Përgatitja me ultratinguj e katalizatorëve për shndërrimin në eter dimetilik (DME)

Eteri dimetilik (DME) është një lëndë djegëse alternative e favorshme, e cila mund të sintetizohet nga metanoli, CO₂ ose gazi i sintezës nëpërmjet katalizës. Për shndërrimin katalitik në DME nevojiten katalizatorë të fuqishëm. Katalizatorët mezoporozë me përmasa nanometrike, si zeolitet acide mezoporoze, zeolitet e dekoruara ose katalizatorët metalikë me përmasa nanometrike, si alumini ose bakri, mund ta përmirësojnë ndjeshëm shndërrimin në DME. Ultratingulli me intensitet të lartë është teknika më e mirë për përgatitjen e nanokatalizatorëve shumë reaktivë. Mësoni më shumë se si të përdorni trajtimin me ultratinguj për prodhimin e katalizatorëve mikroporozë dhe mezoporozë me reaktivitet dhe selektivitet të shkëlqyer!

Katalizatorë dyfunksionalë për shndërrimin e drejtpërdrejtë në DME

Prodhimi i eterit dimetilik (DME) është një proces industrial i konsoliduar që ndahet në dy hapa: së pari, hidrogjenimi katalitik i gazit të sintezës në metanol (CO / CO₂ + 3H₂ → CH₃OH + H₂HO) dhe së dyti, dehidratimi katalitik pasues i metanolit mbi katalizatorë acidë për të prodhuar (2CH₃OH → CH₃OCH₃ + H₂O). Kufizimi kryesor i kësaj sinteze të DME-së në dy hapa lidhet me termodinamikën e ulët gjatë fazës së sintezës së metanolit, e cila sjell një shndërrim të ulët të gazit për çdo kalim (15–25%). Si rrjedhojë, shfaqen raporte të larta riqarkullimi, si dhe kosto të larta kapitale dhe operative.
Për të kapërcyer këtë kufizim termodinamik, sinteza e drejtpërdrejtë e DME-së është dukshëm më e favorshme: në shndërrimin e drejtpërdrejtë në DME, hapi i sintezës së metanolit bashkohet me hapin e dehidratimit në një reaktor të vetëm
(2CO / CO₂ + 6H₂ → CH₃OCH₃ + 3H₂O).

Sinteza e drejtpërdrejtë e DME-së mundëson rritjen e niveleve të shndërrimit për çdo hap, deri në 19%, çka nënkupton ulje të ndjeshme të kostove të investimit dhe të kostove operative të prodhimit të DME-së. Sipas vlerësimeve, kostot e prodhimit të DME-së në sintezën e drejtpërdrejtë ulen me 20–30% krahasuar me procesin konvencional të shndërrimit në dy hapa. Për të zbatuar rrugën e sintezës së drejtpërdrejtë të DME-së, nevojitet një sistem katalitik hibrid dyfunksional me efikasitet shumë të lartë. Katalizatori i kërkuar duhet të ofrojë funksionalitetin për hidrogjenimin e CO / CO2 për sintezën e metanolit dhe funksionalitetet acide, të cilat ndihmojnë dehidratimin e metanolit. (shih Millán et al. 2020)

Sinteza e katalizatorëve shumë reaktivë për shndërrimin në DME duke përdorur ultratinguj me fuqi të lartë

Reaktiviteti dhe selektiviteti i katalizatorëve për shndërrimin në eter dimetilik mund të përmirësohen ndjeshëm nëpërmjet trajtimit me ultratinguj. Zeolitet, si zeolitet acide (p.sh., zeoliti aluminosilikat HZSM-5) dhe zeolitet e dekoruara (p.sh., me CuO/ZnO/Al₂O₃), janë katalizatorët kryesorë që përdoren me sukses për prodhimin e DME-së.

Klorimi dhe fluorimi i zeoliteve janë metoda efektive për rregullimin e aciditetit katalitik. Në studimin e ekipit kërkimor të Aboul-Fotouh, katalizatorët zeolitikë të kloruar dhe të fluoruar u përgatitën nëpërmjet imprenjimit të zeoliteve (H-ZSM-5, H-MOR ose H-Y) duke përdorur dy prekursorë halogjenësh (klorur amoni dhe fluorur amoni). Ndikimi i rrezatimit ultrasonik u vlerësua për optimizimin e të dy prekursorëve halogjenikë për prodhimin e eterit dimetilik (DME) nëpërmjet dehidratimit të metanolit në një reaktor me shtrat fiks. Prova krahasuese e katalizës së DME tregoi se katalizatorët zeolitikë të halogjenuar, të përgatitur nën rrezatim ultrasonik, shfaqin performancë më të lartë për formimin e DME. (Aboul-Fotouh et al., 2016)
Në një studim tjetër, ekipi kërkimor hetoi të gjitha ndryshoret e rëndësishme të sonikimit që hasen gjatë kryerjes së dehidratimit të metanolit mbi katalizatorë zeolitikë H-MOR për të prodhuar eter dimetilik. Për eksperimentet e sonikimit, ekipi kërkimor përdori sonikatorin me sondë Hielscher UP50H. Imazhet e marra me mikroskop elektronik skanues (SEM) të zeolitit H-MOR të sonikuar (zeolit mordenit) kanë sqaruar se metanoli i përdorur i vetëm si mjedis sonikimi jep rezultatet më të mira për sa i përket homogjenitetit të madhësive të grimcave, krahasuar me katalizatorin e patrajtuar, ku u shfaqën aglomerate të mëdha dhe grupime johomogjene. Këto gjetje vërtetuan se sonikimi ka një ndikim të thellë në rezolucionin e qelizës elementare dhe, rrjedhimisht, në sjelljen katalitike të dehidratimit të metanolit në eter dimetilik (DME). NH3-TPD tregon se rrezatimi ultrasonik ka rritur aciditetin e katalizatorit H-MOR dhe, rrjedhimisht, performancën e tij katalitike për formimin e DME. (Aboul-Gheit et al., 2014)

Pothuajse i gjithë DME komercial prodhohet nëpërmjet dehidratimit të metanolit duke përdorur katalizatorë të ndryshëm acidë të ngurtë, si zeolitet, silicë–aluminë, aluminë, Al₂O₃–B₂O₃, etj., sipas reaksionit të mëposhtëm:
2CH₃OH <—> CH₃OCH₃ +H₂O(-22,6k jmol^-1)

Koshbin dhe Haghighi (2013) përgatitën nanokatalizatorë CuO–ZnO–Al₂O₃/HZSM-5 nëpërmjet një metode të kombinuar bashkëprecipitimi–ultratinguj. Ekipi kërkimor zbuloi “se përdorimi i energjisë ultrasonike ka ndikim të madh në shpërndarjen e funksionit të hidrogjenimit të CO dhe, rrjedhimisht, në performancën e sintezës së DME. Qëndrueshmëria e nanokatalizatorit të sintetizuar me ndihmën e ultratingujve u hetua gjatë reaksionit të shndërrimit të gazit të sintezës në DME. Nanokatalizatori pëson një humbje të papërfillshme të aktivitetit gjatë reaksionit për shkak të formimit të koksit mbi speciet e bakrit.” [Khoshbin and Haghighi, 2013.]

Një nanokatalizator alternativ jozeolitik, i cili është gjithashtu shumë efikas në nxitjen e shndërrimit në DME, është një katalizator poroz γ-alumine me përmasa nanometrike. γ-alumina poroze me përmasa nanometrike u sintetizua me sukses nëpërmjet precipitimit gjatë përzierjes me ultratinguj. Trajtimi sonokimik nxit sintezën e nanogrimcave. (shih Rahmanpour et al., 2012)

Pse janë më të mirë nanokatalizatorët e përgatitur me ultratinguj?

Për prodhimin e katalizatorëve heterogjenë shpesh kërkohen materiale me vlerë të shtuar të lartë, siç janë metalet e çmuara. Kjo i bën katalizatorët të kushtueshëm dhe, për rrjedhojë, rritja e efikasitetit dhe zgjatja e ciklit të jetës së katalizatorëve janë faktorë të rëndësishëm ekonomikë. Ndër metodat e përgatitjes së nanokatalizatorëve, teknika sonokimike konsiderohet një metodë shumë efikase. Aftësia e ultratingujve për të krijuar sipërfaqe shumë reaktive, për të përmirësuar përzierjen dhe për të rritur transportin e masës e bën këtë teknikë veçanërisht premtuese për t’u hulumtuar për përgatitjen dhe aktivizimin e katalizatorëve. Ajo mund të prodhojë nanogrimca homogjene dhe të disperguara pa pasur nevojë për instrumente të kushtueshme dhe kushte ekstreme.
Në disa studime kërkimore, shkencëtarët arrijnë në përfundimin se përgatitja e katalizatorëve me ultratinguj është metoda më e favorshme për prodhimin e nanokatalizatorëve homogjenë. Ndër metodat e përgatitjes së nanokatalizatorëve, teknika sonokimike konsiderohet një metodë shumë efikase. Aftësia e trajtimit intensiv me ultratinguj për të krijuar sipërfaqe shumë reaktive, për të përmirësuar përzierjen dhe për të rritur transportin e masës e bën këtë teknikë veçanërisht premtuese për t’u hulumtuar për përgatitjen dhe aktivizimin e katalizatorëve. Ajo mund të prodhojë nanogrimca homogjene dhe të disperguara pa pasur nevojë për instrumente të kushtueshme dhe kushte ekstreme. (cf. Koshbin and Haghighi, 2014)

Pajisje ultrasonike me performancë të lartë për sintezën e katalizatorëve mezoporozë

Pajisjet sonokimike për sintezën e nanokatalizatorëve me performancë të lartë janë lehtësisht të disponueshme në çdo madhësi – nga pajisjet ultrasonike kompakte laboratorike deri te reaktorët ultrasonikë plotësisht industrialë. Hielscher Ultrasonics projekton, prodhon dhe shpërndan pajisje ultrasonike me fuqi të lartë. Të gjitha sistemet ultrasonike prodhohen në selinë qendrore në Teltow, Gjermani, dhe shpërndahen prej andej në të gjithë botën.
Hardueri i sofistikuar dhe softueri inteligjent i pajisjeve ultrasonike Hielscher janë projektuar për të garantuar funksionim të besueshëm, rezultate të riprodhueshme dhe lehtësi përdorimi. Pajisjet ultrasonike Hielscher janë të qëndrueshme dhe të besueshme, gjë që mundëson instalimin dhe përdorimin e tyre në kushte pune të rënda. Cilësimet e funksionimit mund të hapen dhe të rregullohen lehtësisht përmes një menyje intuitive, e cila mund të hapet nëpërmjet ekranit digjital me prekje me ngjyra dhe telekomandimit përmes shfletuesit. Kështu, të gjitha kushtet e përpunimit, si energjia neto, energjia totale, amplituda, koha, presioni dhe temperatura, regjistrohen automatikisht në një kartë SD të integruar. Kjo ju mundëson të rishikoni dhe të krahasoni ciklet e mëparshme të sonikimit dhe të optimizoni sintezën dhe funksionalizimin e nanokatalizatorëve për të arritur efikasitetin më të lartë.
Sistemet Hielscher Ultrasonics përdoren në mbarë botën për procese të sintezës sonokimike dhe kanë dëshmuar besueshmërinë e tyre për sintezën e nanokatalizatorëve zeolitikë me cilësi të lartë, si dhe të derivateve të zeolitit. Pajisjet ultrasonike industriale Hielscher mund të punojnë lehtësisht me amplituda të larta në funksionim të vazhdueshëm (24/7/365). Me sonotroda standarde (sonda / brirë ultrasonikë) mund të gjenerohen lehtësisht dhe vazhdimisht amplituda deri në 200µm. Për amplituda edhe më të larta, ofrohen sonotroda ultrasonike të përshtatura sipas kërkesave. Falë qëndrueshmërisë dhe nevojës së ulët për mirëmbajtje, pajisjet tona ultrasonike instalohen zakonisht për aplikime në kushte pune të rënda dhe në mjedise kërkuese.
Procesorët ultrasonikë Hielscher për sinteza sonokimike, funksionalizim, nanostrukturim dhe deaglomerim janë instaluar tashmë në shkallë tregtare në mbarë botën. Na kontaktoni tani për të diskutuar procesin tuaj të prodhimit të nanokatalizatorëve! Stafi ynë me përvojë të gjerë do të ndajë me kënaqësi më shumë informacion për rrugën e sintezës sonokimike, sistemet ultrasonike dhe çmimet!
Falë përparësisë së metodës së sintezës ultrasonike, prodhimi juaj i nanokatalizatorëve mezoporozë do të shquhet për efikasitet, thjeshtësi dhe kosto të ulët krahasuar me proceset e tjera të sintezës së katalizatorëve!

Tabela më poshtë ju jep një ide për kapacitetin e përafërt të përpunimit të pajisjeve tona ultrasonike: