การเตรียมตัวเร่งปฏิกิริยาด้วยอัลตราโซนิกสำหรับการเปลี่ยนเป็นไดเมทิลอีเทอร์ (DME)

ไดเมทิลอีเทอร์ (DME) เป็นเชื้อเพลิงทางเลือกที่น่าสนใจ ซึ่งสามารถสังเคราะห์จากเมทานอล CO₂ หรือก๊าซสังเคราะห์ผ่านการเร่งปฏิกิริยา การเปลี่ยนสารเป็น DME ด้วยปฏิกิริยาเร่งจำเป็นต้องใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีประสิทธิภาพสูง ตัวเร่งปฏิกิริยาขนาดนาโนที่มีรูพรุนระดับเมโซ เช่น ซีโอไลต์ชนิดกรดที่มีรูพรุนระดับเมโซ ซีโอไลต์ที่ตกแต่งด้วยสารอื่น หรือตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะขนาดนาโน เช่น อะลูมิเนียมหรือทองแดง สามารถปรับปรุงการเปลี่ยนสารเป็น DME ได้อย่างมีนัยสำคัญ อัลตราซาวนด์ความเข้มสูงเป็นเทคนิคที่เหนือกว่าสำหรับการเตรียมตัวเร่งปฏิกิริยานาโนที่มีความว่องไวในการเกิดปฏิกิริยาสูง เรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับวิธีใช้อัลตราโซนิกเพื่อผลิตตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีรูพรุนระดับไมโครและเมโซ พร้อมความว่องไวและความเลือกจำเพาะในการเกิดปฏิกิริยาที่ดีเยี่ยม!

ตัวเร่งปฏิกิริยาสองหน้าที่สำหรับการเปลี่ยนสารเป็น DME โดยตรง

การผลิตไดเมทิลอีเทอร์ (DME) เป็นกระบวนการทางอุตสาหกรรมที่ใช้กันอย่างแพร่หลายมาเป็นเวลานาน โดยแบ่งเป็นสองขั้นตอน ได้แก่ ขั้นแรก การเติมไฮโดรเจนให้ก๊าซสังเคราะห์ด้วยตัวเร่งปฏิกิริยาเพื่อเปลี่ยนเป็นเมทานอล (CO / CO₂ + 3H₂ → CH₃OH + H₂HO) และขั้นที่สอง การดึงน้ำออกจากเมทานอลด้วยตัวเร่งปฏิกิริยาชนิดกรดในขั้นตอนถัดมาเพื่อผลิต (2CH₃OH → CH₃OCH₃ + H₂O) ข้อจำกัดหลักของการสังเคราะห์ DME แบบสองขั้นตอนนี้เกี่ยวข้องกับอุณหพลศาสตร์ที่ต่ำในช่วงการสังเคราะห์เมทานอล ซึ่งส่งผลให้อัตราการเปลี่ยนก๊าซต่อการผ่านระบบแต่ละครั้งต่ำ (15–25%) จึงเกิดอัตราส่วนการหมุนเวียนกลับสูง รวมทั้งต้นทุนเงินลงทุนและต้นทุนการดำเนินงานสูง
เพื่อเอาชนะข้อจำกัดทางอุณหพลศาสตร์นี้ การสังเคราะห์ DME โดยตรงจึงเป็นทางเลือกที่ได้เปรียบกว่ามาก โดยในการเปลี่ยนสารเป็น DME โดยตรง ขั้นตอนการสังเคราะห์เมทานอลจะถูกรวมเข้ากับขั้นตอนการดึงน้ำออกภายในเครื่องปฏิกรณ์เดียว
(2CO / CO₂ + 6H₂ → CH₃OCH₃ + 3H₂O)

การสังเคราะห์ DME โดยตรงช่วยเพิ่มระดับการเปลี่ยนสารต่อขั้นตอนได้สูงถึง 19% ซึ่งหมายถึงการลดต้นทุนอย่างมีนัยสำคัญ ทั้งด้านเงินลงทุนและต้นทุนการดำเนินงานในการผลิต DME จากการประมาณการ ต้นทุนการผลิต DME ด้วยการสังเคราะห์โดยตรงลดลง 20–30% เมื่อเทียบกับกระบวนการเปลี่ยนสารแบบสองขั้นตอนดั้งเดิม การดำเนินกระบวนการสังเคราะห์ DME โดยตรงจำเป็นต้องใช้ระบบตัวเร่งปฏิกิริยาแบบไฮบริดสองหน้าที่ที่มีประสิทธิภาพสูง ตัวเร่งปฏิกิริยาที่ต้องการต้องมีหน้าที่ในการเติมไฮโดรเจนให้ CO / CO2 เพื่อสังเคราะห์เมทานอล และมีหน้าที่เชิงกรดที่ช่วยในการดึงน้ำออกจากเมทานอล (ดู Millán et al. 2020)

การสังเคราะห์ตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีความว่องไวสูงสำหรับการเปลี่ยนสารเป็น DME โดยใช้อัลตราซาวนด์กำลังสูง

ความว่องไวและความเลือกจำเพาะในการเกิดปฏิกิริยาของตัวเร่งปฏิกิริยาสำหรับการเปลี่ยนสารเป็นไดเมทิลอีเทอร์สามารถปรับปรุงได้อย่างมีนัยสำคัญด้วยการใช้อัลตราโซนิก ซีโอไลต์ เช่น ซีโอไลต์ชนิดกรด (เช่น ซีโอไลต์อะลูมิโนซิลิเกต HZSM-5) และซีโอไลต์ที่ตกแต่งด้วยสารอื่น (เช่น ด้วย CuO/ZnO/Al₂O₃) เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาหลักที่ใช้ในการผลิต DME ได้สำเร็จ

การเติมคลอรีนและการเติมฟลูออรีนให้ซีโอไลต์เป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพในการปรับความเป็นกรดของตัวเร่งปฏิกิริยา ในการศึกษาของทีมวิจัย Aboul-Fotouh ตัวเร่งปฏิกิริยาซีโอไลต์ที่เติมคลอรีนและฟลูออรีนถูกเตรียมโดยการทำให้ซีโอไลต์ (H-ZSM-5, H-MOR หรือ H-Y) อิ่มตัวด้วยสารตั้งต้นฮาโลเจนสองชนิด (แอมโมเนียมคลอไรด์และแอมโมเนียมฟลูออไรด์) มีการประเมินอิทธิพลของการฉายคลื่นอัลตราโซนิกเพื่อหาสภาวะที่เหมาะสมของสารตั้งต้นฮาโลเจนทั้งสองชนิดสำหรับการผลิตไดเมทิลอีเทอร์ (DME) ผ่านการดึงน้ำออกจากเมทานอลในเครื่องปฏิกรณ์แบบเบดตรึง การทดลองเปรียบเทียบการเร่งปฏิกิริยาสำหรับ DME พบว่าตัวเร่งปฏิกิริยาซีโอไลต์ที่เติมฮาโลเจนและเตรียมภายใต้การฉายคลื่นอัลตราโซนิกมีสมรรถนะในการสร้าง DME สูงกว่า (Aboul-Fotouh et al., 2016)
ในการศึกษาอีกชิ้นหนึ่ง ทีมวิจัยได้ศึกษาตัวแปรสำคัญทั้งหมดของการใช้อัลตราโซนิกที่เกี่ยวข้องกับการดึงน้ำออกจากเมทานอลบนตัวเร่งปฏิกิริยาซีโอไลต์ H-MOR เพื่อผลิตไดเมทิลอีเทอร์ สำหรับการทดลองด้วยอัลตราโซนิก ทีมวิจัยใช้ เครื่องอัลตราโซนิกชนิดโพรบ Hielscher UP50H. ภาพจากกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด (SEM) ของซีโอไลต์ H-MOR (ซีโอไลต์มอร์เดไนต์) ที่ผ่านอัลตราโซนิกแสดงให้เห็นอย่างชัดเจนว่า การใช้เมทานอลเพียงอย่างเดียวเป็นตัวกลางในการใช้อัลตราโซนิกให้ผลดีที่สุดในด้านความสม่ำเสมอของขนาดอนุภาค เมื่อเทียบกับตัวเร่งปฏิกิริยาที่ไม่ได้ผ่านการบำบัด ซึ่งพบการเกาะกลุ่มขนาดใหญ่และกลุ่มอนุภาคที่ไม่สม่ำเสมอ ผลการค้นพบเหล่านี้ยืนยันว่าการใช้อัลตราโซนิกมีผลอย่างมากต่อความละเอียดของเซลล์หน่วย และส่งผลต่อพฤติกรรมการเร่งปฏิกิริยาดึงน้ำออกจากเมทานอลเพื่อเปลี่ยนเป็นไดเมทิลอีเทอร์ (DME) ด้วย NH3-TPD แสดงให้เห็นว่าการฉายคลื่นอัลตราซาวนด์เพิ่มความเป็นกรดของตัวเร่งปฏิกิริยา H-MOR และส่งผลให้สมรรถนะในการเร่งปฏิกิริยาสร้าง DME สูงขึ้น (Aboul-Gheit et al., 2014)

DME เชิงพาณิชย์เกือบทั้งหมดผลิตโดยการดึงน้ำออกจากเมทานอลด้วยตัวเร่งปฏิกิริยากรดของแข็งชนิดต่าง ๆ เช่น ซีโอไลต์ ซิลิกา–อะลูมินา อะลูมินา Al₂O₃–B₂O₃ เป็นต้น ตามปฏิกิริยาต่อไปนี้:
2CH₃OH <—> CH₃OCH₃ +H₂O(-22.6k jmol^-1)

Koshbin and Haghighi (2013) เตรียมตัวเร่งปฏิกิริยานาโน CuO–ZnO–Al₂O₃/HZSM-5 ด้วยวิธีผสมผสานการตกตะกอนร่วม–อัลตราซาวนด์ ทีมวิจัยพบว่า “การใช้พลังงานอัลตราซาวนด์มีอิทธิพลอย่างมากต่อการกระจายตัวของส่วนที่ทำหน้าที่เติมไฮโดรเจนให้ CO และส่งผลต่อสมรรถนะในการสังเคราะห์ DME มีการศึกษาความทนทานของตัวเร่งปฏิกิริยานาโนที่สังเคราะห์โดยมีอัลตราซาวนด์ช่วยในระหว่างปฏิกิริยาเปลี่ยนก๊าซสังเคราะห์เป็น DME ตัวเร่งปฏิกิริยานาโนสูญเสียความว่องไวเพียงเล็กน้อยจนแทบไม่มีนัยสำคัญตลอดช่วงการเกิดปฏิกิริยา เนื่องจากการเกิดโค้กบนสปีชีส์ของทองแดง” [Khoshbin and Haghighi, 2013.]

ตัวเร่งปฏิกิริยานาโนทางเลือกที่ไม่ใช่ซีโอไลต์ ซึ่งมีประสิทธิภาพสูงมากในการส่งเสริมการเปลี่ยนสารเป็น DME เช่นกัน คือ ตัวเร่งปฏิกิริยา γ-อะลูมินาที่มีรูพรุนขนาดนาโน γ-อะลูมินาที่มีรูพรุนขนาดนาโนสามารถสังเคราะห์ได้สำเร็จด้วยการตกตะกอนภายใต้การผสมด้วยอัลตราโซนิก การบำบัดด้วยโซโนเคมีส่งเสริมการสังเคราะห์อนุภาคนาโน (ดู Rahmanpour et al., 2012)

เหตุใดตัวเร่งปฏิกิริยานาโนที่เตรียมด้วยอัลตราโซนิกจึงเหนือกว่า?

การผลิตตัวเร่งปฏิกิริยาวิวิธพันธุ์มักต้องใช้วัสดุที่มีมูลค่าเพิ่มสูง เช่น โลหะมีค่า ซึ่งทำให้ตัวเร่งปฏิกิริยามีราคาแพง ดังนั้น การเพิ่มประสิทธิภาพและการยืดวงจรชีวิตของตัวเร่งปฏิกิริยาจึงเป็นปัจจัยทางเศรษฐกิจที่สำคัญ ในบรรดาวิธีเตรียมตัวเร่งปฏิกิริยานาโน เทคนิคโซโนเคมีถือเป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพสูง ความสามารถของอัลตราซาวนด์ในการสร้างพื้นผิวที่มีความว่องไวในการเกิดปฏิกิริยาสูง ปรับปรุงการผสม และเพิ่มการถ่ายโอนมวล ทำให้เทคนิคนี้มีแนวโน้มที่ดีเป็นพิเศษสำหรับการศึกษานำไปใช้ในการเตรียมและกระตุ้นตัวเร่งปฏิกิริยา เทคนิคนี้สามารถผลิตอนุภาคนาโนที่มีความสม่ำเสมอและกระจายตัวได้โดยไม่ต้องใช้เครื่องมือราคาแพงหรือสภาวะสุดขั้ว
ในการศึกษาวิจัยหลายชิ้น นักวิทยาศาสตร์ได้ข้อสรุปว่าการเตรียมตัวเร่งปฏิกิริยาด้วยอัลตราโซนิกเป็นวิธีที่ให้ประโยชน์มากที่สุดสำหรับการผลิตตัวเร่งปฏิกิริยานาโนที่มีความสม่ำเสมอ ในบรรดาวิธีเตรียมตัวเร่งปฏิกิริยานาโน เทคนิคโซโนเคมีถือเป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพสูง ความสามารถของการใช้อัลตราโซนิกความเข้มสูงในการสร้างพื้นผิวที่มีความว่องไวในการเกิดปฏิกิริยาสูง ปรับปรุงการผสม และเพิ่มการถ่ายโอนมวล ทำให้เทคนิคนี้มีแนวโน้มที่ดีเป็นพิเศษสำหรับการศึกษานำไปใช้ในการเตรียมและกระตุ้นตัวเร่งปฏิกิริยา เทคนิคนี้สามารถผลิตอนุภาคนาโนที่มีความสม่ำเสมอและกระจายตัวได้โดยไม่ต้องใช้เครื่องมือราคาแพงหรือสภาวะสุดขั้ว (ดู Koshbin and Haghighi, 2014)

เครื่องอัลตราโซนิกสมรรถนะสูงสำหรับการสังเคราะห์ตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีรูพรุนระดับเมโซ

อุปกรณ์โซโนเคมีสำหรับการสังเคราะห์ตัวเร่งปฏิกิริยานาโนสมรรถนะสูงมีพร้อมให้เลือกใช้ทุกขนาด – ตั้งแต่เครื่องอัลตราโซนิกขนาดกะทัดรัดสำหรับห้องปฏิบัติการ ไปจนถึงเครื่องปฏิกรณ์อัลตราโซนิกสำหรับอุตสาหกรรมเต็มรูปแบบ Hielscher Ultrasonics ออกแบบ ผลิต และจัดจำหน่ายเครื่องอัลตราโซนิกกำลังสูง ระบบอัลตราโซนิกทั้งหมดผลิตที่สำนักงานใหญ่ในเมือง Teltow ประเทศเยอรมนี และจัดจำหน่ายจากที่นั่นไปทั่วโลก
ฮาร์ดแวร์ที่พัฒนาอย่างพิถีพิถันและซอฟต์แวร์อัจฉริยะของเครื่องอัลตราโซนิก Hielscher ได้รับการออกแบบเพื่อรับประกันการทำงานที่เชื่อถือได้ ผลลัพธ์ที่ทำซ้ำได้ และความสะดวกในการใช้งาน เครื่องอัลตราโซนิก Hielscher มีความแข็งแกร่งและเชื่อถือได้ จึงสามารถติดตั้งและใช้งานภายใต้สภาวะงานหนักได้ การตั้งค่าการทำงานสามารถเข้าถึงและปรับได้ง่ายผ่านเมนูที่ใช้งานได้อย่างเป็นธรรมชาติ ซึ่งเข้าถึงได้ผ่านจอสัมผัสสีดิจิทัลและการควบคุมระยะไกลผ่านเบราว์เซอร์ ดังนั้น สภาวะการประมวลผลทั้งหมด เช่น พลังงานสุทธิ พลังงานรวม แอมพลิจูด เวลา ความดัน และอุณหภูมิ จึงถูกบันทึกโดยอัตโนมัติลงใน SD-card ที่ติดตั้งในเครื่อง ซึ่งช่วยให้คุณตรวจทานและเปรียบเทียบการใช้อัลตราโซนิกครั้งก่อน ๆ และปรับการสังเคราะห์กับการปรับหมู่ฟังก์ชันของตัวเร่งปฏิกิริยานาโนให้มีประสิทธิภาพสูงสุดได้
ระบบ Hielscher Ultrasonics ใช้ทั่วโลกในกระบวนการสังเคราะห์ด้วยโซโนเคมี และได้รับการพิสูจน์ว่าเชื่อถือได้สำหรับการสังเคราะห์ตัวเร่งปฏิกิริยาซีโอไลต์นาโนคุณภาพสูง รวมทั้งอนุพันธ์ของซีโอไลต์ เครื่องอัลตราโซนิกอุตสาหกรรม Hielscher สามารถทำงานด้วยแอมพลิจูดสูงได้อย่างง่ายดายในการทำงานต่อเนื่อง (24/7/365) โซโนโทรดมาตรฐาน (โพรบ / ฮอร์นอัลตราโซนิก) สามารถสร้างแอมพลิจูดสูงถึง 200µm ได้อย่างต่อเนื่องโดยง่าย สำหรับแอมพลิจูดที่สูงกว่านี้ มีโซโนโทรดอัลตราโซนิกที่ผลิตตามความต้องการให้เลือกใช้ เนื่องจากมีความแข็งแกร่งและต้องการการบำรุงรักษาน้อย เครื่องอัลตราโซนิกของเราจึงมักติดตั้งสำหรับงานหนักและในสภาพแวดล้อมที่มีข้อกำหนดเข้มงวด
เครื่องประมวลผลอัลตราโซนิก Hielscher สำหรับการสังเคราะห์ด้วยโซโนเคมี การปรับหมู่ฟังก์ชัน การสร้างโครงสร้างระดับนาโน และการสลายการเกาะกลุ่ม ได้รับการติดตั้งในระดับเชิงพาณิชย์ทั่วโลกแล้ว ติดต่อเราตอนนี้เพื่อหารือเกี่ยวกับกระบวนการผลิตตัวเร่งปฏิกิริยานาโนของคุณ! บุคลากรที่มีประสบการณ์สูงของเรายินดีให้ข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับแนวทางการสังเคราะห์ด้วยโซโนเคมี ระบบอัลตราโซนิก และราคา!
ด้วยข้อได้เปรียบของวิธีสังเคราะห์ด้วยอัลตราโซนิก การผลิตตัวเร่งปฏิกิริยานาโนที่มีรูพรุนระดับเมโซของคุณจะโดดเด่นด้านประสิทธิภาพ ความเรียบง่าย และต้นทุนต่ำ เมื่อเทียบกับกระบวนการสังเคราะห์ตัวเร่งปฏิกิริยาอื่น ๆ!

ตารางด้านล่างแสดงความสามารถในการประมวลผลโดยประมาณของเครื่องอัลตราโซนิกของเรา: