Fungsi Zeolit : Kemajuan Terbaru dalam Konversi Langsung Metana ke Metanol Melalui Zeolit ​​Penukaran Tembaga

Fungsi Zeolit : Kemajuan Terbaru dalam Konversi Langsung Metana ke Metanol Melalui Zeolit ​​Penukaran Tembaga

Konversi metana menjadi bahan bakar cair atau bahan kimia yang mudah diangkut telah menjadi tujuan yang sangat dicari didorong oleh meningkatnya ketersediaan gas alam yang murah dan melimpah. Sementara pemanfaatan metana untuk produksi syngas dan konversi selanjutnya melalui rute tidak langsung adalah tipikal, biayanya intensif, dan rute konversi langsung alternatif telah diselidiki secara aktif. 

Salah satu arah yang paling menjanjikan di antaranya adalah oksidasi parsial metana menjadi metanol pada suhu rendah di atas zeolit ​​bermuatan logam, yang meniru kimia enzimatik yang mudah dari oksidasi metana. Jadi senyawa oksida mono-, bi-, dan trinuklir dari besi dan tembaga yang distabilkan pada ZSM-5 atau mordenit, yang secara struktural analog dengan yang ditemukan dalam metana monooksigenase, telah menunjukkan kinerja katalitik yang menjanjikan. 

Dua masalah utama dari zeolit ​​bermuatan logam ini adalah hasil yang rendah terhadap metanol dan sistem reaksi non-katalitik seperti batch yang menantang untuk diperluas ke skala industri. Dalam tinjauan mini ini, perhatian diberikan pada oksidasi metana langsung menjadi metanol melalui sistem zeolit ​​bermuatan tembaga. Pengantar singkat tentang jalur oksidasi langsung metana katalitik dan status terkini dari zeolit ​​yang mengandung logam termasuk yang dengan ion tembaga diberikan. 

Selanjutnya, dengan menganalisis data eksperimental dan teoritis yang luas yang tersedia, konsensus di antara para peneliti untuk mencapai target hasil metanol tinggi dibahas dalam hal topologi zeolit, spesies aktif, dan parameter reaksi. Akhirnya, upaya terbaru pada produksi metanol terus menerus dari oksidasi metana langsung bertujuan untuk proses industri diringkas.

Kata Pengantar 

Gas alam akan menjadi sumber energi utama dalam masa transisi dari ekonomi energi berbasis minyak bumi saat ini ke masyarakat energi terbarukan di masa depan. Gas alam saat ini digunakan sebagai bahan bakar untuk pembangkit listrik atau transportasi, tetapi seringkali hanya dibakar ke atmosfer tanpa dimanfaatkan. Berbagai upaya telah dilakukan untuk mengubah metana, yang menyumbang 70–90% gas alam, menjadi bahan bakar cair atau bahan kimia yang lebih bermanfaat (Periana et al., 1998; McFarland, 2012; Sushkevich et al., 2017). 

Jadi, syngas dihasilkan oleh steam reforming metana (CH4 + H2O → CO + 3H2, H0298K = +206,2 kJ mol−1), dan ini dapat diikuti oleh proses Fischer-Tropsch menjadi hidrokarbon atau sintesis metanol (CO + 2H2 → CH3OH, H0298K = 90,7 kJ mol−1). Namun, rute tidak langsung ini sangat memakan energi dan juga disertai dengan proses multi-tahap termasuk unit untuk reaksi perpindahan gas air (CO + H2O → CO2 + H2, H0298K = 41,2 kJ mol−1). Oleh karena itu, sangat diinginkan untuk mengembangkan proses konversi langsung skala kecil berbiaya rendah yang dapat menggantikan rute tidak langsung.

Metana adalah molekul yang sangat stabil yang sulit untuk diaktifkan karena afinitas elektron dan protonnya yang rendah, polaritas yang rendah, energi ionisasi yang tinggi, dan ikatan C-H yang kuat (~440 kJ mol−1) (Periana et al., 1998). Ikatan C-H metana dapat diaktifkan secara kinetik dan termodinamika melalui oksidasi. Namun, ikatan C-H (~47 kJ mol−1) dalam metanol yang merupakan salah satu zat antara oksidatif lebih lemah daripada metana, dan dengan demikian teroksidasi sempurna menjadi karbon dioksida di bawah kondisi reaksi untuk aktivasi metana. 

Oleh karena itu, diinginkan untuk mengembangkan sarana katalitik yang tepat untuk menghasilkan metanol secara selektif dengan oksidasi metana langsung. Metanol, kebetulan, adalah molekul platform penting untuk mensintesis dimetil eter, formaldehida, olefin ringan, dan bahkan menjadi bensin melalui proses metanol-ke-bensin (MTG) (Tian et al., 2015; Yarulina et al., 2018).

Salah satu jalur yang menjanjikan untuk konversi langsung metana menjadi metanol adalah melalui oksidasi parsial metana melalui katalis zeolit ​​yang mengandung logam (CH4 + 0,5O2 → CH3OH, H0298K = 126,2 kJ mol−1), yang meniru oksidasi metana oleh enzim ( Kondratenko dkk., 2017; Ravi dkk., 2017; Tomkins dkk., 2017; Dinh dkk., 2018; Kulkarni dkk., 2018; Mahyuddin dkk., 2018a).

Seperti ditunjukkan pada Gambar 1A, kompleks tembaga atau besi mono-, bi- atau tri-nuklir yang mirip dengan metana monooksigenase (MMO) dapat distabilkan dalam struktur mikropori zeolit ​​seperti ZSM-5 (jenis kerangka MFI) atau mordenit ( MOR) dengan pertukaran ion zeolit ​​diikuti oleh aktivasi berturut-turut dengan oksidan (Snyder et al., 2018). 

Elektrofilisitas dari spesies oksida logam aktif memungkinkan produksi metanol dengan mudah mengaktifkan ikatan C-H yang kuat dari metana bahkan pada suhu yang relatif rendah. Namun, sistem zeolit ​​yang mengandung logam ini menunjukkan karakteristik reaksi stoikiometrik dan non-katalitik tanpa desorpsi produk yang terus menerus sehingga selektivitas metanol yang tinggi hanya dapat dicapai pada kondisi konversi metana <0,1% (Ravi et al., 2017; Dinh et al., 2018). Masalah-masalah ini harus diselesaikan untuk memperluas reaksi ke skala industri.

Meskipun banyak penelitian tentang konversi langsung metana melalui zeolit ​​yang mengandung ion logam transisi Fe, Co, Ni, Cu, dan Zn dan menggunakan N2O, H2O2, O2, dan baru-baru ini H2O sebagai oksidan telah dilaporkan, sistem Cu-zeolit ​​dengan O2 atau H2O telah dianggap paling menjanjikan untuk aplikasi industri (Sushkevich et al., 2017; Lee et al., 2018). 

Cu-zeolit ​​dapat diaktifkan oleh N2O dan O2, tidak seperti Fe-zeolit ​​di mana situs aktivasi metana tidak dapat dibentuk dengan O2. Penggunaan N2O dan oksidan lainnya (misalnya, HNO3, H2SO4, NaClO, NaClO2, H2O2, dll.) tidak dapat bersaing dengan O2 dan H2O yang tersedia secara bebas dan ramah lingkungan. Oleh karena itu, dalam tinjauan mini ini, fokus akan dibuat pada oksidasi metana langsung menjadi metanol pada sistem Cu-zeolit. Setelah tinjauan singkat dari sistem reaksi ini, upaya yang dilakukan untuk mendapatkan hasil metanol yang tinggi, dan upaya terbaru untuk produksi metanol berkelanjutan diringkas.

Oksidasi Parsial Metana Bertahap Atas Cu-Zeolit

Tembaga telah digunakan sebagai katalis untuk berbagai reaksi oksidasi dan, khususnya, CuO dikenal sebagai katalis untuk oksidasi metana (Elwell et al., 2017). Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1B, konversi metana menjadi metanol langsung yang awalnya diusulkan melalui Cu-zeolit ​​dilakukan dengan proses siklik tiga langkah dari aktivasi oksigen, reaksi metana, dan ekstraksi metanol (Ravi et al., 2017; Tomkins et al. ., 2017). 

Dalam operasi yang khas, Cu-zeolit ​​diaktifkan selama beberapa jam di dekat 450 ° C dalam atmosfer oksigen dan diperlakukan dengan gas inert seperti He untuk menghilangkan O2 yang digunakan dalam aktivasi Cu-zeolit. Kemudian metana direaksikan selama beberapa waktu pada suhu sekitar 200 °C, dan metanol atau gugus metoksi yang dihasilkan didesorbsi atau diekstraksi dari Cu-zeolit ​​menggunakan pelarut seperti air untuk memperoleh metanol. 

Berbagai katalis Cu-zeolit ​​telah dievaluasi selama dekade terakhir untuk proses siklik bertingkat, dan hasil yang representatif dirangkum dalam Tabel 1. Sebuah studi awal menggunakan Cu-ZSM-5 menunjukkan hasil metanol sekitar 8,2 mol g− 1cat dengan selektivitas metanol lebih dari 98% dengan karbon dioksida dan karbon monoksida yang dapat diabaikan (Groothaert et al., 2005). Baru-baru ini, hasil metanol jauh lebih tinggi dicapai, misalnya, ca. 125 dan 169 mol g−1cat masing-masing menggunakan Cu-SSZ-13 (CHA) dan Cu-mordenite (Pappas et al., 2017, 2018; Dyballa et al., 2019). Selektivitas metanol mendekati 100% dicapai sebagai hasil dari perlakuan gas inert antara aktivasi oksigen dan reaksi metana untuk mencegah oksidasi berlebih dari metanol yang dihasilkan dalam atmosfer bebas O2.

Metanol yang terbentuk di dalam pori-pori zeolit ​​dapat diekstraksi dengan dua proses (Kulkarni et al., 2018). Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1C, salah satunya adalah proses di mana metanol diproduksi dengan hidrolisis gugus metoksi Brønsted yang terikat pada atom oksigen kerangka zeolit ​​dengan air. Yang lainnya adalah proses di mana radikal metil metana yang diaktifkan di situs Cu-okso diadsorpsi langsung ke kerangka oksigen zeolit, dan metanol diganti dengan air yang digunakan sebagai pelarut. 

Menurut Kulkarni dkk. yang menghitung energi adsorpsi antara metanol dan spesies aktif logam yang berbeda, sulit untuk secara spontan mendesorbsi molekul metanol yang terbentuk di dalam pori-pori zeolit ​​​​di sebagian besar struktur zeolit ​​​​, tetapi dimungkinkan untuk menyerapnya menggunakan air. Secara teoritis, metanol yang teradsorpsi dapat didesorbsi dengan tekanan uap air yang rendah dari hampir semua struktur zeolit.

Meskipun struktur spesies aktif tembaga-okso di dalam pori-pori zeolit ​​yang terlibat dalam produksi metanol telah diusulkan sejak awal penyelidikan, itu masih kontroversial. Analisis spektroskopi dan komputasi terperinci untuk spesies aktif tersedia di ulasan lain (Kulkarni et al., 2018; Snyder et al., 2018).

 Cu-mordenite, Cu-ZSM-5, dan Cu-SSZ-13 telah dipelajari secara ekstensif, dan berbagai spesies aktif seperti monocopper (misalnya, [CuOH]+) (Grundner et al., 2015, 2016; Li et al. , 2016), dicopper (misalnya, mono(μ-oxo)dicopper, [Cu2(μO)2]2+ dan bis(μ-oxo)dicopper, [Cu2(μO)]2+) (Groothaert et al., 2005 ; Woertink et al., 2009; Tsai et al., 2014; Mahyuddin et al., 2018b,c), tricopper (misalnya, tris(μ-oxo)tricopper, [Cu3(μO)3]2+) (Grundner et al., 2015; Markovits et al., 2016; Vogiatzis et al., 2017; Dandu et al., 2018; Mahyuddin et al., 2018b,c), dan bahkan kluster oksida tembaga sub-nanometer (Tomkins et al., 2017; Doan et al., 2018) telah diusulkan (Gambar 1A). Sebuah studi awal Cu-ZSM-5 menunjukkan puncak dalam spektrum UV/Vis pada 22.700 cm−1 sesuai dengan situs bis(μ-oxo)dicopper (Groothaert et al., 2005).

Baru-baru ini, analisis EXAFS dari Cu-mordenite melaporkan bahwa kluster tembaga-okso trinuklear adalah spesies aktif (Grundner et al., 2015; Markovits et al., 2016). Untuk zeolit ​​lain seperti Cu-beta (*BEA) dan Cu-ferrierite (FER), meskipun hanya dengan sedikit metanol yang terbentuk, tidak ada spesies aktif seperti kluster -oxo-tembaga yang diamati (Smeets et al., 2005) . Hasil yang berbeda ini tampaknya menunjukkan bahwa mungkin ada berbagai spesies aktif tergantung pada struktur, komposisi, dan kondisi aktivasi zeolit.

LAYANAN ADY WATER

Jual zeolit untuk filter air jenis Batu, Pasir, dan Tepung. Kemasan zeolit per karung 20 kilogram dan eceran 4 kilogram. Sudah suplai zeolit ke industri Food and Beverage, berbagai BUMN, kebutuhan softener (Pelunak Air / Pengurang Kesadahan Air) rumah tangga. Ready Stock, kemampuan suplai hingga puluhan ton rutin per bulan

Nomor WA Sales Yang Mudah Dihubungi

Senang dapat membantu Anda, Semoga kami dapat segera menyelesaikan masalah air yang sedang Anda hadapi. Terimakasih

1. Ghani 0821 2742 4060

2. Yanuar 0812 2165 4304

3. Rusmana 0821 2742 3050

4. Fajri 0821 4000 2080

5. Kartiko 0812 2445 1004

6. Andri 0812 1121 7411

Alamat kantor/gudang Ady Water yang bisa dikunjungi langsung. 

Silahkan Bapak/Ibu mengunjungi alamat kantor/gudang kami. Kami akan melayani Anda dengan senang hati dan semoga dapat membantu masalah air yang sedang Anda hadapi. 

1. Alamat Bandung:

Jalan Mande Raya No. 26, RT/RW 01/02 Cikadut-Cicaheum, Bandung 40194

2. Alamat Jakarta Timur

Jalan Tanah Merdeka No. 80B, RT.15/RW.5 Rambutan, Ciracas, Jakarta Timur 13830

3. Alamat Jakarta Barat

Jalan Kemanggisan Pulo 1, No. 4, RT/RW 01/08, Kelurahan Pal Merah, Kecamatan Pal Merah, Jakarta Barat, 11480

Katalog Ady Water

http://bit.ly/KatalogAdyWater