Chuẩn bị siêu âm các 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 metanol, CO₂ hoặc khí tổng hợp thông qua xúc tác. Để chuyển đổi xúc tác thành DME, cần có chất xúc tác mạnh. Các chất xúc tác mesoporous có kích thước nano như zeolit axit mesoporous, zeolit trang trí hoặc chất xúc tác kim loại có kích thước nano như nhôm hoặc đồng có thể cải thiện đáng kể quá trình chuyển đổi DME. Siêu âm cường độ cao là kỹ thuật vượt trội để điều chế 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 khả năng phản ứng và chọn lọc tuyệt vời!

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

Việc sản xuất dimethyl ether (DME) là một quy trình công nghiệp được thiết lập tốt được chia thành hai bước: đầu tiên, hydro hóa xúc tác khí tổng hợp thành metanol (CO / CO₂ + 3H₂ → CH₃OH + H₂HO) và thứ hai, sự mất nước xúc tác tiếp theo của metanol so với các chất xúc tác axit để tạo ra (2CH₃OH → CH₃OCH₃ + H₂Hạn 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 metanol, dẫn đến chuyển đổi khí thấp trên mỗi lần vượt qua (15-25%). Qua đó, tỷ lệ tuần hoàn cao cũng như vốn và chi phí vận hành cao đang xảy 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 metanol được kết hợp với bước khử nước trong một lò phản ứng duy nhất
(2CO / CO₂ + 6H₂ → CH₃OCH₃ + 3H₂O).

Việc tổng hợp trực tiếp DME cho phép tăng mức độ chuyển đổi mỗi bước, lên tới 19%, có nghĩa là giảm đáng kể chi phí 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% khi so sánh với quy trình chuyển đổi hai bước thông thường. Để vận hành con đường tổng hợp DME trực tiếp, một hệ thống xúc tác lưỡng chức năng lai hiệu quả cao là cần thiết. Chất xúc tác cần thiết phải cung cấp chức năng hydro hóa CO / CO2 để tổng hợp metanol và các chức năng axit, hỗ trợ khử nước của metanol. (xem Millán và cộng sự 2020)

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

Khả năng phản ứng và chọn lọc của các chất xúc tác để chuyển đổi dimethyl ether có thể được cải thiện đáng kể thông qua xử lý siêu âm. Zeolit như zeolit axit (ví dụ, zeolit aluminosilicate HZSM-5) và zeolit trang trí (ví dụ, với CuO / ZnO / Al₂O₃) là những chất xúc tác chính được sử dụng thành công cho sản xuất DME.

Clo hóa và flo hóa zeolit là 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) bằng cách 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 được đánh giá để tối ưu hóa cả tiền chất halogen để sản xuất dimethylether (DME) thông qua mất nước metanol trong lò phản ứng giường cố định. Thử nghiệm xúc tác DME so sánh cho thấy các chất xúc tác zeolite halogen hóa được điều chế 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 siêu âm quan trọng gặp phải trong quá trình thực hiện mất nước metanol trên chất xúc tác zeolite H-MOR để sản xuất dimethylether. Đối với các thiết bị ngoại vi Sonication của họ, nhóm nghiên cứu đã sử dụng Hielscher UP50H thăm dò loại ultrasonicator. 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 làm môi trường siêu âm cho kết quả tốt nhất liên quan đến tính đồng nhất của kích thước hạt so với chất xúc tác không được xử lý, nơi xuất hiện các khối kết tụ lớn và các cụm không đồng nhất. Những phát hiện này 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 sự mất nước của metanol thành 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 DME thương mại được sản xuất bằng cách khử nước metanol bằng cách sử dụng các chất xúc tác axit rắn khác nhau như zeolit, sillica-alumina, alumina, Al₂O₃–B₂O₃, v.v. bằng phản ứng sau:
2CH₃Ồ <—> CH₃OCH₃ +H₂O (-22,6k jmol^-1)

Koshbin và Haghighi (2013) chuẩn bị CuO–ZnO–Al₂O₃/ Chất xúc tác nano HZSM-5 thông qua phương pháp siêu âm đồng kết tủa kết hợp. Nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng "việc sử dụng năng lượng siêu âm có ảnh hưởng lớn đến sự phân tán chức năng hydro hóa CO và do đó hiệu suất tổng hợp DME. Độ bền của chất xúc tác nano tổng hợp hỗ trợ siêu âm đã được nghiên cứu trong quá trình tổng hợp với phản ứng DME. Chất xúc tác nano 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 chất xúc tác γ-alumina xốp có kích thước nano. γ-alumina xốp kích thước nano đã được tổng hợp thành công bằng cách kết tủa dưới sự trộn siêu âm. Việc xử lý sonochemical thúc đẩy quá trình tổng hợp các hạt nano. (xem Rahmanpour và cộng sự, 2012)

Tại sao chất xúc tác nano được chuẩn bị siêu âm 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 trở nên đắt đỏ và do đó, nâng cao hiệu quả cũng như kéo dài vòng đời của các chất xúc tác là những yếu tố kinh tế quan trọng. Trong số các phương pháp điều chế chất xúc tác nano, 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 sự pha 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 tạo ra các hạt nano đồng nhất và phân tán mà không cần các 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 điều chế chất xúc tác nano, kỹ thuật sonochemical được coi là một phương pháp hiệu quả cao. Khả năng sonication cường độ cao để tạo ra các bề mặt phản ứng cao, để cải thiện sự pha 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 tạo ra các hạt nano đồng nhất và phân tán mà không cần các 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 cỡ – từ máy siêu âm trong phòng thí nghiệm nhỏ gọn đến lò phản ứng siêu âm công nghiệp hoàn toàn. Hielscher Ultrasonics thiết kế, sản xuất và phân phối máy siêu âm công suất cao. Tất cả các hệ thống siêu âm được sản xuất tại trụ sở chính ở Teltow, Đức và được phân phối từ đó trên toàn thế giới.
Phần cứng tinh vi và phần mềm thông minh của Hielscher ultrasonicators được thiết kế để đảm bảo hoạt động đáng tin cậy, kết quả tái tạo cũng như thân thiện với người dùng. Các 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 hoạt động sonication trước đó và để tối ưu hóa sự tổng hợp và chức năng hóa các chất xúc tác nano để đạt hiệu quả cao nhất.
Hệ thống siêu âm Hielscher được sử dụng trên toàn thế giới cho các quá trình tổng hợp sonochemical và được chứng minh là đáng tin cậy cho việc tổng hợp chất xúc tác nano zeolite chất lượng cao cũng như các dẫn xuất zeolite. Hielscher ultrasonicators công nghiệp 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 cao hơn, sonotrodes siêu âm tùy chỉnh có sẵn. Do sự mạnh mẽ và bảo trì thấp, ultrasonicators của chúng tôi thường được cài đặt cho các ứng dụng nặng và trong môi trường đòi hỏi khắt khe.
Bộ vi xử lý siêu âm Hielscher cho tổng hợp sonochemical, chức năng hóa, 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 vui mừng chia sẻ thêm thông tin về con đường tổng hợp sonochemical, hệ thống siêu âm và giá cả!
Với lợi thế 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 cung cấp cho bạn một dấu hiệu về khả năng xử lý gần đúng của ultrasonicators của chúng tôi: