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

Bifunktionella katalysatorer för direkt DME-konvertering

Produktionen av dimetyleter (DME) är en väletablerad industriell process som är uppdelad i två steg: för det första katalytisk hydrogenering av syngas till metanol (CO / CO₂ + 3H₂ → CH₃OH + H₂HO) och för det andra en efterföljande katalytisk uttorkning av metanolen jämfört med syrakatalysatorer att producera (2CH₃OH → CH₃OCH (på-)₃ + H₂O). Den största begränsningen av denna tvåstegs DME-syntes är relaterad till den låga termodynamiken under fasen av metanolsyntesen, vilket resulterar i en låg gasomvandling per pass (15-25%). Därmed uppstår höga recirkulationskvoter 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 i kombination med uttorkningssteget i en enda reaktor
(2CO / CO₂ + 6H₂ → CH₃OCH (på-)₃ + 3H₂O).

Den direkta syntesen av DME gör det möjligt att öka omräkningsnivåerna per steg, upp till 19 %, vilket innebär betydande kostnadsminskningar när det gäller DME:s investerings- och driftsproduktionskostnader. Baserat på uppskattningar minskas DME-produktionskostnaden i direkt syntes med 20-30% jämfört med den konventionella tvåstegskonverteringsprocessen. För att driva den direkta DME-syntesvägen krävs ett mycket effektivt hybridbifunktionellt katalytiskt system. Den nödvändiga katalysatorn måste erbjuda funktionaliteten för CO / CO2-hydrogenering för metanolsyntesen och de sura funktionerna, vilket hjälper till att torka ut metanolen. (se Millán et al. 2020)

Syntes av mycket reaktiva katalysatorer för DME-konvertering med power-ultraljud

Reaktivitet och selektivitet katalysatorer för dimetyl eter omvandling kan förbättras avsevärt via ultraljud behandling. Zeoliter som sura zeoliter (t.ex. aluminosilikat zeolit HZSM-5) och dekorerade zeoliter (t.ex. med CuO/ZnO/Al₂den₃) är de viktigaste katalysatorerna som används framgångsrikt för produktion av DME.

Klorering och fluorering av zeoliter är effektiva metoder för att justera katalyssyran. 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. Påverkan av ultraljud bestrålning utvärderades för optimering av båda halogen prekursorer för produktion av dimethylether (DME) via metanol uttorkning i en fast bädd reaktor. Jämförande DME katalys studie visade att halogenerade zeolite katalysatorer som utarbetats under ultraljud bestrålning visar högre prestanda för DME bildandet. (Aboul-Fotouh et al., 2016)
I en annan studie undersökte forskargruppen alla viktiga ultraljud variabler som påträffades under utförandet av uttorkning av metanol på H-MOR zeolit katalysatorer för att producera dimethylether. För sina ultraljudsbehandlingseperiffer använde forskargruppen Hielscher UP50H sond-typ ultraljudspump. Scanning elektronmikroskop (SEM) imaging av den sonikerade H-MOR zeoliten (Mordenite zeolite) har klargjort att metanol i sig används som ultraljudsmedium ger de bästa resultaten när det gäller homogeniteten hos partikelstorlekar jämfört med den obehandlade katalysatorn, där stora agglomerates och icke-homogena kluster uppträdde. Dessa resultat intygade att ultraljud har en djup effekt på enheten cell upplösning och därmed på katalytiskt beteendet hos uttorkning av metanol till dimetyleter (DME). NH3-TPD visar att ultraljud bestrålning har förbättrat surheten i H-MOR katalysator och därför är det katalytisk prestanda för DME bildandet. (Aboul-Gheit et al., 2014)

Nästan alla kommersiella DME produceras genom uttorkning av metanol med hjälp av olika fasta syrakatalysatorer som zeoliter, sillica-aluminiumoxid, aluminiumoxid, Al₂den₃–B₂den₃osv. genom följande reaktion:
2CH (2CH)₃ÅH <—> Ch₃OCH (på-)₃ +H (på)+H₂O(-22,6k jmol^-1)

Koshbin och Haghighi (2013) förberedde CuO–ZnO–Al₂den₃/HZSM-5 nanokatalyster via en kombinerad co-precipitation-ultraljudsmetod. Forskargruppen fann "att användning av ultraljudsenergi har stor inverkan på spridningen av CO-hydrogeneringsfunktionen och följaktligen DME-syntesprestandan. Hållbarheten hos ultraljud assisterad syntetiserad nanokatalyst undersöktes under syngas till DME reaktion. Nanokatalyst förlorar försumbar aktivitet under reaktionsföringen 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. Nano-storlek porösa γ-aluminiumoxid syntetiserades framgångsrikt av nederbörd under ultraljud blandning. Den sonokemiska behandlingen främjar nanopartiklarnas syntes. (jfr Rahmanpour et al., 2012)

Varför är ultraljud beredda nanokatalysatorer överlägsen?

För produktion av heterogena katalysatorer krävs ofta höga mervärdesmaterial som ädelmetaller. Detta gör katalysatorer dyra och därför är effektivitetsförbättringar och livscykelförlängning av katalysatorerna viktiga ekonomiska faktorer. Bland beredningsmetoder av nanokatalyster 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 utforska för katalysatorberedning och aktivering. Det kan producera homogena och spridda nanopartiklar utan behov av dyra instrument och extrema förhållanden.
I flera forskningsstudier kommer forskarna fram till att ultraljud katalysator förberedelse är den mest fördelaktiga metoden för produktion av homogena nanokatalysatorer. Bland beredningsmetoder av nanokatalyster anses den sonokemiska tekniken vara en mycket effektiv metod. Förmågan av intensiv ultraljudsbehandling att skapa mycket reaktiva ytor, att förbättra blandning och att öka masstransport gör det till en särskilt lovande teknik att utforska för katalysator förberedelse och aktivering. Det kan producera homogena och spridda nanopartiklar utan behov av dyra instrument och extrema förhållanden. (jfr Koshbin och Haghighi, 2014)

Högpresterande ultrasonicators för syntesen av mesoporösa katalysatorer

Sonokemisk utrustning för syntes av högpresterande nanokatalysatorer är lätt tillgänglig i alla storlekar – från kompakta lab ultrasonicators till helt industriella ultraljud reaktorer. Hielscher Ultrasonics designar, tillverkar och distribuerar högeffekt ultrasonicators. Alla ultraljudssystem tillverkas i huvudkontoret i Teltow, Tyskland och distribueras därifrån över hela världen.
Den sofistikerade hårdvaran och smarta programvaran hos Hielscher ultrasonicators är utformade för att garantera tillförlitlig drift, reproducerbara resultat samt användarvänlighet. Hielscher ultrasonicators är robusta och tillförlitliga, vilket gör det möjligt att installera och driva under tunga förhållanden. Driftsinställningar kan enkelt nås och ringas upp via intuitiv meny, som kan nås via digital färgpekskärm och webbläsarfjärrkontroll. 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 nanokatalysatorer till högsta effektivitet.
Hielscher Ultrasonics system används över hela världen för sonokemiska syntesprocesser och har visat sig vara tillförlitliga för syntesen av högkvalitativa zeolit nanokatalysatorer samt zeolitderivat. Hielscher industriella ultrasonicators kan enkelt köra höga amplituder i kontinuerlig drift (24/7/365). Amplituder på upp till 200 μm kan enkelt kontinuerligt genereras med standard sonotrodes (ultraljud sonder / horn). För ännu högre amplituder finns anpassade ultraljud sonotrodes tillgängliga. På grund av deras robusthet och låga underhåll installeras våra ultraljudsatorer ofta för tunga applikationer och i krävande miljöer.
Hielscher ultraljud processorer för sonokemiska synteser, funktionalisering, nanostrukturering och deagglomeration är redan installerade över hela världen på kommersiell skala. Kontakta oss nu för att diskutera din nanokatalysator tillverkningsprocess! Vår väl erfarna personal kommer gärna att dela mer information om den sonokemiska syntesvägen, ultraljudssystem och prissättning!
Med fördelen av ultraljud syntes metod, din mesoporous nano-katalysator produktion kommer att utmärka sig i effektivitet, enkelhet och låg kostnad jämfört med andra katalysator syntes processer!

Nedanstående tabell ger dig en indikation på hur mycket våra ultraljudsapparater kan hantera: