Ultraljudsberedning av katalysatorer för omvandling av dimetyleter (DME)

Dimetyleter (DME) är ett gynnsamt alternativt bränsle som kan syntetiseras från metanol, CO₂ eller syntesgas genom katalys. För den katalytiska omvandlingen till DME krävs potenta katalysatorer. Mesoporösa katalysatorer i nanostorlek, t.ex. mesoporösa sura zeoliter, dekorerade zeoliter eller metallkatalysatorer i nanostorlek, t.ex. aluminium eller koppar, kan avsevärt förbättra DME-omvandlingen. Högintensivt ultraljud är den överlägsna tekniken för framställning av mycket reaktiva nanokatalysatorer. Lär dig mer om hur man använder ultraljud för produktion av mikro- och mesoporösa katalysatorer med utmärkt reaktivitet och selektivitet!

Bifunktionella katalysatorer för direkt DME-omvandling

Produktionen av dimetyleter (DME) är en väletablerad industriell process som är uppdelad i två steg: för det första katalytisk hydrering av syntesgas till metanol (CO / CO₂ + 3H₂ → KAP₃OH + H₂HO) och för det andra, en efterföljande katalytisk dehydrering av metanolen över sura katalysatorer för att producera (2CH₃ÅH → CH₃OCH₃ + H₂Den största begränsningen för denna tvåstegs DME-syntes är relaterad till den låga termodynamiken under fasen av metanolsyntes, vilket resulterar i en låg gasomvandling per pass (15-25%). Därmed uppstår höga recirkulationstal samt höga kapital- och driftskostnader.
För att övervinna denna termodynamiska begränsning är direkt DME-syntes betydligt mer gynnsam: I den direkta DME-omvandlingen är metanolsyntessteget kopplat till dehydratiseringssteget i en enda reaktor
(2CO / CO₂ + 6H₂ → KAP₃OCH₃ + 3H₂O).

Den direkta syntesen av DME gör det möjligt att öka konverteringsnivåerna per steg, upp till 19 %, vilket innebär betydande kostnadsminskningar när det gäller investering och driftsproduktionskostnad för DME. Baserat på uppskattningar minskar DME-produktionskostnaden vid direkt syntes med 20-30 % jämfört med den konventionella tvåstegsomvandlingsprocessen. För att den direkta DME-syntesvägen ska fungera krävs ett högeffektivt hybrid bifunktionellt katalytiskt system. Den erforderliga katalysatorn måste erbjuda funktionaliteten för CO / CO2-hydrering för metanolsyntesen och de sura funktionerna, som hjälper till med uttorkningen av metanolen. (jfr Millán et al. 2020)

Syntes av mycket reaktiva katalysatorer för DME-omvandling med hjälp av Power-Ultrasound

Reaktiviteten och selektiviteten hos katalysatorer för omvandling av dimetyleter kan förbättras avsevärt via ultraljudsbehandling. Zeoliter såsom sura zeoliter (t.ex. aluminiumsilikatzeolit HZSM-5) och dekorerade zeoliter (t.ex. med CuO/ZnO/Al₂O₃) är de viktigaste katalysatorerna som används framgångsrikt för DME-produktion.

Klorering och fluorering av zeoliter är effektiva metoder för att justera den katalytiska surhetsgraden. De klorerade och fluorerade zeolitkatalysatorerna framställdes genom impregnering av zeoliter (H-ZSM-5, H-MOR eller H-Y) med hjälp av två halogenprekursorer (ammoniumklorid och ammoniumfluorid) i studien av forskargruppen i Aboul-Fotouh. Inverkan av ultraljudsbestrålning utvärderades för att optimera båda halogenprekursorerna för produktion av dimetyleter (DME) via metanoldehydrering i en reaktor med fast bädd. Jämförande DME-katalysförsök avslöjade att de halogenerade zeolitkatalysatorerna framställda under ultraljudsbestrålning visar högre prestanda för DME-bildning. (Aboul-Fotouh et al., 2016)
I en annan studie undersökte forskargruppen alla viktiga ultraljudsvariabler som påträffades under utförandet av uttorkning av metanol på H-MOR zeolitkatalysatorer för att producera dimetyleter. För sina ultraljudsbehandling eperiments, använde forskargruppen Hielscher UP50H ultraljud av sondtyp. Svepelektronmikroskop (SEM) avbildning av den sonikerade H-MOR zeolit (Mordenitzeolit) har klargjort att metanol i sig används som ett ultraljudsmedium ger de bästa resultaten när det gäller homogeniteten i partikelstorlekar jämfört med den obehandlade katalysatorn, där stora agglomerat och icke-homogena kluster uppträdde. Dessa fynd intygade att ultraljud har en djup effekt på enhetscellens upplösning och därmed på det katalytiska beteendet av uttorkning av metanol till dimetyleter (DME). NH3-TPD visar att ultraljudsbestrålning har förbättrat surheten hos H-MOR-katalysatorn och därmed är det katalytisk prestanda för DME-bildning. (Aboul-Gheit et al., 2014)

Nästan all kommersiell DME produceras genom dehydrering av metanol med hjälp av olika fasta syrakatalysatorer såsom zeoliter, sillika-aluminiumoxid, aluminiumoxid, Al₂O₃–B₂O₃, etc. genom följande reaktion:
2CH₃ÅH <—> CH₃OCH₃ +H₂O(-22.6k jmol^-1)

Koshbin och Haghighi (2013) förberedde CuO–ZnO–Al₂O₃/HZSM-5 nanokatalysatorer via en kombinerad co-precipitation–ultraljudsmetod. Forskargruppen fann "att användning av ultraljudsenergi har stort inflytande på dispersionen av CO-hydrogeneringsfunktionen och följaktligen DME-syntesprestandan. Hållbarheten hos ultraljudsassisterad syntetiserad nanokatalysator undersöktes under syntesgas till DME-reaktion. Nanokatalysatorn förlorar försumbar aktivitet under reaktionsförloppet på grund av koksbildning på koppararter. [Khoshbin och Haghighi, 2013.]

En alternativ icke-zeolit nanokatalysator, som också är mycket effektiv för att främja DME-omvandlingen, är en porös γ-aluminiumoxidkatalysator i nanostorlek. Porös γ-aluminiumoxid i nanostorlek syntetiserades framgångsrikt genom utfällning under ultraljudsblandning. Den sonokemiska behandlingen främjar syntesen av nanopartiklar. (jfr Rahmanpour et al., 2012)

Varför är ultraljudspreparerade nanokatalysatorer överlägsna?

För produktion av heterogena katalysatorer krävs ofta material med högt förädlingsvärde, t.ex. ädelmetaller. Detta gör katalysatorer dyra och därför är effektivitetsförbättringar samt livscykelförlängning av katalysatorerna viktiga ekonomiska faktorer. Bland framställningsmetoder för nanokatalysatorer anses den sonokemiska tekniken vara en mycket effektiv metod. Ultraljudets förmåga att skapa mycket reaktiva ytor, att förbättra blandningen och att öka masstransporten gör det till en särskilt lovande teknik att utforska för katalysatorförberedelse och aktivering. Den kan producera homogena och dispergerade nanopartiklar utan behov av dyra instrument och extrema förhållanden.
I flera forskningsstudier har forskarna kommit fram till att ultraljudskatalysatorberedning är den mest fördelaktiga metoden för framställning av homogena nanokatalysatorer. Bland framställningsmetoder för nanokatalysatorer anses den sonokemiska tekniken vara en mycket effektiv metod. Förmågan hos intensiv ultraljudsbehandling att skapa mycket reaktiva ytor, att förbättra blandningen och att öka masstransporten gör det till en särskilt lovande teknik att utforska för katalysator förberedelse och aktivering. Den kan producera homogena och dispergerade nanopartiklar utan behov av dyra instrument och extrema förhållanden. (jfr Koshbin och Haghighi, 2014)

Högpresterande ultraljudsapparater för syntes av mesoporösa katalysatorer

Sonokemisk utrustning för syntes av högpresterande nanokatalysatorer är lätt tillgänglig i alla storlekar – Från kompakta labbultraljudsapparater till fullt industriella ultraljudsreaktorer. Hielscher Ultrasonics designar, tillverkar och distribuerar ultraljudsapparater med hög effekt. Alla ultraljudssystem tillverkas på huvudkontoret i Teltow, Tyskland och distribueras därifrån över hela världen.
Den sofistikerade hårdvaran och smarta programvaran i Hielscher ultraljudsapparater är utformade för att garantera tillförlitlig drift, reproducerbara resultat samt användarvänlighet. Hielscher ultraljudsapparater är robusta och pålitliga, vilket gör att de kan installeras och användas under tunga förhållanden. Driftinställningar kan enkelt nås och ställas in via en intuitiv meny, som kan nås via en digital färgpekskärm och webbläsarens fjärrkontroll. Därför registreras alla bearbetningsförhållanden som nettoenergi, total energi, amplitud, tid, tryck och temperatur automatiskt på ett inbyggt SD-kort. Detta gör att du kan revidera och jämföra tidigare ultraljudsbehandling körningar och optimera syntesen och funktionaliseringen av nano-katalysatorer till högsta effektivitet.
Hielscher Ultrasonics system används över hela världen för sonokemiska syntesprocesser och har visat sig vara tillförlitliga för syntes av högkvalitativa zeolit nano-katalysatorer samt zeolitderivat. Hielscher industriella ultraljudsapparater kan enkelt köra höga amplituder i kontinuerlig drift (24/7/365). Amplituder på upp till 200 μm kan enkelt genereras kontinuerligt med vanliga sonotroder (ultraljudssonder / horn). För ännu högre amplituder finns anpassade ultraljudssonotroder tillgängliga. På grund av deras robusthet och låga underhåll installeras våra ultraljudsapparater vanligtvis för tunga applikationer och i krävande miljöer.
Hielscher ultraljudsprocessorer för sonokemiska synteser, funktionalisering, nanostrukturering och deagglomeration är redan installerade över hela världen i kommersiell skala. Kontakta oss nu för att diskutera din tillverkningsprocess för nanokatalysatorer! Vår erfarna personal delar gärna med sig av mer information om den sonokemiska syntesvägen, ultraljudssystem och priser!
Med fördelen av ultraljudssyntesmetoden kommer din mesoporösa nano-katalysatorproduktion att utmärka sig i effektivitet, enkelhet och låg kostnad jämfört med andra katalysatorsyntesprocesser!

Tabellen nedan ger dig en indikation på den ungefärliga bearbetningskapaciteten hos våra ultraljudsapparater: