Ультразвукова підготовка каталізаторів для перетворення диметилового ефіру (DME)

Диметиловий ефір (DME) є сприятливим альтернативним паливом, яке може бути синтезоване з метанолу, CO₂ або синтез-газ шляхом каталізу. Для каталітичного перетворення в DME потрібні потужні каталізатори. Нанорозмірні мезопористі каталізатори, такі як мезопористі кислотні цеоліти, декоровані цеоліти або нанорозмірні металеві каталізатори, такі як алюміній або мідь, можуть значно покращити перетворення DME. Ультразвук високої інтенсивності є чудовим методом приготування високореактивних нанокаталізаторів. Дізнайтеся більше про те, як використовувати ультразвук для виробництва мікро- та мезопористих каталізаторів з відмінною реакційною здатністю та селективністю!

Біфункціональні каталізатори для прямого перетворення DME

Виробництво диметилового ефіру (ДМЕ) є добре налагодженим промисловим процесом, який ділиться на два етапи: по-перше, каталітичне гідрування синтез-газу в метанол (CO / CO₂ + 3 ГОД₂ → СН₃ОН + Ч₂HO) і, по-друге, подальше каталітичне зневоднення метанолу над кислотними каталізаторами для отримання (2СН₃ОХ → Ч₃ОЧ₃ + Ч₂O). Основне обмеження цього двоступеневого синтезу DME пов'язане з низькою термодинамікою під час фази синтезу метанолу, що призводить до низької конверсії газу за прохід (15-25%). Таким чином, виникають високі коефіцієнти рециркуляції, а також високі капітальні та експлуатаційні витрати.
Для подолання цього термодинамічного обмеження значно сприятливішим є прямий синтез DME: при прямому перетворенні DME етап синтезу метанолу поєднується зі стадією зневоднення в одному реакторі
(2CO / CO₂ + 6 ГОД₂ → СН₃ОЧ₃ + 3 ГОД₂O).

Прямий синтез DME дозволяє підвищити рівні перетворення на крок до 19%, що означає значне зниження витрат щодо інвестиційної та експлуатаційної собівартості виробництва DME. Виходячи з оцінок, собівартість виробництва ДМЕ при прямому синтезі знижується на 20-30% в порівнянні зі звичайним двоетапним процесом перетворення. Для того, щоб забезпечити роботу прямого шляху синтезу DME, необхідна високоефективна гібридна біфункціональна каталітична система. Необхідний каталізатор повинен забезпечувати функціональність для гідрування CO / CO2 для синтезу метанолу і кислотні функції, які сприяють зневодненню метанолу. (пор. Millán та ін. 2020)

Синтез високореактивних каталізаторів для перетворення DME з використанням Power-Ultrasound

Реакційна здатність і селективність каталізаторів перетворення диметилового ефіру можуть бути значно поліпшені за допомогою ультразвукової обробки. Цеоліти, такі як кислотні цеоліти (наприклад, алюмосилікатний цеоліт HZSM-5) та декоровані цеоліти (наприклад, з CuO/ZnO/Al₂O₃) є основними каталізаторами, які успішно використовуються для виробництва ДМЕ.

Хлорування і фторування цеолітів є ефективними методами настройки каталітичної кислотності. Хлоровані та фторовані цеолітні каталізатори були приготовлені шляхом просочення цеолітів (H-ZSM-5, H-MOR або H-Y) з використанням двох галогенних прекурсорів (хлориду амонію та фториду амонію) у дослідженні дослідницької групи Aboul-Fotouh. Оцінено вплив ультразвукового опромінення для оптимізації обох галогенних прекурсорів для отримання диметилетера (DME) шляхом дегідратації метанолу в реакторі з нерухомим шаром. Порівняльне дослідження каталізу DME показало, що галогеновані цеолітові каталізатори, приготовані під ультразвуковим опроміненням, показують більш високу ефективність для утворення DME. (Aboul-Fotouh та ін., 2016)
В іншому дослідженні дослідницька група вивчила всі важливі змінні ультразвуку, що виникають під час проведення дегідратації метанолу на цеолітових каталізаторах H-MOR з утворенням диметилетера. Для проведення ультразвукового випромінювання дослідницька група використовувала Ультразвуковий апарат зондового типу Hielscher UP50H. Скануючий електронний мікроскоп (SEM) візуалізації ультразвукового цеоліту H-MOR (морденітового цеоліту) дозволив уточнити, що метанол, який сам по собі використовується в якості ультразвукового середовища, дає найкращі результати щодо однорідності розмірів частинок у порівнянні з необробленим каталізатором, де з'явилися великі агломерати та неоднорідні скупчення. Ці результати підтвердили, що ультразвук має глибокий вплив на роздільну здатність елементарних клітин і, отже, на каталітичну поведінку дегідратації метанолу до диметилового ефіру (DME). NH3-TPD показує, що ультразвукове опромінення посилює кислотність каталізатора H-MOR і, отже, є каталітичною дією для утворення DME. (Aboul-Gheit та ін., 2014)

Практично всі комерційні ДМЕ виробляються шляхом зневоднення метанолу з використанням різних твердокислотних каталізаторів, таких як цеоліти, силліка-оксид алюмінію, оксид алюмінію, Al₂O₃–Б₂O₃і т.д. за допомогою наступної реакції:
2CH₃АХ <—> СН₃ОЧ₃ +Год₂O(-22.6k jmol^-1)

Кошбін і Хагігі (2013) підготували CuO–ZnO–Al₂O₃/HZSM-5 нанокаталізаторами комбінованим методом спільного опадіння–ультразвуку. Дослідницька група виявила, що «використання енергії ультразвуку має великий вплив на дисперсію функції гідрування CO і, отже, на продуктивність синтезу DME. Досліджено довговічність синтезованого нанокаталізатора за допомогою ультразвуку під час реакції синтез-газ-DME. Нанокаталізатор втрачає незначну активність в процесі реакції через утворення коксу на мідних видах. [Хошбін і Хагігі, 2013.]

Альтернативним нецеолітовим нанокаталізатором, який також дуже ефективно сприяє перетворенню DME, є нанорозмірний пористий каталізатор γ-оксиду алюмінію. Нанорозмірний пористий γ-оксид алюмінію був успішно синтезований методом осадження при ультразвуковому перемішуванні. Сонохімічна обробка сприяє синтезу наночастинок. (пор. Рахманпур та ін., 2012)

Чому нанокаталізатори, приготовані ультразвуком, кращі?

Для виробництва гетерогенних каталізаторів часто потрібні матеріали з високою доданою вартістю, такі як дорогоцінні метали. Це робить каталізатори дорогими, тому підвищення ефективності, а також продовження життєвого циклу каталізаторів є важливими економічними факторами. Серед методів приготування нанокаталізаторів високоефективним методом розглядається сонохімічний метод. Здатність ультразвуку створювати високореактивні поверхні, покращувати перемішування та збільшувати транспортування маси робить його особливо перспективним методом для підготовки та активації каталізатора. Він може виробляти однорідні та дисперсні наночастинки без потреби в дорогих інструментах та екстремальних умовах.
В ході ряду досліджень вчені приходять до висновку, що підготовка ультразвукового каталізатора є найбільш вигідним методом для виробництва гомогенних нанокаталізаторів. Серед методів приготування нанокаталізаторів високоефективним методом розглядається сонохімічний метод. Здатність інтенсивного ультразвуку створювати високореакційні поверхні, покращувати перемішування та збільшувати транспортування маси робить його особливо перспективним методом для підготовки та активації каталізатора. Він може виробляти однорідні та дисперсні наночастинки без потреби в дорогих інструментах та екстремальних умовах. (пор. Кошбін і Хагігі, 2014)

Високоефективні ультразвукові апарати для синтезу мезопористих каталізаторів

Сонохімічне обладнання для синтезу високопродуктивних нанокаталізаторів є в наявності в будь-якому розмірі – Від компактних лабораторних ультразвукових реакторів до повністю промислових ультразвукових реакторів. Hielscher Ultrasonics розробляє, виробляє та розповсюджує потужні ультразвукові апарати. Всі ультразвукові системи виготовляються в штаб-квартирі в Тельтові, Німеччина, і розповсюджуються звідти по всьому світу.
Складне апаратне забезпечення та інтелектуальне програмне забезпечення ультразвукових приладів Hielscher розроблені таким чином, щоб гарантувати надійну роботу, відтворювані результати, а також зручність для користувача. Ультразвукові апарати Hielscher міцні та надійні, що дозволяє встановлювати та експлуатувати їх у важких умовах експлуатації. Доступ до робочих налаштувань можна легко отримати та набрати за допомогою інтуїтивно зрозумілого меню, доступ до якого можна отримати за допомогою цифрового кольорового сенсорного дисплея та пульта дистанційного керування браузером. Тому всі умови обробки, такі як чиста енергія, загальна енергія, амплітуда, час, тиск і температура, автоматично записуються на вбудовану SD-карту. Це дозволяє переглянути та порівняти попередні прогони ультразвуку та оптимізувати синтез та функціоналізацію нанокаталізаторів з максимальною ефективністю.
Ультразвукові системи Hielscher використовуються в усьому світі для процесів сонохімічного синтезу і довели свою надійність для синтезу високоякісних цеолітових нанокаталізаторів, а також похідних цеоліту. Промислові ультразвукові апарати Hielscher можуть легко працювати з високими амплітудами в безперервній роботі (24/7/365). Амплітуди до 200 мкм можуть бути легко безперервно генеровані за допомогою стандартних сонотродів (ультразвукових зондів / ріжків). Для ще більш високих амплітуд доступні індивідуальні ультразвукові сонотроди. Завдяки своїй надійності та невибагливому обслуговуванню наші ультразвукові пристрої зазвичай встановлюються для важких умов експлуатації та в складних умовах.
Ультразвукові процесори Hielscher для сонохімічного синтезу, функціоналізації, наноструктурування та деагломерації вже встановлені у всьому світі в промислових масштабах. Зв'яжіться з нами зараз, щоб обговорити процес виробництва нанокаталізатора! Наш досвідчений персонал буде радий поділитися додатковою інформацією про шлях сонохімічного синтезу, ультразвукові системи та ціни!
Завдяки перевагам методу ультразвукового синтезу ваше виробництво мезопористих нанокаталізаторів буде відрізнятися ефективністю, простотою і дешевизною в порівнянні з іншими процесами синтезу каталізаторів!

Наведена нижче таблиця дає уявлення про приблизну потужність обробки наших ультразвукових апаратів: