20–30%. Za izvajanje neposredne sinteze DME je potreben zelo učinkovit hibridni bifunkcionalni katalitski sistem. Zahtevani katalizator mora zagotavljati funkcionalnost za hidrogeniranje CO / CO2 pri sintezi metanola ter kisle funkcionalnosti, ki pomagajo pri dehidraciji metanola. (prim. Millán et al. 2020)

Sinteza zelo reaktivnih katalizatorjev za pretvorbo v DME z uporabo visokozmogljivega ultrazvoka

Reaktivnost in selektivnost katalizatorjev za pretvorbo v dimetil eter je mogoče znatno izboljšati z ultrazvočno obdelavo. Zeoliti, kot so kisli zeoliti (npr. aluminosilikatni zeolit HZSM-5) in zeoliti z nanesenimi delci (npr. s CuO/ZnO/Al₂O₃), so glavni katalizatorji, ki se uspešno uporabljajo za proizvodnjo DME.

Kloriranje in fluoriranje zeolitov sta učinkoviti metodi za uravnavanje katalitske kislosti. V študiji raziskovalne skupine Aboul-Fotouha so klorirane in fluorirane zeolitne katalizatorje pripravili z impregnacijo zeolitov (H-ZSM-5, H-MOR ali H-Y) z uporabo dveh halogenskih prekurzorjev (amonijevega klorida in amonijevega fluorida). Vpliv ultrazvočnega obsevanja so ovrednotili za optimizacijo obeh halogenskih prekurzorjev za proizvodnjo dimetil etra (DME) z dehidracijo metanola v reaktorju s fiksno plastjo. Primerjalni preskus katalize DME je pokazal, da so halogenirani zeolitni katalizatorji, pripravljeni med ultrazvočnim obsevanjem, učinkovitejši pri tvorbi DME. (Aboul-Fotouh et al., 2016)
V drugi študiji je raziskovalna skupina proučevala vse pomembne spremenljivke ultrazvočne obdelave, s katerimi so se srečali pri izvajanju dehidracije metanola na zeolitnih katalizatorjih H-MOR za proizvodnjo dimetil etra. Za poskuse sonikacije je raziskovalna skupina uporabila ultrazvočno napravo s sondo Hielscher UP50H. Slikanje sonikiranega zeolita H-MOR (zeolita mordenita) z vrstičnim elektronskim mikroskopom (SEM) je pokazalo, da sam metanol, uporabljen kot medij za ultrazvočno obdelavo, daje najboljše rezultate glede homogenosti velikosti delcev v primerjavi z neobdelanim katalizatorjem, pri katerem so se pojavili veliki aglomerati in nehomogene skupine delcev. Te ugotovitve so potrdile, da ima ultrazvočna obdelava velik vpliv na ločljivost osnovne celice in s tem na katalitsko obnašanje pri dehidraciji metanola v dimetil eter (DME). NH3-TPD kaže, da je ultrazvočno obsevanje povečalo kislost katalizatorja H-MOR in s tem njegovo katalitsko učinkovitost pri tvorbi DME. (Aboul-Gheit et al., 2014)

Skoraj ves komercialni DME se proizvaja z dehidracijo metanola z uporabo različnih trdnih kislih katalizatorjev, kot so zeoliti, silicijev dioksid–aluminijev oksid, aluminijev oksid, Al₂O₃–B₂O₃ itd., po naslednji reakciji:
2CH₃OH <—> CH₃OCH₃ +H₂O(-22,6k jmol^-1)

Koshbin in Haghighi (2013) sta pripravila nanokatalizatorje CuO–ZnO–Al₂O₃/HZSM-5 s kombinirano metodo soobarjanja in ultrazvoka. Raziskovalna skupina je ugotovila, »da ima uporaba ultrazvočne energije velik vpliv na disperzijo funkcije hidrogeniranja CO in posledično na učinkovitost sinteze DME. Obstojnost nanokatalizatorja, sintetiziranega s pomočjo ultrazvoka, so proučevali med reakcijo pretvorbe sinteznega plina v DME. Nanokatalizator med reakcijo zaradi tvorbe koksa na bakrovih zvrsteh izgubi zanemarljivo malo aktivnosti.« [Khoshbin and Haghighi, 2013.]

Alternativni nezeolitni nanokatalizator, ki je prav tako zelo učinkovit pri spodbujanju pretvorbe v DME, je porozni katalizator iz γ-aluminijevega oksida nanometrske velikosti. Porozni γ-aluminijev oksid nanometrske velikosti so uspešno sintetizirali z obarjanjem med ultrazvočnim mešanjem. Sonokemijska obdelava spodbuja sintezo nanodelcev. (prim. Rahmanpour et al., 2012)

Zakaj so ultrazvočno pripravljeni nanokatalizatorji boljši?

Za proizvodnjo heterogenih katalizatorjev so pogosto potrebni materiali z visoko dodano vrednostjo, kot so plemenite kovine. Zaradi tega so katalizatorji dragi, zato sta povečanje učinkovitosti in podaljšanje življenjskega cikla katalizatorjev pomembna gospodarska dejavnika. Med metodami priprave nanokatalizatorjev velja sonokemijska tehnika za zelo učinkovito metodo. Zaradi sposobnosti ultrazvoka, da ustvari zelo reaktivne površine, izboljša mešanje in poveča prenos snovi, je to posebej obetavna tehnika za raziskovanje priprave in aktivacije katalizatorjev. Omogoča proizvodnjo homogenih in dispergiranih nanodelcev brez potrebe po dragih instrumentih in ekstremnih pogojih.
V več raziskovalnih študijah so znanstveniki ugotovili, da je ultrazvočna priprava katalizatorjev najugodnejša metoda za proizvodnjo homogenih nanokatalizatorjev. Med metodami priprave nanokatalizatorjev velja sonokemijska tehnika za zelo učinkovito metodo. Zaradi sposobnosti intenzivne sonikacije, da ustvari zelo reaktivne površine, izboljša mešanje in poveča prenos snovi, je to posebej obetavna tehnika za raziskovanje priprave in aktivacije katalizatorjev. Omogoča proizvodnjo homogenih in dispergiranih nanodelcev brez potrebe po dragih instrumentih in ekstremnih pogojih. (prim. Koshbin in Haghighi, 2014)

Visokozmogljive ultrazvočne naprave za sintezo mezoporoznih katalizatorjev

Sonokemijska oprema za sintezo visokozmogljivih nanokatalizatorjev je na voljo v vseh velikostih – od kompaktnih laboratorijskih ultrazvočnih naprav do ultrazvočnih reaktorjev za povsem industrijsko uporabo. Hielscher Ultrasonics načrtuje, proizvaja in distribuira ultrazvočne naprave visoke moči. Vsi ultrazvočni sistemi so izdelani na sedežu podjetja v Teltowu v Nemčiji in od tam distribuirani po vsem svetu.
Izpopolnjena strojna oprema in pametna programska oprema ultrazvočnih naprav Hielscher sta zasnovani tako, da zagotavljata zanesljivo delovanje, ponovljive rezultate in uporabniku prijazno uporabo. Ultrazvočne naprave Hielscher so robustne in zanesljive, kar omogoča njihovo namestitev in uporabo v zahtevnih obratovalnih pogojih. Do nastavitev delovanja lahko preprosto dostopate in jih izbirate prek intuitivnega menija, ki je dostopen prek digitalnega barvnega zaslona na dotik in daljinskega upravljanja v brskalniku. Zato se vsi pogoji obdelave, kot so neto energija, skupna energija, amplituda, čas, tlak in temperatura, samodejno beležijo na vgrajeno kartico SD. To vam omogoča pregled in primerjavo prejšnjih izvedb sonikacije ter optimizacijo sinteze in funkcionalizacije nanokatalizatorjev za največjo učinkovitost.
Sistemi Hielscher Ultrasonics se po vsem svetu uporabljajo za sonokemijske sintezne procese in so dokazano zanesljivi za sintezo visokokakovostnih zeolitnih nanokatalizatorjev ter zeolitnih derivatov. Industrijske ultrazvočne naprave Hielscher lahko brez težav delujejo z visokimi amplitudami pri neprekinjenem obratovanju (24/7/365). S standardnimi sonotrodami (ultrazvočnimi sondami / rogovi) je mogoče brez težav neprekinjeno ustvarjati amplitude do 200µm. Za še višje amplitude so na voljo prilagojene ultrazvočne sonotrode. Zaradi robustnosti in majhnih potreb po vzdrževanju so naše ultrazvočne naprave pogosto nameščene za zahtevne aplikacije in v zahtevnih okoljih.
Ultrazvočni procesorji Hielscher za sonokemijske sinteze, funkcionalizacijo, nanostrukturiranje in deaglomeracijo so že nameščeni po vsem svetu v komercialnem obsegu. Kontaktirajte nas zdaj, da se pogovorimo o vašem procesu proizvodnje nanokatalizatorjev! Naše zelo izkušeno osebje vam bo z veseljem posredovalo več informacij o poti sonokemijske sinteze, ultrazvočnih sistemih in cenah!
Zaradi prednosti metode ultrazvočne sinteze bo vaša proizvodnja mezoporoznih nanokatalizatorjev v primerjavi z drugimi procesi sinteze katalizatorjev izstopala po učinkovitosti, preprostosti in nizkih stroških!

Spodnja tabela prikazuje približno zmogljivost obdelave naših ultrazvočnih naprav: