Điều chế chất xúc tác bằng siêu âm cho quá trình chuyển hóa thành dimethyl ether (DME)

Dimethyl ether (DME) là một nhiên liệu thay thế có nhiều ưu điểm, có thể được tổng hợp từ methanol, CO₂ hoặc khí tổng hợp thông qua xúc tác. Quá trình chuyển hóa xúc tác thành DME đòi hỏi các chất xúc tác mạnh. Các chất xúc tác mao quản trung bình có kích thước nano như zeolit axit có mao quản trung bình, zeolit được gắn thêm các thành phần trên bề mặt hoặc các chất xúc tác kim loại có kích thước nano như nhôm hoặc đồng có thể cải thiện đáng kể quá trình chuyển hóa thành DME. Siêu âm cường độ cao là kỹ thuật ưu việt để điều chế các chất xúc tác nano có hoạt tính phản ứng cao. Hãy tìm hiểu thêm về cách sử dụng siêu âm để sản xuất các chất xúc tác vi mao quản và mao quản trung bình có hoạt tính phản ứng và độ chọn lọc vượt trội!

Chất xúc tác lưỡng chức năng cho quá trình chuyển hóa trực tiếp thành DME

Sản xuất dimethyl ether (DME) là một quy trình công nghiệp đã được thiết lập vững chắc, gồm hai bước: thứ nhất là hydro hóa xúc tác khí tổng hợp thành methanol (CO / CO₂ + 3H₂ → CH₃OH + H₂HO) và thứ hai là bước khử nước xúc tác tiếp theo của methanol trên các chất xúc tác axit để tạo ra (2CH₃OH → CH₃OCH₃ + H₂O). Hạn chế chính của quá trình tổng hợp DME hai bước này liên quan đến đặc tính nhiệt động học thấp trong giai đoạn tổng hợp methanol, dẫn đến độ chuyển hóa khí thấp sau mỗi lượt đi qua thiết bị phản ứng (15–25%). Do đó, tỷ lệ tuần hoàn cũng như chi phí đầu tư và vận hành đều cao.
Để khắc phục hạn chế nhiệt động học này, tổng hợp DME trực tiếp có nhiều ưu điểm hơn đáng kể: Trong quá trình chuyển hóa trực tiếp thành DME, bước tổng hợp methanol được kết hợp với bước khử nước trong cùng một thiết bị phản ứng
(2CO / CO₂ + 6H₂ → CH₃OCH₃ + 3H₂O).

Tổng hợp DME trực tiếp cho phép tăng độ chuyển hóa ở mỗi bước lên đến 19%, đồng nghĩa với việc giảm đáng kể chi phí đầu tư và chi phí vận hành sản xuất DME. Theo các ước tính, chi phí sản xuất DME bằng phương pháp tổng hợp trực tiếp giảm 20–30% so với quy trình chuyển hóa hai bước thông thường. Để thực hiện lộ trình tổng hợp DME trực tiếp, cần có một hệ xúc tác lai lưỡng chức năng hiệu quả cao. Chất xúc tác cần có chức năng hydro hóa CO / CO2 để tổng hợp methanol và các chức năng axit hỗ trợ quá trình khử nước methanol. (tham khảo Millán và cộng sự 2020)

Tổng hợp các chất xúc tác có hoạt tính phản ứng cao cho quá trình chuyển hóa thành DME bằng siêu âm công suất cao

Hoạt tính phản ứng và độ chọn lọc của các chất xúc tác cho quá trình chuyển hóa thành dimethyl ether có thể được cải thiện đáng kể thông qua xử lý siêu âm. Các zeolit như zeolit axit (ví dụ: zeolit aluminosilicat HZSM-5) và zeolit được gắn thêm các thành phần trên bề mặt (ví dụ: CuO/ZnO/Al₂O₃) là những chất xúc tác chính được sử dụng thành công để sản xuất DME.

Clo hóa và flo hóa zeolit là những phương pháp hiệu quả để điều chỉnh độ axit xúc tác. Trong nghiên cứu của nhóm nghiên cứu Aboul-Fotouh, các chất xúc tác zeolit clo hóa và flo hóa được điều chế bằng cách tẩm zeolit (H-ZSM-5, H-MOR hoặc H-Y) với hai tiền chất halogen (amoni clorua và amoni florua). Ảnh hưởng của chiếu xạ siêu âm được đánh giá nhằm tối ưu hóa cả hai tiền chất halogen cho quá trình sản xuất dimetyl ete (DME) thông qua phản ứng tách nước metanol trong thiết bị phản ứng tầng cố định. Thử nghiệm so sánh xúc tác DME cho thấy các chất xúc tác zeolit halogen hóa được điều chế dưới tác dụng của chiếu xạ siêu âm có hiệu quả tạo thành DME cao hơn. (Aboul-Fotouh và cộng sự, 2016)
Trong một nghiên cứu khác, nhóm nghiên cứu đã khảo sát tất cả các biến số quan trọng của quá trình xử lý siêu âm gặp phải khi thực hiện phản ứng tách nước metanol trên các chất xúc tác zeolit H-MOR để sản xuất dimetyl ete. Trong các thí nghiệm xử lý siêu âm, nhóm nghiên cứu đã sử dụng thiết bị siêu âm dạng đầu dò Hielscher UP50H. Ảnh chụp bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM) của zeolit H-MOR (zeolit mordenit) đã qua xử lý siêu âm cho thấy việc chỉ sử dụng metanol làm môi trường xử lý siêu âm mang lại kết quả tốt nhất về độ đồng đều của kích thước hạt so với chất xúc tác chưa qua xử lý, vốn xuất hiện các khối kết tụ lớn và các cụm không đồng nhất. Những phát hiện này xác nhận rằng xử lý siêu âm có ảnh hưởng sâu sắc đến độ phân giải của ô mạng cơ sở và do đó đến đặc tính xúc tác của phản ứng tách nước metanol thành dimetyl ete (DME). NH3-TPD cho thấy chiếu xạ siêu âm đã làm tăng độ axit của chất xúc tác H-MOR và do đó nâng cao hiệu quả xúc tác của nó đối với sự tạo thành DME. (Aboul-Gheit và cộng sự, 2014)

Gần như toàn bộ DME thương mại được sản xuất bằng phản ứng tách nước metanol sử dụng các chất xúc tác axit rắn khác nhau như zeolit, silica–alumina, alumina, Al₂O₃–B₂O₃, v.v. theo phản ứng sau:
2CH₃OH <—> CH₃OCH₃ +H₂O(-22,6k jmol^-1)

Koshbin và Haghighi (2013) đã điều chế các chất xúc tác nano CuO–ZnO–Al₂O₃/HZSM-5 bằng phương pháp kết hợp đồng kết tủa–siêu âm. Nhóm nghiên cứu nhận thấy “việc sử dụng năng lượng siêu âm có ảnh hưởng lớn đến sự phân tán của chức năng hydro hóa CO và do đó đến hiệu quả tổng hợp DME. Độ bền của chất xúc tác nano được tổng hợp với sự hỗ trợ của siêu âm đã được khảo sát trong phản ứng chuyển hóa khí tổng hợp thành DME. Chất xúc tác nano chỉ mất hoạt tính ở mức không đáng kể trong suốt quá trình phản ứng do sự hình thành cốc trên các dạng đồng.” [Khoshbin and Haghighi, 2013.]

Một chất xúc tác nano thay thế không thuộc loại zeolit, cũng rất hiệu quả trong việc thúc đẩy quá trình chuyển hóa DME, là chất xúc tác γ-alumina xốp có kích thước nano. γ-alumina xốp có kích thước nano đã được tổng hợp thành công bằng phương pháp kết tủa dưới tác dụng khuấy trộn bằng siêu âm. Xử lý hóa siêu âm thúc đẩy quá trình tổng hợp các hạt nano. (xem Rahmanpour và cộng sự, 2012)

Vì sao các chất xúc tác nano được điều chế bằng siêu âm lại vượt trội?

Việc sản xuất chất xúc tác dị thể thường đòi hỏi các vật liệu có giá trị gia tăng cao như kim loại quý. Điều này khiến chất xúc tác trở nên đắt đỏ, do đó, việc nâng cao hiệu suất cũng như kéo dài vòng đời của chất xúc tác là những yếu tố kinh tế quan trọng. Trong số các phương pháp điều chế chất xúc tác nano, kỹ thuật hóa siêu âm được xem là một phương pháp có hiệu suất cao. Khả năng của siêu âm trong việc tạo ra các bề mặt có khả năng phản ứng cao, cải thiện quá trình trộn và tăng cường truyền khối khiến kỹ thuật này đặc biệt hứa hẹn để nghiên cứu ứng dụng vào việc điều chế và hoạt hóa chất xúc tác. Kỹ thuật này có thể tạo ra các hạt nano đồng nhất và phân tán mà không cần thiết bị đắt tiền hay điều kiện khắc nghiệt.
Trong một số nghiên cứu, các nhà khoa học đi đến kết luận rằng điều chế chất xúc tác bằng siêu âm là phương pháp có nhiều ưu điểm nhất để sản xuất chất xúc tác nano đồng nhất. Trong số các phương pháp điều chế chất xúc tác nano, kỹ thuật hóa siêu âm được xem là một phương pháp có hiệu suất cao. Khả năng của quá trình xử lý siêu âm cường độ cao trong việc tạo ra các bề mặt có khả năng phản ứng cao, cải thiện quá trình trộn và tăng cường truyền khối khiến kỹ thuật này đặc biệt hứa hẹn để nghiên cứu ứng dụng vào việc điều chế và hoạt hóa chất xúc tác. Kỹ thuật này có thể tạo ra các hạt nano đồng nhất và phân tán mà không cần thiết bị đắt tiền hay điều kiện khắc nghiệt. (tham khảo Koshbin và Haghighi, 2014)

Thiết bị siêu âm hiệu suất cao để tổng hợp chất xúc tác mao quản trung bình

Thiết bị hóa siêu âm để tổng hợp chất xúc tác nano hiệu suất cao có sẵn ở mọi quy mô – từ thiết bị siêu âm nhỏ gọn dùng trong phòng thí nghiệm đến lò phản ứng siêu âm hoàn toàn ở quy mô công nghiệp. Hielscher Ultrasonics thiết kế, sản xuất và phân phối các thiết bị siêu âm công suất cao. Tất cả các hệ thống siêu âm đều được sản xuất tại trụ sở chính ở Teltow, Đức và từ đó được phân phối trên toàn thế giới.
Phần cứng tinh vi và phần mềm thông minh của các thiết bị siêu âm Hielscher được thiết kế để bảo đảm hoạt động đáng tin cậy, kết quả có thể tái lập và tính dễ sử dụng. Các thiết bị siêu âm Hielscher bền chắc và đáng tin cậy, cho phép lắp đặt và vận hành trong điều kiện làm việc khắc nghiệt. Có thể dễ dàng truy cập và điều chỉnh các thông số vận hành thông qua menu trực quan trên màn hình cảm ứng màu kỹ thuật số và giao diện điều khiển từ xa qua trình duyệt. Do đó, tất cả các điều kiện xử lý như năng lượng thuần, tổng năng lượng, biên độ, thời gian, áp suất và nhiệt độ đều được tự động ghi lại trên thẻ SD tích hợp. Điều này cho phép bạn xem lại và so sánh các lần xử lý siêu âm trước đó, đồng thời tối ưu hóa quá trình tổng hợp và chức năng hóa chất xúc tác nano để đạt hiệu quả cao nhất.
Các hệ thống Hielscher Ultrasonics được sử dụng trên toàn thế giới cho các quá trình tổng hợp hóa siêu âm và đã được chứng minh là đáng tin cậy trong việc tổng hợp chất xúc tác nano zeolit chất lượng cao cũng như các dẫn xuất zeolit. Các thiết bị siêu âm công nghiệp Hielscher có thể dễ dàng vận hành ở biên độ cao trong chế độ hoạt động liên tục (24/7/365). Với các đầu phát siêu âm tiêu chuẩn (đầu dò / còi siêu âm), có thể dễ dàng tạo liên tục biên độ lên đến 200µm. Đối với biên độ cao hơn nữa, có các đầu phát siêu âm được chế tạo theo yêu cầu. Nhờ độ bền chắc và nhu cầu bảo trì thấp, các thiết bị siêu âm của chúng tôi thường được lắp đặt cho các ứng dụng có cường độ làm việc cao và trong các môi trường khắc nghiệt.
Các thiết bị xử lý siêu âm Hielscher dành cho tổng hợp hóa siêu âm, chức năng hóa, tạo cấu trúc nano và phá kết tụ đã được lắp đặt trên toàn thế giới ở quy mô thương mại. Hãy liên hệ ngay với chúng tôi để trao đổi về quy trình sản xuất chất xúc tác nano của bạn! Đội ngũ giàu kinh nghiệm của chúng tôi sẵn lòng chia sẻ thêm thông tin về phương pháp tổng hợp hóa siêu âm, các hệ thống siêu âm và giá cả!
Với ưu thế của phương pháp tổng hợp bằng siêu âm, hoạt động sản xuất chất xúc tác nano mao quản trung bình của bạn sẽ vượt trội về hiệu quả, tính đơn giản và chi phí thấp so với các quy trình tổng hợp chất xúc tác khác!

Bảng dưới đây cho biết năng lực xử lý gần đúng của các thiết bị siêu âm của chúng tôi: