Ultraljudsbaserad framställning av katalysatorer för omvandling till dimetyleter (DME)

Dimetyleter (DME) är ett fördelaktigt alternativt bränsle som kan syntetiseras från metanol, CO₂ eller syntesgas genom katalys. För den katalytiska omvandlingen till DME krävs effektiva katalysatorer. Mesoporösa katalysatorer i nanostorlek, såsom mesoporösa sura zeoliter, dekorerade zeoliter eller metallkatalysatorer i nanostorlek, exempelvis aluminium eller koppar, kan förbättra omvandlingen till DME avsevärt. Högintensivt ultraljud är den överlägsna tekniken för framställning av mycket reaktiva nanokatalysatorer. Läs mer om hur ultraljudsbehandling kan användas för att producera mikro- och mesoporösa katalysatorer med utmärkt reaktivitet och selektivitet!

Bifunktionella katalysatorer för direkt omvandling till DME

Produktionen av dimetyleter (DME) är en väletablerad industriell process som delas upp i två steg: först katalytisk hydrering av syntesgas till metanol (CO / CO₂ + 3H₂ → CH₃OH + H₂HO) och därefter en efterföljande katalytisk dehydratisering av metanolen över sura katalysatorer för att framställa (2CH₃OH → CH₃OCH₃ + H₂O). Den huvudsakliga begränsningen för denna DME-syntes i två steg är relaterad till den låga termodynamiken under metanolsyntesfasen, vilket resulterar i en låg gasomsättning per passage (15–25%). Detta medför höga recirkulationsförhållanden samt höga investerings- och driftskostnader.
För att övervinna denna termodynamiska begränsning är direkt DME-syntes betydligt mer fördelaktig: vid direkt omvandling till DME kopplas metanolsyntessteget samman med dehydratiseringssteget i en enda reaktor
(2CO / CO₂ + 6H₂ → CH₃OCH₃ + 3H₂O).

Direkt syntes av DME gör det möjligt att öka omsättningsgraden per steg, upp till 19%, vilket innebär betydande minskningar av investerings- och driftskostnaderna för DME-produktion. Enligt uppskattningar minskar produktionskostnaderna för DME vid direkt syntes med 20–30% jämfört med den konventionella omvandlingsprocessen i två steg. För att genomföra direkt DME-syntes krävs ett högeffektivt bifunktionellt hybridkatalysatorsystem. Katalysatorn måste ha funktionalitet för CO / CO2-hydrering för metanolsyntesen samt sura funktioner som underlättar dehydratiseringen av metanolen. (jfr Millán et al. 2020)

Syntes av mycket reaktiva katalysatorer för omvandling till DME med högeffektsultraljud

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

Klorering och fluorering av zeoliter är effektiva metoder för att anpassa den katalytiska surheten. I studien av Aboul-Fotouhs forskargrupp framställdes de klorerade och fluorerade zeolitkatalysatorerna genom impregnering av zeoliter (H-ZSM-5, H-MOR eller H-Y) med två halogenprekursorer (ammoniumklorid och ammoniumfluorid). Inverkan av ultraljudsbestrålning utvärderades för att optimera båda halogenprekursorerna för produktion av dimetyleter (DME) genom dehydratisering av metanol i en fastbäddsreaktor. Jämförande försök med DME-katalys visade att de halogenerade zeolitkatalysatorer som framställts under ultraljudsbestrålning uppvisar högre prestanda vid bildning av DME. (Aboul-Fotouh et al., 2016)
I en annan studie undersökte forskargruppen alla viktiga variabler för ultraljudsbehandlingen vid dehydratisering av metanol på H-MOR-zeolitkatalysatorer för att framställa dimetyleter. För sina ultraljudsförsök använde forskargruppen sondultraljudsapparaten Hielscher UP50H. Avbildning med svepelektronmikroskop (SEM) av den ultraljudsbehandlade H-MOR-zeoliten (mordenitzeolit) har klargjort att enbart metanol som medium för ultraljudsbehandling ger de bästa resultaten vad gäller partikelstorlekarnas homogenitet jämfört med den obehandlade katalysatorn, där stora agglomerat och icke-homogena kluster förekom. Dessa resultat bekräftade att ultraljudsbehandling har en djupgående inverkan på enhetscellens upplösning och därmed på det katalytiska beteendet vid dehydratisering av metanol till dimetyleter (DME). NH3-TPD visar att ultraljudsbestrålning har ökat H-MOR-katalysatorns surhet och därmed dess katalytiska prestanda vid bildning av DME. (Aboul-Gheit et al., 2014)

Nästan all kommersiell DME framställs genom dehydratisering av metanol med olika fasta sura katalysatorer såsom zeoliter, kiseldioxid–aluminiumoxid, aluminiumoxid, Al₂O₃–B₂O₃, etc. enligt följande reaktion:
2CH₃OH <—> CH₃OCH₃ +H₂O(-22,6k jmol^-1)

Koshbin och Haghighi (2013) framställde CuO–ZnO–Al₂O₃/HZSM-5-nanokatalysatorer med en kombinerad samfällnings–ultraljudsmetod. Forskargruppen fann ”att användning av ultraljudsenergi har stor inverkan på fördelningen av den CO-hydrogenerande funktionen och följaktligen på prestandan vid DME-syntes. Hållbarheten hos den nanokatalysator som syntetiserats med ultraljudsassistans undersöktes under reaktionen från syntesgas till DME. Nanokatalysatorn förlorar försumbar aktivitet under reaktionens gång på grund av koksbildning på kopparspecies.” [Khoshbin and Haghighi, 2013.]

En alternativ nanokatalysator utan zeolit, 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 ultraljudsframställda nanokatalysatorer överlägsna?

För framställning av heterogena katalysatorer krävs ofta material med högt förädlingsvärde, såsom ädelmetaller. Detta gör katalysatorerna dyra, och därför är såväl ökad effektivitet som förlängd livslängd för katalysatorerna viktiga ekonomiska faktorer. Bland metoderna för framställning av nanokatalysatorer anses den sonokemiska tekniken vara en mycket effektiv metod. Ultraljudets förmåga att skapa mycket reaktiva ytor, förbättra blandningen och öka masstransporten gör det till en särskilt lovande teknik att undersöka för framställning och aktivering av katalysatorer. Den kan framställa homogena och dispergerade nanopartiklar utan behov av dyra instrument och extrema förhållanden.
I flera forskningsstudier drar forskarna slutsatsen att framställning av katalysatorer med ultraljud är den mest fördelaktiga metoden för framställning av homogena nanokatalysatorer. Bland metoderna för framställning av nanokatalysatorer anses den sonokemiska tekniken vara en mycket effektiv metod. Förmågan hos intensiv ultraljudsbehandling att skapa mycket reaktiva ytor, förbättra blandningen och öka masstransporten gör den till en särskilt lovande teknik att undersöka för framställning och aktivering av katalysatorer. Den kan framställa 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 finns lättillgänglig i alla storlekar – från kompakta ultraljudsapparater för laboratorier till ultraljudsreaktorer i full industriell skala. Hielscher Ultrasonics utvecklar, tillverkar och distribuerar ultraljudsapparater med hög effekt. Alla ultraljudssystem tillverkas vid huvudkontoret i Teltow, Tyskland, och distribueras därifrån till hela världen.
Den avancerade hårdvaran och den smarta programvaran i Hielschers ultraljudsapparater är utformade för att garantera tillförlitlig drift, reproducerbara resultat och användarvänlighet. Hielschers ultraljudsapparater är robusta och tillförlitliga, vilket gör att de kan installeras och användas under krävande driftförhållanden. Driftinställningarna kan enkelt nås och justeras via en intuitiv meny som är tillgänglig via en digital pekskärm i färg och fjärrstyrning via webbläsare. Därför registreras alla processförhållanden, såsom nettoenergi, total energi, amplitud, tid, tryck och temperatur, automatiskt på ett inbyggt SD-kort. Detta gör att du kan granska och jämföra tidigare ultraljudsbehandlingar och optimera syntesen och funktionaliseringen av nanokatalysatorer för högsta effektivitet.
System från Hielscher Ultrasonics används över hela världen för sonokemiska syntesprocesser och har visat sig vara tillförlitliga för syntes av högkvalitativa zeolitnanokatalysatorer och zeolitderivat. Hielschers industriella ultraljudsapparater kan enkelt arbeta med höga amplituder i kontinuerlig drift (24/7/365). Amplituder på upp till 200µm kan enkelt genereras kontinuerligt med standardsonotroder (ultraljudssonder / horn). För ännu högre amplituder finns kundanpassade ultraljudssonotroder tillgängliga. Tack vare sin robusthet och sitt låga underhållsbehov installeras våra ultraljudsapparater ofta för krävande tillämpningar och i krävande miljöer.
Hielschers ultraljudsprocessorer för sonokemisk syntes, funktionalisering, nanostrukturering och deagglomerering är redan installerade i kommersiell skala över hela världen. 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!
Tack vare ultraljudssyntesmetodens fördelar kommer din produktion av mesoporösa nanokatalysatorer att utmärka sig genom effektivitet, enkelhet och låga kostnader jämfört med andra processer för katalysatorsyntes!

Tabellen nedan ger dig en uppfattning om våra ultraljudsapparaters ungefärliga bearbetningskapacitet: