Ультразвукова підготовка каталізаторів для перетворення диметилового ефіру (DME)

Диметиловий ефір (DME) є сприятливим альтернативним паливом, яке можна синтезувати з метанолу, CO₂ або сингаз через каталіз. Для каталичного перетворення в DME потрібні потужні каталізатори. Нанорозмірні мезопорні каталізатори, такі як мезопорозні кислі цеоліти, прикрашені цеоліти або нанорозмірні металеві каталізатори, такі як алюміній або мідь, можуть значно поліпшити перетворення DME. Ультразвук високої інтенсивності є чудовою технікою для приготування високо реактивних нано-каталізаторів. Дізнайтеся більше про те, як використовувати ультразвук для виробництва мікро- та мезопорних каталізаторів з відмінною реактивністю та вибірковістю!

Біфункціональні каталізатори для прямого перетворення DME

Виробництво диметилового ефіру (DME) - це налагоджений промисловий процес, який ділиться на два етапи: по-перше, каталітична гідрогенія сингазу в метанол (CO / CO₂ + 3H₂ → CH₃АХ + H₂HO) а по-друге, подальше каталітне зневоднення метанолу над кислотними каталізаторами для виробництва (2CH₃OH → CH₃ОХ₃ + H₂O). Основне обмеження цього двоетапного синтезу DME пов'язане з низькою термодинамією під час фази синтезу метанолу, що призводить до низького перетворення газу на прохід (15-25%). Таким чином, відбуваються високі коефіцієнти рециркуляції, а також високі капітальні та експлуатаційні витрати.
Для того, щоб подолати це термодинамічне обмеження, прямий синтез DME значно вигідніший: При прямому перетворенні DME крок синтезу метанолу пов'язано з кроком зневоднення в одному реакторі
(2CO / CO₂ + 6H₂ → CH₃ОХ₃ + 3H₂O).

Прямий синтез DME дозволяє збільшити рівні конверсії на крок, до 19%, що означає значне зниження витрат на інвестиції та операційну собівартість виробництва DME. Виходячи з оцінок, собівартість виробництва DME в прямому синтезі знижується на 20-30% в порівнянні зі звичайним двосхилим процесом перетворення. Для роботи прямого шляху синтезу DME необхідна високоефективна гібридна двофункціональна каталична система. Необхідний каталізатор повинен запропонувати функціональність для гідрогенації CO / CO2 для синтезу метанолу і кислих функцій, які допомагають зневоднення метанолу. (пор. Мілан та ін.) 2020)

Синтез високо реактивних каталізаторів для перетворення DME за допомогою power-ultrasound

Реактивність і вибірковість каталізаторів для перетворення диметилового ефіру можна значно поліпшити за допомогою ультразвукової обробки. Зеоліти, такі як кислотні цеоліти (наприклад, алюміносикат цеоліт ГЦСМ-5) і прикрашені цеоліти (наприклад, з CuO / ZnO / Al₂О.₃) є основними каталізаторами, які успішно використовуються для виробництва DME.

Хлорування і фторування цеолітів є ефективними методами для налаштування каталітичної кислотності. Хлоровані і фторовані цеолітні каталізатори були підготовлені шляхом просочення цеолітів (H-ZSM-5, H-MOR або H-Y) за допомогою двох галогенових попередників (хлорид амонію і фториду амонію) в дослідженні дослідницької групи Aboul-Fotouh. Вплив ультразвукового опромінення оцінювалася для оптимізації обох галогенових попередників для виробництва диметилетера (DME) через зневоднення метанолу в реакторі з нерухомим шаром. Порівняльне випробування каталізу DME показало, що галогеновані каталізатори цеоліту, підготовлені під ультразвуковим опроміненням, показують більш високу продуктивність для формування DME. (Aboul-Fotouh та ін., 2016)
В іншому дослідженні дослідницька група досліджувала всі важливі ультразвукові змінні, що зустрічаються під час проведення зневоднення метанолу на каталізаторах H-MOR цеоліту для виробництва диметилетера. Для своїх епосів ультразвукової обробки дослідницька група використовувала Hielscher UP50H зонд типу ультраакукатор. Сканування електронного мікроскопа (SEM) зображення ультразвукового H-MOR zeolite (Mordenite zeolite) уточнили, що метанол сам по собі використовується як ультразвукове середовище дає найкращі результати щодо однорідності розмірів частинок у порівнянні з необробленим каталізатором, де з'явилися великі агломерати та негогенні кластери. Ці результати засвідчилися, що ультразвук має глибокий вплив на роздільну здатність клітини і, отже, на каталітну поведінку зневоднення метанолу до диметилового ефіру (DME). NH3-TPD показує, що ультразвукове опромінення підвищило кислотність каталізатора H-MOR і, отже, є каталітичним показником для формування DME. (Aboul-Gheit та ін., 2014)

Майже весь комерційний DME виробляється шляхом зневоднення метанолу з використанням різних твердопаливних каталізаторів, таких як цеоліти, шиліка-алюміній, алюміній, Al₂О.₃–B₂О.₃і т.д., шляхом наступної реакції:
2CH₃АХ <—> CH₃ОХ₃ +H₂O(-22.6k jmol)^-1)

Кошбін і Хагігі (2013) підготували CuO-ZnO-Al₂О.₃/ХЗСМ-5 нанокаталісти за допомогою комбінованого методу co-precipitation-ultrasound. Дослідницька група виявила, «що використання ультразвукової енергії має великий вплив на дисперсію функції гідрогенації CO і, отже, на ефективність синтезу DME. Довговічність ультразвукового синтезованого нанокаталіту була досліджена під час сингам реакції DME. Нанокаталіст втрачає незначну активність протягом реакції через утворення коксу на мідних видах». [Хошбін і Хагігі, 2013.]

Альтернативний не-цеолітовий нано-каталізатор, який також дуже ефективний у сприянні перетворенню DME, є нанорозмірним пористим каталізатором γ-алюмінію. Нанорозмірні пористі γ-алюмінію були успішно синтезовані опадами при ультразвуковому змішуванні. Сонохімічне лікування сприяє синтезу наночастинок. (пор. Рахманпур та ін., 2012)

Чому ультрачно підготовлені нано-каталізатори вищі?

Для виробництва неоднорідних каталізаторів часто потрібні високо додані матеріали, такі як дорогоцінні метали. Це робить каталізатори дорогими і, отже, підвищення ефективності, а також продовження життєвого циклу каталізаторів є важливими економічними факторами. Серед методів приготування нанокаталістів високоефективним методом розглядається сонохімічна техніка. Здатність ультразвуку створювати високо реактивні поверхні, покращувати змішування та збільшувати масовий транспорт робить його особливо перспективною технікою для вивчення підготовки та активації каталізатора. Він може виробляти однорідні і дисперсні наночастинки без необхідності дорогих інструментів і екстремальних умов.
У кількох дослідницьких дослідженнях вчені приходять до висновку, що підготовка ультразвукового каталізатора є найбільш вигідним методом для виробництва однорідних нано-каталізаторів. Серед методів приготування нанокаталістів високоефективним методом розглядається сонохімічна техніка. Здатність інтенсивної ультразвукової обробки створювати високо реактивні поверхні, покращувати змішування та збільшувати масовий транспорт робить його особливо перспективною технікою для вивчення підготовки та активації каталізатора. Він може виробляти однорідні і дисперсні наночастинки без необхідності дорогих інструментів і екстремальних умов. (пор. Кошбін і Хагігі, 2014)

Високоегнетивих ультраакукаторів для синтезу мезопорних каталізаторів

Сонохімічне обладнання для синтезу високоеціонажних нано-каталізаторів легко доступне в будь-якому розмірі – від компактних лабораторних ультраакукаторів до повністю промислових ультразвукових реакторів. Hielscher Ультразвук проектує, виробляє і розподіляє високоенербельні ультраакукатори. Всі ультразвукові системи виготовляються в штаб-квартирі в Тельтоу, Німеччина і розповсюджуються звідти по всьому світу.
Складне апаратне та розумне програмне забезпечення hielscher ультраакукатори призначені для забезпечення надійної роботи, відтворюваних результатів, а також зручності для користувачів. Hielscher ультраакукатори є надійними і надійними, що дозволяє встановлюватися і експлуатуватися в важких умовах. Оперативні налаштування можна легко отримати доступ і набирати через інтуїтивно зрозуміле меню, доступ до якого можна отримати за допомогою цифрового кольорового сенсорного дисплея та пульта дистанційного керування браузера. Тому всі умови обробки, такі як чиста енергія, сумарна енергія, амплітуда, час, тиск і температура, автоматично записуються на вбудовану SD-карту. Це дозволяє переглянути та порівняти попередні пробіги ультразвукової обробки та оптимізувати синтез та функціоналізацію нано-каталізаторів до найвищої ефективності.
Hielscher Ультразвукові системи використовуються в усьому світі для процесів сонохімічного синтезу і доведено, що надійні для синтезу високоякісних нано-каталізаторів цеоліту, а також похідних цеоліту. Hielscher промислові ультраакукатори можуть легко працювати високі амплітуди в безперервній роботі (24/7/365). Амплітуди до 200 мкм можуть легко безперервно генеруються за допомогою стандартних сонотродів (ультразвукові зонди / роги). Для ще більш високих амплітуд доступні індивідуальні ультразвукові сонотроди. Завдяки своїй надійності та низькому обслуговуванню, наші ультраакукатори зазвичай встановлюються для важких застосувань та в складних умовах.
Ультразвукові процесори Hielscher для сонохімічних синтезів, функціоналізації, наноструктуризації та деагломерації вже встановлені по всьому світу в комерційних масштабах. Зв'яжіться з нами зараз, щоб обговорити ваш процес виробництва нано-каталізатора! Наш досвідчений персонал із задоволенням поділиться додатковою інформацією про шлях сонохімічного синтезу, ультразвукові системи та ціноутворення!
З перевагою методу ультразвукового синтезу, ваше мезопорне виробництво нано-каталізатора буде перевершувати ефективність, простоту та низьку вартість у порівнянні з іншими процесами синтезу каталізатора!

У таблиці нижче наведено приблизну потужність обробки наших ультразвукових пристроїв: