Dimetil efirga (DME) aylantirish uchun katalizatorlarni ultratovush yordamida tayyorlash

Dimetil efir (DME) qulay muqobil yoqilgʻi boʻlib, uni metanol, CO₂ yoki sintez-gazdan kataliz orqali sintez qilish mumkin. DME ga katalitik aylantirish uchun kuchli katalizatorlar zarur. Mezogʻovak kislotali seolitlar, qoʻshimcha komponentlar bilan bezatilgan seolitlar kabi nanooʻlchamli mezogʻovak katalizatorlar yoki alyuminiy yoxud mis kabi nanooʻlchamli metall katalizatorlar DME ga aylantirishni sezilarli darajada yaxshilashi mumkin. Yuqori intensivlikdagi ultratovush yuqori reaksion qobiliyatli nanokatalizatorlarni tayyorlashning eng yaxshi usulidir. Ajoyib reaksion qobiliyat va selektivlikka ega mikro- va mezogʻovak katalizatorlarni ishlab chiqarishda ultratovush bilan ishlov berishdan qanday foydalanish haqida batafsil bilib oling!

DME ga bevosita aylantirish uchun bifunksional katalizatorlar

Dimetil efir (DME) ishlab chiqarish ikki bosqichga boʻlinadigan, yaxshi yoʻlga qoʻyilgan sanoat jarayonidir: birinchisi, sintez-gazni metanolga katalitik gidrogenlash (CO / CO₂ + 3H₂ → CH₃OH + H₂HO), ikkinchisi esa keyinchalik kislotali katalizatorlar ishtirokida metanolni katalitik suvsizlantirish orqali hosil qilishdir (2CH₃OH → CH₃OCH₃ + H₂O). Ushbu ikki bosqichli DME sintezining asosiy cheklovi metanol sintezi bosqichidagi past termodinamika bilan bogʻliq boʻlib, bu gazning bir oʻtishdagi aylanish darajasi past boʻlishiga (15–25%) olib keladi. Natijada yuqori qayta aylantirish nisbatlari, shuningdek, yuqori kapital va ekspluatatsiya xarajatlari yuzaga keladi.
Ushbu termodinamik cheklovni yengish uchun DME ni bevosita sintez qilish ancha qulayroq: DME ga bevosita aylantirishda metanol sintezi bosqichi bitta reaktorda suvsizlantirish bosqichi bilan birlashtiriladi
(2CO / CO₂ + 6H₂ → CH₃OCH₃ + 3H₂O).

Funksionallashtirilgan seolitlar kabi nanokatalizatorlar ultratovush bilan ishlov berish sharoitida muvaffaqiyatli sintez qilinadi. Sonokimyoviy sharoitlarda sintez qilingan funksionallashtirilgan nanostrukturali kislotali seolitlar dimetil efirga (DME) aylantirishda ustun tezliklarni taʼminlaydi.

UIP2000hdT (2kW) ultratovush qurilmasi oqim oʻtuvchi reaktor bilan birgalikda mezogʻovak nanokatalizatorlarni (masalan, qoʻshimcha komponentlar bilan bezatilgan seolitlarni) sonokimyoviy sintez qilish uchun keng qoʻllaniladigan qurilmalar majmuasidir.

DME ni bevosita sintez qilish har bir bosqichdagi aylanish darajasini 19% gacha oshirish imkonini beradi, bu esa DME ishlab chiqarishga oid investitsiya va ekspluatatsiya xarajatlarining sezilarli kamayishini anglatadi. Hisob-kitoblarga koʻra, anʼanaviy ikki bosqichli aylantirish jarayoniga nisbatan bevosita sintezda DME ishlab chiqarish xarajatlari 20–30% ga kamayadi. DME ni bevosita sintez qilish yoʻlini amalga oshirish uchun yuqori samarali gibrid bifunksional katalitik tizim zarur. Kerakli katalizator metanol sintezi uchun CO / CO2 ni gidrogenlash funksiyasini hamda metanolning suvsizlanishiga yordam beradigan kislotali funksiyalarni taʼminlashi kerak. (qarang: Millán et al. 2020)

Dimetil efirni (DME) bevosita sintez qilish yuqori reaksion qobiliyatli bifunksional katalizatorlarni talab qiladi. Katalizatorlarni ultratovush yordamida sintez qilish katalitik reaksiyada ustun natijalarga erishish uchun funksionallashtirilgan kislotali seolitlar kabi yuqori samarali nanostrukturali mezogʻovak katalizatorlarni yaratish imkonini beradi.

Bifunksional katalizator ishtirokida sintez-gazdan dimetil efirni (DME) bevosita sintez qilish.
(© Millán et al. 2020)

Yuqori quvvatli ultratovush yordamida DME ga aylantirish uchun yuqori reaksion qobiliyatli katalizatorlarni sintez qilish

Dimetil efirga aylantirish katalizatorlarining reaksion qobiliyati va selektivligini ultratovush bilan ishlov berish orqali sezilarli darajada yaxshilash mumkin. Kislotali seolitlar (masalan, HZSM-5 alyumosilikat seoliti) va qoʻshimcha komponentlar bilan bezatilgan seolitlar (masalan, CuO/ZnO/Al₂O₃ bilan) DME ishlab chiqarishda muvaffaqiyatli qoʻllaniladigan asosiy katalizatorlardir.

Ultratovush yordamida birgalikda choʻktirish yuqori samarali CuO-ZnO-Al2O3/HZSM-5 nanokatalizatorlarini ishlab chiqarish imkonini beradi

Sintez-gazni ekologik toza yoqilgʻi sifatidagi dimetil efirga bevosita aylantirishda qoʻllaniladigan CuO-ZnO-Al2O3/HZSM-5 ning birgalikda choʻktirish va ultratovushni birlashtirgan gibrid sintezi.
Tadqiqot va rasm: Khoshbin and Haghighi, 2013.]

Seolitlarni xlorlash va ftorlash katalitik kislotalilikni sozlashning samarali usullaridir. Aboul-Fotouh tadqiqot guruhi olib borgan tadqiqotda xlorlangan va ftorlangan seolit katalizatorlari seolitlarni (H-ZSM-5, H-MOR yoki H-Y) ikkita galogen prekursori (ammoniy xlorid va ammoniy ftorid) yordamida shimdirish orqali tayyorlangan. Qoʻzgʻalmas qatlamli reaktorda metanolni suvsizlantirish orqali dimetil efir (DME) ishlab chiqarish uchun har ikkala galogen prekursorini optimallashtirish maqsadida ultratovush taʼsiri baholangan. DME katalizini qiyoslash sinovi ultratovush taʼsiri ostida tayyorlangan galogenlangan seolit katalizatorlari DME hosil boʻlishida yuqoriroq samaradorlik koʻrsatishini aniqlagan. (Aboul-Fotouh et al., 2016)
Boshqa bir tadqiqotda tadqiqot guruhi dimetil efir ishlab chiqarish uchun H-MOR seolit katalizatorlarida metanolni suvsizlantirishni amalga oshirish jarayonida uchraydigan ultratovush bilan ishlov berishning barcha muhim oʻzgaruvchilarini oʻrgangan. Ultratovush bilan ishlov berish tajribalarida tadqiqot guruhi quyidagi qurilmadan foydalangan: Hielscher UP50H zond turidagi ultratovush qurilmasi. Ultratovush bilan ishlov berilgan H-MOR seolitining (mordenit seolitining) skanerlovchi elektron mikroskop (SEM) tasvirlari shuni koʻrsatdiki, ultratovush bilan ishlov berish muhiti sifatida metanolning oʻzidan foydalanish zarrachalar oʻlchamlarining bir xilligi boʻyicha eng yaxshi natijalarni beradi; ishlov berilmagan katalizatorda esa yirik aglomeratlar va bir xil boʻlmagan toʻplamlar kuzatilgan. Ushbu natijalar ultratovush bilan ishlov berish elementar katakchaning ajrata olish qobiliyatiga, demak, metanolni dimetil efirga (DME) suvsizlantirishning katalitik xususiyatlariga kuchli taʼsir koʻrsatishini tasdiqlagan. NH3-TPD ultratovush taʼsiri H-MOR katalizatorining kislotaliligini va shu bilan DME hosil boʻlishidagi katalitik samaradorligini oshirganini koʻrsatadi. (Aboul-Gheit et al., 2014)

H-MOR (mordenit seoliti) katalizatoriga ultratovush bilan ishlov berish DME ga aylantirish uchun yuqori reaksion qobiliyatli nanokatalizator olish imkonini bergan.

Turli muhitlarda ultratovush bilan ishlov berilgan H-MOR ning SEM tasvirlari
Tadqiqot va rasmlar: ©Aboul-Gheit et al., 2014

Tijorat maqsadida ishlab chiqariladigan DME ning deyarli barchasi seolitlar, kremniy dioksidi–alyuminiy oksidi, alyuminiy oksidi, Al₂O₃–B₂O₃ va boshqalar kabi turli qattiq kislotali katalizatorlardan foydalanib, metanolni quyidagi reaksiya boʻyicha suvsizlantirish orqali olinadi:
2CH₃OH <—> CH₃OCH₃ +H₂O(-22,6k jmol^-1)

Koshbin and Haghighi (2013) CuO–ZnO–Al₂O₃/HZSM-5 nanokatalizatorlarini birgalikda choʻktirish–ultratovush birlashtirilgan usuli orqali tayyorlagan. Tadqiqot guruhi “ultratovush energiyasidan foydalanish CO ni gidrogenlash funksiyasining disperslanishiga va natijada DME sintezining samaradorligiga katta taʼsir koʻrsatishini aniqlagan. Ultratovush yordamida sintez qilingan nanokatalizatorning chidamliligi sintez-gazdan DME olish reaksiyasi davomida oʻrganilgan. Mis shakllarida koks hosil boʻlishi tufayli nanokatalizator reaksiya davomida faolligini arzimas darajada yoʻqotadi.” [Khoshbin and Haghighi, 2013.]

Ultratovush yordamida choʻktirilgan, DME ga aylantirishda yuqori samaradorlik koʻrsatadigan gamma-Al2O3 nanokatalizatori. DME ga aylantirishni jadallashtirishda ham juda samarali boʻlgan muqobil noseolit nanokatalizator nanooʻlchamli gʻovak γ-alyuminiy oksidi katalizatoridir. Nanooʻlchamli gʻovak γ-alyuminiy oksidi ultratovush yordamida aralashtirish sharoitida choʻktirish orqali muvaffaqiyatli sintez qilingan. Sonokimyoviy ishlov berish nanozarrachalar sintezini jadallashtiradi. (qarang: Rahmanpour et al., 2012)

Nima uchun ultratovush yordamida tayyorlangan nanokatalizatorlar ustun?

Geterogen katalizatorlarni ishlab chiqarish uchun koʻpincha qimmatbaho metallar kabi yuqori qoʻshilgan qiymatli materiallar talab qilinadi. Bu katalizatorlarni qimmatlashtiradi, shu sababli katalizatorlarning samaradorligini oshirish va xizmat muddatini uzaytirish muhim iqtisodiy omillardir. Nanokatalizatorlarni tayyorlash usullari orasida sonokimyoviy usul yuqori samarali usul sifatida qaraladi. Ultratovushning yuqori reaksion qobiliyatli sirtlarni hosil qilish, aralashtirishni yaxshilash va massa koʻchishini oshirish qobiliyati uni katalizatorlarni tayyorlash va faollashtirish uchun oʻrganishga ayniqsa istiqbolli usulga aylantiradi. U qimmat asboblar va ekstremal sharoitlarga ehtiyoj boʻlmagan holda bir xil va disperslangan nanozarrachalar hosil qilishi mumkin.
Bir qancha tadqiqotlarda olimlar katalizatorlarni ultratovush yordamida tayyorlash bir xil nanokatalizatorlarni ishlab chiqarishning eng afzallikli usuli degan xulosaga kelgan. Nanokatalizatorlarni tayyorlash usullari orasida sonokimyoviy usul yuqori samarali usul sifatida qaraladi. Intensiv ultratovush bilan ishlov berishning yuqori reaksion qobiliyatli sirtlarni hosil qilish, aralashtirishni yaxshilash va massa koʻchishini oshirish qobiliyati uni katalizatorlarni tayyorlash va faollashtirish uchun oʻrganishga ayniqsa istiqbolli usulga aylantiradi. U qimmat asboblar va ekstremal sharoitlarga ehtiyoj boʻlmagan holda bir xil va disperslangan nanozarrachalar hosil qilishi mumkin. (qarang: Koshbin and Haghighi, 2014)

Katalizatorlarni ultratovush yordamida tayyorlash natijasida dimetil efirga (DME) aylantirish uchun ustun mezogʻovak nanokatalizatorlar olinadi

Sonokimyoviy sintez natijasida yuqori faol, nanostrukturali CuO–ZnO–Al2O3/HZSM-5 katalizatori hosil boʻladi.
Tadqiqot va rasm: Khoshbin and Haghighi, 2013.

UIP1000hdT kabi yuqori quvvatli ultratovush qurilmalari yuqori gʻovakli metallar va mezogʻovak nanokatalizatorlarni nanostrukturalash uchun qoʻllaniladi. (Kattalashtirish uchun bosing!)

Akustik kavitatsiyaning metall zarrachalarini oʻzgartirishga taʼsirining sxematik tasviri. Rux (Zn) kabi erish harorati (MP) past metallar toʻliq oksidlanadi; nikel (Ni) va titan (Ti) kabi erish harorati yuqori metallarning sirti ultratovush bilan ishlov berish taʼsirida oʻzgaradi. Alyuminiy (Al) va magniy (Mg) mezogʻovak tuzilmalar hosil qiladi. Asil metallar oksidlanishga nisbatan barqarorligi tufayli ultratovush taʼsiriga chidamlidir. Metallarning erish haroratlari Kelvin darajalarida (K) koʻrsatilgan.

Mezogʻovak katalizatorlar sintezi uchun yuqori samaradorlikdagi ultratovush qurilmalari

Yuqori samarali nanokatalizatorlarni sintez qilish uchun sonokimyoviy uskunalar istalgan oʻlchamda – ixcham laboratoriya ultratovush qurilmalaridan tortib toʻliq sanoat ultratovush reaktorlarigacha – tayyor holda mavjud. Hielscher Ultrasonics yuqori quvvatli ultratovush qurilmalarini loyihalaydi, ishlab chiqaradi va tarqatadi. Barcha ultratovush tizimlari Germaniyaning Teltow shahridagi bosh qarorgohda ishlab chiqariladi va u yerdan butun dunyoga tarqatiladi.
Hielscher ultratovush qurilmalarining ilgʻor apparat taʼminoti va aqlli dasturiy taʼminoti ishonchli ishlash, takrorlanuvchan natijalar hamda foydalanish qulayligini kafolatlash uchun ishlab chiqilgan. Hielscher ultratovush qurilmalari mustahkam va ishonchli boʻlib, bu ularni ogʻir ish sharoitlarida oʻrnatish va ishlatish imkonini beradi. Ish sozlamalariga raqamli rangli sensorli displey va brauzer orqali masofadan boshqarish yordamida ochiladigan tushunarli menyu orqali oson kirish va ularni sozlash mumkin. Shu sababli sof energiya, umumiy energiya, amplituda, vaqt, bosim va harorat kabi barcha ishlov berish sharoitlari oʻrnatilgan SD-kartaga avtomatik ravishda yozib boriladi. Bu avvalgi ultratovush bilan ishlov berish jarayonlarini koʻrib chiqish va taqqoslash hamda nanokatalizatorlar sintezi va funksionallashtirilishini eng yuqori samaradorlikka erishish uchun optimallashtirish imkonini beradi.
Hielscher Ultrasonics tizimlari sonokimyoviy sintez jarayonlari uchun butun dunyoda qoʻllaniladi va yuqori sifatli seolit nanokatalizatorlari hamda seolit hosilalari sintezida ishonchliligi tasdiqlangan. Hielscher sanoat ultratovush qurilmalari uzluksiz ishlash rejimida (24/7/365) yuqori amplitudalarda bemalol ishlay oladi. Standart sonotrodlar (ultratovush zondlari / shoxlari) bilan 200µm gacha boʻlgan amplitudalarni uzluksiz ravishda oson hosil qilish mumkin. Yanada yuqori amplitudalar uchun maxsus buyurtma asosida tayyorlangan ultratovush sonotrodlari mavjud. Mustahkamligi va kam texnik xizmat talab qilishi tufayli ultratovush qurilmalarimiz koʻpincha ogʻir ish sharoitlaridagi qoʻllanishlar va murakkab muhitlar uchun oʻrnatiladi.
Sonokimyoviy sintez, funksionallashtirish, nanostrukturalash va deaglomeratsiya uchun Hielscher ultratovush protsessorlari allaqachon butun dunyoda tijorat miqyosida oʻrnatilgan. Nanokatalizator ishlab chiqarish jarayoningizni muhokama qilish uchun hoziroq biz bilan bogʻlaning! Katta tajribaga ega xodimlarimiz sonokimyoviy sintez yoʻli, ultratovush tizimlari va narxlar haqida batafsil maʼlumotni mamnuniyat bilan taqdim etadi!
Ultratovush yordamida sintez qilish usulining afzalligi tufayli mezogʻovak nanokatalizator ishlab chiqarishingiz boshqa katalizator sintezi jarayonlariga nisbatan samaradorlik, soddalik va arzonlik boʻyicha ustun boʻladi!

Quyidagi jadval ultratovush qurilmalarimizning taxminiy ishlov berish unumdorligi haqida maʼlumot beradi:

Partiya hajmi	Hajmiy oqim tezligi	Tavsiya etiladigan qurilmalar
1 dan 500mL gacha	10 dan 200mL/min gacha	UP100H
10 dan 2000mL gacha	20 dan 400mL/min gacha	UP200Ht, UP400St
0,1 dan 20L gacha	0,2 dan 4L/min gacha	UIP2000hdT
10 dan 100L gacha	2 dan 10L/min gacha	UIP4000hdT
n.a.	10 dan 100L/min gacha	UIP16000
n.a.	yuqoriroq	quyidagi qurilmalardan iborat klaster: UIP16000

Biz bilan bogʻlaning! / Bizdan soʻrang!

Metallar va seolitlarni ultratovush yordamida nanostrukturalash yuqori samarali katalizatorlarni ishlab chiqarishning juda samarali usulidir.

Bayreuth universitetidan Dr. Andreeva-Bäumler UIP1000hdT ultratovush qurilmasi yordamida ustun katalizatorlar olish maqsadida metallarni nanostrukturalash ustida ishlamoqda.

Yuqori siljish kuchlarini hosil qiladigan ultratovushli gomogenizatorlar laboratoriya, stol usti, tajriba va sanoat miqyosida ishlov berishda qoʻllaniladi.

Hielscher Ultrasonics laboratoriya, tajriba va sanoat miqyosida aralashtirish, disperslash, emulsiyalash va ekstraksiya uchun yuqori samaradorlikdagi ultratovushli gomogenizatorlarni ishlab chiqaradi.

Tegishli mavzular

Adabiyotlar / Manbalar

Ahmed, K.; Sameh, M.; Laila, I.; Naghmash, Mona (2014): Ultrasonication of H-MOR zeolite catalysts for dimethylether (DME) production as a clean fuel. Journal of Petroleum Technology and Alternative Fuels 5, 2014. 13-25.
Reza Khoshbin, Mohammad Haghighi (2013): Direct syngas to DME as a clean fuel: The beneficial use of ultrasound for the preparation of CuO–ZnO–Al2O3/HZSM-5 nanocatalyst. Chemical Engineering Research and Design, Volume 91, Issue 6, 2013. 1111-1122.
Kolesnikova, E.E., Obukhova, T.K., Kolesnichenko, N.V. et al. (2018): Ultrasound-Assisted Modification of Zeolite Catalyst for Dimethyl Ether Conversion to Olefins with Magnesium Compounds. Pet. Chem. 58, 2018. 863–868.
Reza Khoshbin, Mohammad Haghighi (2014): Direct Conversion of Syngas to Dimethyl Ether as a Green Fuel over Ultrasound- Assisted Synthesized CuO-ZnO-Al2O3/HZSM-5 Nanocatalyst: Effect of Active Phase Ratio on Physicochemical and Catalytic Properties at Different Process Conditions. Catalysis Science & Technology, Volume 6, 2014.
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2014/cy/c3cy01089a
Sameh M.K. Aboul-Fotouh, Laila I. Ali, Mona A. Naghmash, Noha A.K. Aboul-Gheit (2017): Effect of the Si/Al ratio of HZSM-5 zeolite on the production of dimethyl ether before and after ultrasonication. Journal of Fuel Chemistry and Technology, Volume 45, Issue 5, 2017. 581-588.
Rahmanpour, Omid; Shariati, Ahmad; Khosravi-Nikou, Mohammad Reza (2012): New Method for Synthesis Nano Size γ-Al2O3 Catalyst for Dehydration of Methanol to Dimethyl Ether. International Journal of Chemical Engineering and Applications 2012. 125-128.
Millán, Elena; Mota, Noelia; Guil-Lopez, R.; Pawelec, Barbara; Fierro, José; Navarro, Rufino (2020): Direct Synthesis of Dimethyl Ether from Syngas on Bifunctional Hybrid Catalysts Based on Supported H3PW12O40 and Cu-ZnO(Al): Effect of Heteropolyacid Loading on Hybrid Structure and Catalytic Activity. Catalysts 10, 2020.
Suslick, Kenneth S.; Hyeon, Taeghwan; Fang, Mingming; Cichowlas, Andrzej A. (1995): Sonochemical synthesis of nanostructured catalysts. Materials Science and Engineering: A. Proceedings of the Symposium on Engineering of Nanostructured Materials. ScienceDirect 204 (1–2): 186–192.
Pavel V. Cherepanov, Daria V. Andreeva (2017): Phase structuring in metal alloys: Ultrasound-assisted top-down approach to engineering of nanostructured catalytic materials. Ultrasonics Sonochemistry 2017.
Sameh M.K. Aboul-Fotouh, Noha A.K. Aboul-Gheit, Mona A. Naghmash (2016): Dimethylether production on zeolite catalysts activated by Cl−, F− and/or ultrasonication. Journal of Fuel Chemistry and Technology, Volume 44, Issue 4, 2016. 428-436.

Bilishga arziydigan maʼlumotlar

Dimetil efir (DME) yoqilgʻi sifatida

Dimetil efirning koʻzda tutilgan asosiy qoʻllanishlaridan biri transport vositalari, uy xoʻjaliklari va sanoatda yoqilgʻi sifatida ishlatiladigan LPG (suyuq propan gazi) tarkibidagi propanning oʻrnini bosuvchi modda sifatida foydalanishdir. Propanli avtomobil gazida dimetil efirdan aralashma komponenti sifatida ham foydalanish mumkin.
Bundan tashqari, DME dizel dvigatellari va gaz turbinalari uchun ham istiqbolli yoqilgʻidir. Dizel dvigatellari uchun uning yuqori setan soni – 55 – neftdan olingan dizel yoqilgʻisining 40–53 setan sonlariga nisbatan juda katta afzallik beradi. Dizel dvigatelida dimetil efirni yoqish imkonini yaratish uchun faqat oʻrtacha darajadagi oʻzgartirishlar zarur. Uglerod zanjiri qisqa boʻlgan ushbu birikmaning soddaligi yonish paytida qattiq zarrachalar chiqindilarining juda kam boʻlishiga olib keladi. Shu sabablarga koʻra, shuningdek, tarkibida oltingugurt boʻlmagani tufayli dimetil efir Yevropa (EURO5), AQSh (U.S. 2010) va Yaponiyadagi (2009 Japan) hatto eng qatʼiy chiqindi meʼyorlariga ham javob beradi.

Yuqori samaradorlikdagi ultratovush texnologiyasi! Hielscher mahsulotlari assortimenti ixcham laboratoriya ultratovush qurilmasidan stol usti qurilmalari orqali toʻliq sanoat ultratovush tizimlarigacha boʻlgan barcha turlarni qamrab oladi.

Hielscher Ultrasonics yuqori samaradorlikdagi ultratovushli gomogenizatorlarni laboratoriya oʻlchamidan sanoat oʻlchamigacha ishlab chiqaradi.