Ултразвучна припрема катализатора за конверзију у диметил-етар (DME)

Диметил-етар (DME) је погодно алтернативно гориво које се може синтетисати из метанола, CO₂ или синтезног гаса путем катализе. За каталитичку конверзију у DME потребни су катализатори високе активности. Мезопорозни катализатори нанометарских димензија, као што су мезопорозни кисели зеолити, декорисани зеолити или метални катализатори нанометарских димензија, попут алуминијума или бакра, могу значајно побољшати конверзију у DME. Ултразвук високог интензитета је супериорна техника за припрему високореактивних нанокатализатора. Сазнајте више о томе како се ултразвучна обрада користи за производњу микропорозних и мезопорозних катализатора са одличном реактивношћу и селективношћу!

Бифункционални катализатори за директну конверзију у DME

Производња диметил-етра (DME) је добро утврђен индустријски процес који се одвија у два корака: прво, каталитичка хидрогенизација синтезног гаса у метанол (CO / CO₂ + 3H₂ → CH₃OH + H₂HO), а затим накнадна каталитичка дехидратација метанола на киселим катализаторима ради производње (2CH₃OH → CH₃OCH₃ + H₂O). Главно ограничење ове синтезе DME у два корака повезано је са ниским термодинамичким параметрима током фазе синтезе метанола, што доводи до ниског степена конверзије гаса по пролазу (15–25%). Због тога се јављају високи односи рециркулације, као и високи капитални и оперативни трошкови.
Да би се превазишло ово термодинамичко ограничење, директна синтеза DME је знатно повољнија: при директној конверзији у DME, корак синтезе метанола повезан је са кораком дехидратације у једном реактору
(2CO / CO₂ + 6H₂ → CH₃OCH₃ + 3H₂O).

Директна синтеза DME омогућава повећање степена конверзије по кораку, до 19%, што значи значајно смањење инвестиционих и оперативних трошкова производње DME. Према проценама, трошкови производње DME директном синтезом смањују се за 20–30% у поређењу са конвенционалним процесом конверзије у два корака. За спровођење директне синтезе DME неопходан је високоефикасан хибридни бифункционални каталитички систем. Потребни катализатор мора да обезбеди функционалност за хидрогенизацију CO / CO2 ради синтезе метанола, као и киселе функционалности које потпомажу дехидратацију метанола. (уп. Millán et al. 2020)

Синтеза високореактивних катализатора за конверзију у DME помоћу снажног ултразвука

Реактивност и селективност катализатора за конверзију у диметил-етар могу се значајно побољшати ултразвучном обрадом. Зеолити, као што су кисели зеолити (нпр. алуминосиликатни зеолит HZSM-5) и декорисани зеолити (нпр. са CuO/ZnO/Al₂O₃) главни су катализатори који се успешно користе за производњу DME.

Хлорисање и флуорисање зеолита су ефикасне методе за подешавање каталитичке киселости. У студији истраживачког тима Aboul-Fotouh, хлорисани и флуорисани зеолитни катализатори припремљени су импрегнацијом зеолита (H-ZSM-5, H-MOR или H-Y) помоћу два халогена прекурсора (амонијум-хлорида и амонијум-флуорида). Утицај ултразвучног озрачивања испитан је ради оптимизације оба халогена прекурсора за производњу диметил етра (DME) дехидратацијом метанола у реактору са непокретним слојем. Упоредно испитивање катализе DME показало је да халогеновани зеолитни катализатори припремљени под ултразвучним озрачивањем показују боље перформансе при формирању DME. (Aboul-Fotouh et al., 2016)
У другој студији, истраживачки тим је испитао све важне променљиве ултразвучне обраде при дехидратацији метанола на H-MOR зеолитним катализаторима ради производње диметил етра. За своје експерименте ултразвучне обраде, истраживачки тим је користио ултразвучни уређај са сондом Hielscher UP50H. Снимање ултразвучно обрађеног H-MOR зеолита (морденитног зеолита) скенирајућим електронским микроскопом (SEM) показало је да сам метанол, када се користи као медијум за ултразвучну обраду, даје најбоље резултате у погледу уједначености величине честица у поређењу са необрађеним катализатором, код којег су се појавили велики агломерати и нехомогене групације честица. Ови налази потврдили су да ултразвучна обрада има снажан утицај на резолуцију елементарне ћелије, а тиме и на каталитичко понашање при дехидратацији метанола у диметил етар (DME). NH3-TPD показује да је ултразвучно озрачивање повећало киселост H-MOR катализатора, а тиме и његове каталитичке перформансе при формирању DME. (Aboul-Gheit et al., 2014)

Готово сав комерцијални DME производи се дехидратацијом метанола уз употребу различитих чврстих киселих катализатора, као што су зеолити, силицијум-диоксид–алуминијум-оксид, алуминијум-оксид, Al₂O₃–B₂O₃, итд., према следећој реакцији:
2CH₃OH <—> CH₃OCH₃ +H₂O(-22,6k jmol^-1)

Koshbin and Haghighi (2013) припремили су нанокатализаторе CuO–ZnO–Al₂O₃/HZSM-5 комбинованом методом копреципитације и ултразвучне обраде. Истраживачки тим је утврдио „да примена ултразвучне енергије има велики утицај на дисперзију функције хидрогенизације CO, а тиме и на перформансе синтезе DME. Постојаност нанокатализатора синтетисаног уз помоћ ултразвука испитана је током реакције претварања синтезног гаса у DME. Нанокатализатор током реакције губи занемарљиво мало активности услед формирања кокса на врстама бакра.“ [Khoshbin and Haghighi, 2013.]

Алтернативни незeолитни нанокатализатор, који је такође веома ефикасан у подстицању конверзије у DME, јесте порозни катализатор од γ-алуминијум-оксида нанометарских димензија. Порозни γ-алуминијум-оксид нанометарских димензија успешно је синтетисан таложењем уз ултразвучно мешање. Сонохемијска обрада подстиче синтезу наночестица. (уп. Rahmanpour et al., 2012)

Зашто су ултразвучно припремљени нанокатализатори супериорни?

За производњу хетерогених катализатора често су потребни материјали са високом додатом вредношћу, као што су племенити метали. То чини катализаторе скупим, па су повећање ефикасности и продужење животног циклуса катализатора важни економски фактори. Међу методама припреме нанокатализатора, сонохемијска техника се сматра веома ефикасном методом. Способност ултразвука да ствара високо реактивне површине, побољшава мешање и повећава пренос масе чини га посебно перспективном техником за истраживање у области припреме и активације катализатора. Овом техником могу се произвести 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 веома ефикасном методом. Способност интензивне соникације да ствара високо реактивне површине, побољшава мешање и повећава пренос масе чини је посебно перспективном техником за истраживање у области припреме и активације катализатора. Овом техником могу се произвести хомогене и дисперговане наночестице без потребе за скупим инструментима и екстремним условима. (уп. Koshbin and Haghighi, 2014)

Ултразвучни уређаји високих перформанси за синтезу мезопорозних катализатора

Сонохемијска опрема за синтезу нанокатализатора високих перформанси лако је доступна у свим величинама – од компактних лабораторијских ултразвучних уређаја до потпуно индустријских ултразвучних реактора. Hielscher Ultrasonics пројектује, производи и дистрибуира ултразвучне уређаје велике снаге. Сви ултразвучни системи производе се у седишту компаније у Телтову, у Немачкој, и одатле се дистрибуирају широм света.
Софистицирани хардвер и паметни софтвер ултразвучних уређаја Hielscher пројектовани су да гарантују поуздан рад, поновљиве резултате и једноставну употребу. Ултразвучни уређаји Hielscher су робусни и поуздани, што омогућава њихову уградњу и рад у тешким условима. Радним подешавањима може се лако приступити и она се могу лако подесити путем интуитивног менија, доступног преко дигиталног екрана у боји осетљивог на додир и даљинског управљања путем прегледача. Стога се сви услови обраде, као што су нето енергија, укупна енергија, амплитуда, време, притисак и температура, аутоматски бележе на уграђеној SD картици. То вам омогућава да прегледате и упоредите претходне циклусе соникације и оптимизујете синтезу и функционализацију нанокатализатора ради постизања највише ефикасности.
Системи Hielscher Ultrasonics користе се широм света за процесе сонохемијске синтезе и доказано су поуздани за синтезу висококвалитетних зеолитних нанокатализатора и деривата зеолита. Индустријски ултразвучни уређаји Hielscher могу лако да раде при високим амплитудама у непрекидном режиму рада (24/7/365). Амплитуде до 200µm могу се лако и непрекидно генерисати стандардним сонотродама (ултразвучним сондама / роговима). За још веће амплитуде доступне су прилагођене ултразвучне сонотроде. Због своје робусности и малих захтева за одржавањем, наши ултразвучни уређаји често се уграђују за примене у тешким условима рада и у захтевним окружењима.
Ултразвучни процесори Hielscher за сонохемијску синтезу, функционализацију, наноструктурирање и деагломерацију већ су уграђени широм света за рад у комерцијалним размерама. Контактирајте нас сада да бисмо разговарали о вашем процесу производње нанокатализатора! Наше веома искусно особље радо ће поделити више информација о поступку сонохемијске синтезе, ултразвучним системима и ценама!
Захваљујући предностима методе ултразвучне синтезе, ваша производња мезопорозних нанокатализатора истицаће се ефикасношћу, једноставношћу и ниским трошковима у поређењу са другим процесима синтезе катализатора!

Табела испод даје вам увид у приближан капацитет обраде наших ултразвучних уређаја: