Ультразвукова підготовка каталізаторів для перетворення диметилового ефіру (DME)

Диметиловий ефір (DME) є сприятливим альтернативним паливом, яке можна синтезувати з метанолу, CO₂ або синтез-газу через каталіз. Для каталітичного перетворення на DME необхідні 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. Інтенсивний ультразвук є найкращою технікою для підготовки високоактивних нанокаталізаторів. Дізнайтеся більше про те, як використовувати ультразвукову обробку для виробництва мікро- та мезопористих каталізаторів з відмінною реакційною здатністю та селективністю!

Біфункціональні каталізатори для прямого перетворення DME

Виробництво диметилового ефіру (DME) є добре встановленим промисловим процесом, який поділяється на два етапи: по-перше, каталітичне гідрування синтез-газу до метанолу (CO / CO₂ + 3H₂ → CH₃OH + H₂HO) і, по-друге, наступна каталітична дегідратація метанолу на кислотних каталізаторах для виробництва (2CH₃OH → CH₃OCH₃ + H₂O). Головна обмеженість цього двостадійного синтезу DME пов’язана з низькою термодинамікою під час фази синтезу метанолу, що призводить до низької конверсії газу за один прохід (15-25%). При цьому виникають високі коефіцієнти рециркуляції, а також високі капітальні та експлуатаційні витрати.
Щоб подолати це термодинамічне обмеження, прямий синтез DME є значно більш сприятливим: при прямому перетворенні DME стадія синтезу метанолу поєднується зі стадією дегідратації в одному реакторі
(2CO / CO₂ + 6H₂ → CH₃OCH₃ + 3H₂O).

Прямий синтез DME дозволяє збільшити рівні конверсії за стадію до 19%, що означає значне скорочення витрат щодо інвестицій та експлуатаційних виробничих витрат на DME. Згідно з оцінками, вартість виробництва DME при прямому синтезі зменшується на 20-30% порівняно зі звичайним двостадійним процесом перетворення. Для роботи шляху прямого синтезу DME необхідна високоефективна гібридна біфункціональна каталітична система. Необхідний каталізатор повинен забезпечувати функціональність для гідрування CO / CO2 для синтезу метанолу та кислотні функціональності, які сприяють дегідратації метанолу. (пор. Millán et al. 2020)

Синтез високоактивних каталізаторів для перетворення DME за допомогою потужного ультразвуку

Реакційну здатність та селективність каталізаторів для перетворення диметилового ефіру можна значно покращити 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 DME.

Хлорування та фторування цеолітів є ефективними методами налаштування каталітичної кислотності. Хлоровані та фторовані цеолітні каталізатори були підготовлені шляхом просочування цеолітів (H-ZSM-5, H-MOR або H-Y) з використанням двох галогенових прекурсорів (хлориду амонію та фториду амонію) у дослідженні наукової групи Aboul-Fotouh. Вплив ультразвукового опромінення був оцінений для оптимізації обох галогенових прекурсорів для вироблення диметилового ефіру (DME) шляхом дегідратації метанолу в реакторі з нерухомим шаром. Порівняльні випробування каталізу DME виявили, що галогеновані цеолітні каталізатори, підготовлені під ультразвуковим опроміненням, демонструють вищу продуктивність для утворення DME. (Aboul-Fotouh et al., 2016)
У іншому дослідженні наукова група вивчила всі важливі змінні ультразвукової обробки, що зустрічаються під час проведення дегідратації метанолу на цеолітних каталізаторах H-MOR для вироблення диметилового ефіру. Для своїх експериментів з ультразвукової обробки наукова група використовувала ультразвуковий гомогенізатор Hielscher UP50H зондового типу. Зображення, отримані за допомогою скануючого електронного мікроскопа (SEM) обробленого ультразвуком цеоліту H-MOR (цеоліт морденіт), показали, що метанол, який сам по собі використовується як середовище для ультразвукової обробки, дає найкращі результати щодо однорідності розмірів частинок порівняно з необробленим каталізатором, де спостерігалися великі агломерати та неоднорідні кластери. Ці висновки підтвердили, що ультразвукова обробка глибоко впливає на роздільну здатність елементарної комірки та, отже, на каталітичну поведінку дегідратації метанолу в диметиловий ефір (DME). NH3-TPD показує, що ультразвукове опромінення підвищило кислотність каталізатора H-MOR та, отже, його каталітичну продуктивність для утворення DME. (Aboul-Gheit et al., 2014)

Майже весь комерційний DME виробляється шляхом дегідратації метанолу з використанням різних твердо-кислотних каталізаторів, таких як цеоліти, силіка–алюміна, алюміна, Al₂O₃–B₂O₃ тощо, за наступною реакцією:
2CH₃OH <—> CH₃OCH₃ +H₂O(-22,6k jmol^-1)

Koshbin та Haghighi (2013) підготували нанокаталізатори CuO–ZnO–Al₂O₃/HZSM-5 за допомогою комбінованого методу співосадження–ультразвуку. Наукова група виявила, що «використання ультразвукової енергії має великий вплив на дисперсію функції гідрогенування CO та, отже, на продуктивність синтезу DME. Стійкість нанокаталізатора, синтезованого за допомогою ультразвуку, була досліджена під час реакції перетворення синтез-газу на DME. Нанокаталізатор втрачає незначну активність протягом реакції через утворення коксу на мідних видах». [Khoshbin and Haghighi, 2013.]

Альтернативним нецеолітовим нанокаталізатором, який також дуже ефективний у сприянні перетворенню DME, є нанорозмірний пористий γ-алюмінієвий каталізатор. Нанорозмірна пориста γ-алюміна була успішно синтезована шляхом осадження під ультразвуковим змішуванням. Сонохімічна обробка сприяє синтезу наночастинок. (див. Rahmanpour et al., 2012)

Чому нанокаталізатори, підготовлені за допомогою ультразвуку, є кращими?

Для виробництва гетерогенних каталізаторів часто потрібні матеріали з високою доданою вартістю, такі як дорогоцінні метали. Це робить каталізатори дорогими, тому підвищення ефективності, а також подовження терміну служби каталізаторів є важливими економічними факторами. Серед методів підготовки нанокаталізаторів сонохімічна техніка вважається надзвичайно ефективним методом. Здатність ультразвуку створювати високоактивні поверхні, покращувати змішування та збільшувати масоперенос робить його особливо перспективною технікою для дослідження в контексті підготовки та активації каталізаторів. Вона може виробляти однорідні та дисперговані наночастинки без потреби в дорогому обладнанні та екстремальних умовах.
У кількох дослідницьких роботах вчені приходять до висновку, що ультразвукова підготовка каталізаторів є найбільш вигідним методом для виробництва однорідних нанокаталізаторів. Серед методів підготовки нанокаталізаторів сонохімічна техніка вважається надзвичайно ефективним методом. Здатність інтенсивної ультразвукової обробки створювати високоактивні поверхні, покращувати змішування та збільшувати масоперенос робить її особливо перспективною технікою для дослідження в контексті підготовки та активації каталізаторів. Вона може виробляти однорідні та дисперговані наночастинки без потреби в дорогому обладнанні та екстремальних умовах. (пор. Koshbin і Haghighi, 2014)

Високопродуктивні ультразвукові реактори для синтезу мезопористих каталізаторів

Сонохімічне обладнання для синтезу високопродуктивних нанокаталізаторів доступно в будь-якому розмірі – від компактних лабораторних ультразвукових реакторів до повністю промислових ультразвукових реакторів. Hielscher Ultrasonics розробляє, виробляє та розповсюджує високоефективні ультразвукові реактори. Всі ультразвукові системи виготовляються в штаб-квартирі в Тельтові, Німеччина, та звідти розповсюджуються по всьому світу.
Складне апаратне забезпечення та розумне програмне забезпечення ультразвукових процесорів Hielscher розроблені для гарантування надійної роботи, відтворюваних результатів, а також зручності використання. Ультразвукові процесори Hielscher є міцними та надійними, що дозволяє встановлювати та експлуатувати їх в умовах важких навантажень. Експлуатаційні налаштування можна легко отримати та відрегулювати через інтуїтивно зрозуміле меню, доступ до якого здійснюється через цифровий кольоровий сенсорний дисплей та браузерне дистанційне керування. Тому всі умови обробки, такі як чиста енергія, загальна енергія, амплітуда, час, тиск і температура, автоматично записуються на вбудовану SD-карту. Це дозволяє переглядати та порівнювати попередні цикли ультразвукової обробки та оптимізувати синтез і функціоналізацію нанокаталізаторів до найвищої ефективності.
Системи Hielscher Ultrasonics використовуються у всьому світі для сонохімічних процесів синтезу та зарекомендували себе як надійні для синтезу високоякісних нанокаталізаторів на основі цеоліту, а також похідних цеоліту. Промислові ультразвукові процесори Hielscher можуть легко працювати з високими амплітудами в безперервному режимі (24/7/365). Амплітуди до 200µm можна легко генерувати безперервно зі стандартними сонотродами (ультразвукові зонди / рупори). Для ще вищих амплітуд доступні індивідуальні ультразвукові сонотроди. Завдяки своїй міцності та низьким вимогам до обслуговування наші ультразвукові процесори зазвичай встановлюються для застосувань з важкими навантаженнями та в складних середовищах.
Ультразвукові процесори Hielscher для сонохімічних синтезів, функціоналізації, наноструктурування та дезагломерації вже встановлені у всьому світі в промислових масштабах. Зв’яжіться з нами зараз, щоб обговорити ваш процес виробництва нанокаталізаторів! Наш досвідчений персонал буде радий надати більше інформації про шлях сонохімічного синтезу, ультразвукові системи та ціни!
Завдяки перевагам методу ультразвукового синтезу, виробництво мезопористих нанокаталізаторів перевищить інші процеси синтезу каталізаторів за ефективністю, простотою та низькою вартістю!

Наведена нижче таблиця дає уявлення про приблизну продуктивність обробки наших ультразвукових процесорів: