Chuẩn bị siêu âm chất xúc tác cho chuyển đổi Dimethyl Ether (DME)

Dimethyl ether (DME) là một nhiên liệu thay thế thuận lợi, có thể được tổng hợp từ methanol, CO₂ hoặc syngas thông qua xúc tác. Đối với việc chuyển đổi xúc tác sang DME, các chất xúc tác mạnh là bắt buộc. Các chất xúc tác mesoporous có kích thước nano như zeolites axit mesoporous, zeolites trang trí hoặc chất xúc tác kim loại có kích thước nano như nhôm hoặc đồng có thể cải thiện chuyển đổi DME đáng kể. Siêu âm cường độ cao là kỹ thuật vượt trội để chuẩn bị các chất xúc tác nano phản ứng cao. Tìm hiểu thêm về cách sử dụng ultrasonication để sản xuất các chất xúc tác vi mô và mesoporous với phản ứng tuyệt vời và chọn lọc!

Chất xúc tác hai chức năng để chuyển đổi DME trực tiếp

Việc sản xuất dimethyl ether (DME) là một quá trình công nghiệp được thiết lập tốt được chia thành hai bước: đầu tiên, hydro hóa xúc tác của syngas thành methanol (CO / CO₂ + 3H₂ → CH₃OH + H₂HO) và thứ hai, một mất nước xúc tác tiếp theo của methanol trên các chất xúc tác axit để sản xuất (2CH₃OH → CH₃OCH₃ + H₂O). Hạn chế chính của quá trình tổng hợp DME hai bước này có liên quan đến nhiệt động lực học thấp trong giai đoạn tổng hợp methanol, dẫn đến chuyển đổi khí thấp trên mỗi lần vượt qua (15-25%). Qua đó, tỷ lệ tuần hoàn cao cũng như vốn cao và chi phí vận hành đang diễn ra.
Để khắc phục giới hạn nhiệt động lực học này, tổng hợp DME trực tiếp thuận lợi hơn đáng kể: Trong quá trình chuyển đổi DME trực tiếp, bước tổng hợp methanol được kết hợp với bước mất nước trong một lò phản ứng duy nhất
(2CO / CO₂ + 6H₂ → CH₃OCH₃ + 3H₂O).

Tổng hợp trực tiếp DME cho phép tăng mức độ chuyển đổi mỗi bước, lên tới 19%, có nghĩa là giảm chi phí đáng kể liên quan đến chi phí đầu tư và sản xuất hoạt động của DME. Dựa trên ước tính, chi phí sản xuất DME trong tổng hợp trực tiếp giảm 20-30% so với quy trình chuyển đổi hai bước thông thường. Để vận hành con đường tổng hợp DME trực tiếp, một hệ thống xúc tác hai chức năng lai hiệu quả cao là cần thiết. Chất xúc tác cần thiết phải cung cấp chức năng hydro hóa CO / CO2 cho quá trình tổng hợp methanol và các chức năng axit, hỗ trợ quá trình mất nước của methanol. (xem Millán và cộng sự 2020)

Tổng hợp các chất xúc tác phản ứng cao để chuyển đổi DME bằng cách sử dụng siêu âm điện

Các phản ứng và chọn lọc của chất xúc tác cho dimethyl ether chuyển đổi có thể được cải thiện đáng kể thông qua điều trị bằng siêu âm. Zeoit như zeolites axit (ví dụ: zeolite aluminosilicate HZSM-5) và zeolites được trang trí (ví dụ: với CuO / ZnO / Al₂các₃) là chất xúc tác chính được sử dụng thành công cho sản xuất DME.

Clo hóa và fluorination zeolites là những phương pháp hiệu quả để điều chỉnh độ axit xúc tác. Các chất xúc tác zeolite clo hóa và flo hóa được điều chế bằng cách ngâm tẩm zeolit (H-ZSM-5, H-MOR hoặc H-Y) sử dụng hai tiền chất halogen (amoni clorua và amoni florua) trong nghiên cứu của nhóm nghiên cứu Aboul-Fotouh. Ảnh hưởng của chiếu xạ siêu âm đã được đánh giá để tối ưu hóa cả hai tiền chất halogen để sản xuất dimethylether (DME) thông qua mất nước methanol trong lò phản ứng giường cố định. Thử nghiệm xúc tác DME so sánh tiết lộ rằng các chất xúc tác zeolite halogen hóa được chuẩn bị dưới chiếu xạ siêu âm cho thấy hiệu suất cao hơn cho sự hình thành DME. (Aboul-Fotouh và cộng sự, 2016)
Trong một nghiên cứu khác, nhóm nghiên cứu đã điều tra tất cả các biến ultrasonication quan trọng gặp phải trong quá trình thực hiện mất nước methanol trên chất xúc tác zeolite H-MOR để sản xuất dimethylether. Đối với eperiments Sonication của họ, nhóm nghiên cứu đã sử dụng Ultrasonicator loại đầu dò Hielscher UP50H. Hình ảnh kính hiển vi điện tử quét (SEM) của zeolite H-MOR sonicated (Mordenite zeolite) đã làm rõ rằng methanol tự nó được sử dụng như một môi trường ultrasonication cho kết quả tốt nhất liên quan đến sự đồng nhất của kích thước hạt so với chất xúc tác không được xử lý, nơi agglomerates lớn và các cụm không đồng nhất xuất hiện. Những phát hiện này đã chứng nhận rằng ultrasonication có ảnh hưởng sâu sắc đến độ phân giải tế bào đơn vị và do đó về hành vi xúc tác của việc mất nước methanol để dimethyl ether (DME). NH3-TPD cho thấy chiếu xạ siêu âm đã tăng cường độ axit của chất xúc tác H-MOR và do đó nó là hiệu suất xúc tác cho sự hình thành DME. (Aboul-Gheit và cộng sự, 2014)

Hầu như tất cả các DME thương mại được sản xuất bởi sự mất nước của methanol bằng cách sử dụng các chất xúc tác axit rắn khác nhau như zeolites, sillica-alumina, alumina, Al₂các₃–B₂các₃, v.v. bằng phản ứng sau:
2CH₃Ồ <—> Ch₃OCH₃ +H₂O(-22,6k jmol^-1)

Koshbin và Haghighi (2013) chuẩn bị CuO-ZnO-Al₂các₃/ HZSM-5 nanocatalysts thông qua một phương pháp kết hợp đồng-mưa-siêu âm. Nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng việc sử dụng năng lượng siêu âm có ảnh hưởng lớn đến sự phân tán của chức năng hydro hóa CO và do đó hiệu suất tổng hợp DME. Độ bền của siêu âm hỗ trợ nanocatalyst tổng hợp đã được điều tra trong syngas để phản ứng DME. Nanocatalyst mất hoạt động không đáng kể trong quá trình phản ứng do sự hình thành than cốc trên các loài đồng." [Khoshbin và Haghighi, 2013.]

Một chất xúc tác nano không zeolite thay thế, cũng rất hiệu quả trong việc thúc đẩy chuyển đổi DME, là một chất xúc tác xốp γ-alumina kích thước nano. Kích thước nano xốp γ-alumina đã được tổng hợp thành công bằng cách kết tủa dưới trộn siêu âm. Điều trị sonochemical thúc đẩy tổng hợp các hạt nano. (xem Rahmanpour và cộng sự, 2012)

Tại sao ultrasonically chuẩn bị nano-chất xúc tác vượt trội?

Để sản xuất các chất xúc tác không đồng nhất thường cần có các vật liệu có giá trị gia tăng cao như kim loại quý. Điều này làm cho chất xúc tác đắt tiền và do đó, tăng cường hiệu quả cũng như mở rộng vòng đời của các chất xúc tác là những yếu tố kinh tế quan trọng. Trong số các phương pháp chuẩn bị của nanocatalysts, kỹ thuật sonochemical được coi là một phương pháp hiệu quả cao. Khả năng siêu âm để tạo ra các bề mặt phản ứng cao, để cải thiện trộn và tăng vận chuyển khối lượng làm cho nó trở thành một kỹ thuật đặc biệt hứa hẹn để khám phá để chuẩn bị và kích hoạt chất xúc tác. Nó có thể sản xuất các hạt nano đồng nhất và phân tán mà không cần dụng cụ đắt tiền và điều kiện khắc nghiệt.
Trong một số nghiên cứu, các nhà khoa học đi đến kết luận rằng chuẩn bị chất xúc tác siêu âm là phương pháp thuận lợi nhất để sản xuất các chất xúc tác nano đồng nhất. Trong số các phương pháp chuẩn bị của nanocatalysts, kỹ thuật sonochemical được coi là một phương pháp hiệu quả cao. Khả năng sonication dữ dội để tạo ra các bề mặt phản ứng cao, để cải thiện trộn và tăng vận chuyển khối lượng làm cho nó một kỹ thuật đặc biệt hứa hẹn để khám phá để chuẩn bị và kích hoạt chất xúc tác. Nó có thể sản xuất các hạt nano đồng nhất và phân tán mà không cần dụng cụ đắt tiền và điều kiện khắc nghiệt. (xem. Koshbin và Haghighi, 2014)

Ultrasonicators hiệu suất cao để tổng hợp các chất xúc tác mesoporous

Thiết bị sonochemical để tổng hợp các chất xúc tác nano hiệu suất cao có sẵn ở mọi kích thước – từ ultrasonicators phòng thí nghiệm nhỏ gọn đến lò phản ứng siêu âm công nghiệp đầy đủ. Hielscher Ultrasonics thiết kế, sản xuất, và phân phối ultrasonicators công suất cao. Tất cả các hệ thống siêu âm được thực hiện tại trụ sở chính ở Teltow, Đức và phân phối từ đó trên toàn thế giới.
Phần cứng tinh vi và phần mềm thông minh của Ultrasonicators Hielscher được thiết kế để đảm bảo hoạt động đáng tin cậy, kết quả tái sản xuất cũng như thân thiện với người dùng. Ultrasonicators Hielscher là mạnh mẽ và đáng tin cậy, cho phép được cài đặt và hoạt động trong điều kiện nhiệm vụ nặng nề. Cài đặt hoạt động có thể dễ dàng truy cập và quay số thông qua menu trực quan, có thể được truy cập thông qua màn hình cảm ứng màu kỹ thuật số và điều khiển từ xa của trình duyệt. Do đó, tất cả các điều kiện xử lý như năng lượng ròng, tổng năng lượng, biên độ, thời gian, áp suất và nhiệt độ được tự động ghi lại trên thẻ SD tích hợp. Điều này cho phép bạn sửa đổi và so sánh các lần chạy sonication trước đó và tối ưu hóa quá trình tổng hợp và functionalization của các chất xúc tác nano để đạt hiệu quả cao nhất.
Hệ thống Ultrasonics Hielscher được sử dụng trên toàn thế giới cho các quá trình tổng hợp sonochemical và được chứng minh là đáng tin cậy để tổng hợp các chất xúc tác nano zeolite chất lượng cao cũng như các dẫn xuất zeolite. Ultrasonicators công nghiệp Hielscher có thể dễ dàng chạy biên độ cao trong hoạt động liên tục (24/7/365). Biên độ lên đến 200μm có thể dễ dàng được tạo ra liên tục với sonotrodes tiêu chuẩn (đầu dò siêu âm / sừng). Đối với biên độ thậm chí cao hơn, sonotrodes siêu âm tùy chỉnh có sẵn. Do sự mạnh mẽ và bảo trì thấp của họ, ultrasonicators của chúng tôi thường được cài đặt cho các ứng dụng nhiệm vụ nặng nề và trong môi trường đòi hỏi khắt khe.
Bộ vi xử lý siêu âm Hielscher cho tổng hợp sonochemical, functionalization, cấu trúc nano và deagglomeration đã được cài đặt trên toàn thế giới trên quy mô thương mại. Liên hệ với chúng tôi ngay bây giờ để thảo luận về quy trình sản xuất chất xúc tác nano của bạn! Đội ngũ nhân viên giàu kinh nghiệm của chúng tôi sẽ rất vui khi chia sẻ thêm thông tin về con đường tổng hợp sonochemical, hệ thống siêu âm và giá cả!
Với ưu điểm của phương pháp tổng hợp siêu âm, sản xuất chất xúc tác nano mesoporous của bạn sẽ vượt trội về hiệu quả, đơn giản và chi phí thấp khi so sánh với các quá trình tổng hợp chất xúc tác khác!

Bảng dưới đây cho bạn một dấu hiệu về khả năng xử lý gần đúng của máy siêu âm: