Ултразвучна припрема катализатора за конверзију диметил етра (ДМЕ).

Диметил етар (ДМЕ) је повољно алтернативно гориво, које се може синтетизовати из метанола, ЦО₂ или сингас кроз катализу. За каталитичку конверзију у ДМЕ, потребни су снажни катализатори. Мезопорозни катализатори нано величине као што су мезопорозни кисели зеолити, украшени зеолити или метални катализатори нано величине као што су алуминијум или бакар могу значајно побољшати ДМЕ конверзију. Ултразвук високог интензитета је врхунска техника за припрему високо реактивних нанокатализатора. Сазнајте више о томе како да користите ултразвучну обраду за производњу микро- и мезопорозних катализатора са одличном реактивношћу и селективношћу!

Бифункционални катализатори за директну ДМЕ конверзију

Производња диметил етра (ДМЕ) је добро успостављен индустријски процес који је подељен у два корака: прво, каталитичка хидрогенација сингаса у метанол (ЦО/ЦО₂ + 3Х₂ → ЦХ₃ОХ + Х₂ХО) и друго, накнадна каталитичка дехидратација метанола преко киселих катализатора да би се произвео (2ЦХ₃ОХ → ЦХ₃ОЦХ₃ + Х₂О). Главно ограничење ове двостепене ДМЕ синтезе је повезано са ниском термодинамиком током фазе синтезе метанола, што резултира ниском конверзијом гаса по пролазу (15-25%). При томе се јављају високи односи рециркулације, као и високи капитални и оперативни трошкови.
Да би се превазишло ово термодинамичко ограничење, директна синтеза ДМЕ је знатно повољнија: У директној конверзији ДМЕ, корак синтезе метанола је повезан са кораком дехидратације у једном реактору
(2ЦО / ЦО₂ + 6Х₂ → ЦХ₃ОЦХ₃ + 3Х₂О).

Директна синтеза ДМЕ омогућава повећање нивоа конверзије по кораку, до 19%, што значи значајно смањење трошкова у погледу инвестиционих и оперативних трошкова производње ДМЕ. На основу процена, трошкови производње ДМЕ у директној синтези су смањени за 20-30% у поређењу са конвенционалним процесом конверзије у два корака. Да би се функционисао директан пут синтезе ДМЕ, неопходан је високо ефикасан хибридни бифункционални каталитички систем. Потребан катализатор мора да нуди функционалност за ЦО/ЦО2 хидрогенацију за синтезу метанола и киселе функционалности, које помажу дехидратацију метанола. (уп. Миллан ет ал. 2020)

Синтеза високореактивних катализатора за ДМЕ конверзију коришћењем ултразвука

Реактивност и селективност катализатора за конверзију диметил етра могу се значајно побољшати ултразвучним третманом. Зеолити као што су кисели зеолити (нпр. алуминосиликатни зеолит ХЗСМ-5) и украшени зеолити (нпр. са ЦуО/ЗнО/Ал₂О₃) су главни катализатори који се успешно користе за производњу ДМЕ.

Хлорисање и флуоровање зеолита су ефикасне методе за подешавање каталитичке киселости. Хлоровани и флуоровани зеолит катализатори су припремљени импрегнацијом зеолита (Х-ЗСМ-5, Х-МОР или ХИ) коришћењем два прекурсора халогена (амонијум хлорид и амонијум флуорид) у студији истраживачког тима Абоул-Фотоуха. Утицај ултразвучног зрачења је процењен за оптимизацију оба прекурсора халогена за производњу диметилетра (ДМЕ) дехидратацијом метанола у реактору са фиксним слојем. Упоредно испитивање ДМЕ катализе открило је да халогеновани зеолитни катализатори припремљени под ултразвучним зрачењем показују веће перформансе за формирање ДМЕ. (Абоул-Фотоух ет ал., 2016)
У другој студији, истраживачки тим је истражио све важне ултразвучне варијабле које су се сусреле током дехидратације метанола на Х-МОР зеолитним катализаторима да би се добио диметилетар. За своје Соницатион експерименте, истраживачки тим је користио Хиелсцхер УП50Х ултрасоникатор типа сонде. Снимање скенирајућим електронским микроскопом (СЕМ) ултразвучног Х-МОР зеолита (Морденит зеолита) је разјаснило да метанол који се сам по себи користи као ултразвучни медијум даје најбоље резултате у погледу хомогености величина честица у поређењу са необрађеним катализатором, где су велики агломерати и не -појавили су се хомогени кластери. Ови налази су потврдили да ултразвук има дубок утицај на резолуцију јединичне ћелије, а тиме и на каталитичко понашање дехидратације метанола у диметил етар (ДМЕ). НХ3-ТПД показује да је ултразвучно зрачење повећало киселост Х-МОР катализатора и стога је то каталитичке перформансе за формирање ДМЕ. (Абоул-Гхеит ет ал., 2014)

Скоро сав комерцијални ДМЕ се производи дехидратацијом метанола коришћењем различитих катализатора чврсте киселине као што су зеолити, силицијум-алуминијум, глиница, Ал₂О₃–Б₂О₃итд. следећом реакцијом:
2ЦХ₃ОХ <—> ЦХ₃ОЦХ₃ +Х₂О(-22,6к јмол^-1)

Косхбин и Хагхигхи (2013) су припремили ЦуО–ЗнО–Ал₂О₃/ХЗСМ-5 нанокатализатори комбинованом копреципитационо-ултразвучном методом. Истраживачки тим је открио „да коришћење ултразвучне енергије има велики утицај на дисперзију функције хидрогенације ЦО и последично на перформансе синтезе ДМЕ. Трајност синтетизованог нанокатализатора уз помоћ ултразвука је испитивана током реакције синтезног гаса на ДМЕ. Нанокатализатор губи занемарљиву активност током реакције због формирања кокса на врстама бакра. [Кхосхбин и Хагхигхи, 2013.]

Алтернативни незеолитни нано-катализатор, који је такође веома ефикасан у промовисању ДМЕ конверзије, је порозни γ-алуминијум катализатор нано величине. Порозни γ-алуминијум нано величине успешно је синтетизован таложењем уз ултразвучно мешање. Сонохемијски третман промовише синтезу нано честица. (уп. Рахманпоур ет ал., 2012)

Зашто су ултразвучно припремљени нанокатализатори супериорни?

За производњу хетерогених катализатора често су потребни материјали са високом додатом вредношћу као што су племенити метали. Ово чини катализаторе скупим и стога су побољшање ефикасности као и продужење животног циклуса катализатора важни економски фактори. Међу методама припреме нанокатализатора, сонохемијска техника се сматра високоефикасном методом. Способност ултразвука да створи високо реактивне површине, да побољша мешање и повећа транспорт масе чини га посебно обећавајућом техником за истраживање за припрему и активацију катализатора. Може да произведе хомогене и дисперговане наночестице без потребе за скупим инструментима и екстремним условима.
У неколико истраживачких студија, научници долазе до закључка да је ултразвучна припрема катализатора најповољнија метода за производњу хомогених нанокатализатора. Међу методама припреме нанокатализатора, сонохемијска техника се сматра високоефикасном методом. Способност интензивне соникације да створи високо реактивне површине, побољша мешање и повећа транспорт масе чини га посебно обећавајућом техником за истраживање за припрему и активацију катализатора. Може да произведе хомогене и дисперговане наночестице без потребе за скупим инструментима и екстремним условима. (уп. Кошбин и Хагиги, 2014)

Ултрасоникатори високих перформанси за синтезу мезопорозних катализатора

Сонохемијска опрема за синтезу нанокатализатора високих перформанси је лако доступна у било којој величини – од компактних лабораторијских ултразвучних апарата до потпуно индустријских ултразвучних реактора. Хиелсцхер Ултрасоницс дизајнира, производи и дистрибуира ултрасоникаторе велике снаге. Сви ултразвучни системи се производе у седишту у Телтову у Немачкој и одатле се дистрибуирају широм света.
Софистицирани хардвер и паметни софтвер Хиелсцхер ултрасоникатора су дизајнирани да гарантују поуздан рад, поновљиве резултате као и једноставност за коришћење. Хиелсцхер ултрасоникатори су робусни и поуздани, што омогућава да се инсталирају и раде под тешким условима рада. Оперативним подешавањима се може лако приступити и бирати их преко интуитивног менија, коме се може приступити преко дигиталног екрана осетљивог на додир у боји и даљинског управљача претраживача. Због тога се сви услови обраде као што су нето енергија, укупна енергија, амплитуда, време, притисак и температура аутоматски снимају на уграђену СД картицу. Ово вам омогућава да ревидирате и упоредите претходне серије соникације и да оптимизујете синтезу и функционализацију нанокатализатора до највеће ефикасности.
Хиелсцхер Ултрасоницс системи се користе широм света за процесе сонохемијске синтезе и доказано су поуздани за синтезу висококвалитетних нано-катализатора зеолита као и деривата зеолита. Хиелсцхер индустријски ултрасоникатори могу лако покренути високе амплитуде у континуираном раду (24/7/365). Амплитуде до 200 µм могу се лако континуирано генерисати са стандардним сонотродама (ултразвучне сонде / рогови). За још веће амплитуде, доступне су прилагођене ултразвучне сонотроде. Због своје робусности и ниског одржавања, наши ултрасоникатори се обично инсталирају за тешке примене и у захтевним окружењима.
Хиелсцхер ултразвучни процесори за сонохемијске синтезе, функционализацију, нано-структурирање и деагломерацију су већ инсталирани широм света у комерцијалним размерама. Контактирајте нас сада да разговарамо о процесу производње нано-катализатора! Нашем искусном особљу ће бити драго да подели више информација о путу сонохемијске синтезе, ултразвучним системима и ценама!
Уз предност методе ултразвучне синтезе, ваша производња мезопорозног нано-катализатора ће се одликовати ефикасношћу, једноставношћу и ниском ценом у поређењу са другим процесима синтезе катализатора!

Табела у наставку даје вам индикацију приближних капацитета обраде наших ултразвучних апарата: