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Il mondo microscopico nascosto in ZSM-5: perché i suoi pori sono così speciali?
ZSM-5, noto anche come Zeolite Socony Mobil–5, è un setaccio molecolare di alluminosilicato appartenente al gruppo pentaciclico. Da quando è stato brevettato dalla Mobil Oil Company nel 1975, la sua applicazione nell'industria petrolifera è diventata sempre più diffusa, principalmente come catalizzatore eterogeneo per reazioni di isomerizzazione. Ma perché i segreti nascosti in questa microstruttura attirano ancora oggi l’attenzione di innumerevoli scienziati? Un'attenta osservazione della struttura unica dei pori di ZSM-5 potrebbe rivelarne i segreti.
Struttura
La struttura di ZSM-5 è costituita da più unità a cinque anelli collegate tramite ponti di ossigeno per formare una cosiddetta catena a cinque anelli. Ciascuna unità a cinque anelli contiene otto anelli pentagonali. In questi anelli, i vertici sono alluminio (Al) o silicio (Si) e si presume che gli atomi di ossigeno siano collegati tra ciascun vertice. Queste catene a cinque anelli sono ulteriormente collegate per formare piani ondulati e contengono 10 anelli di fori.
Anche i vertici di ciascun foro da 10 anelli sono realizzati in alluminio o silicio e si presuppone che tra i vertici siano presenti anche connessioni di ossigeno.
Secondo lo studio, si stima che il diametro dei pori del canale di ZSM-5 parallelo alle increspature sia compreso tra 5,4 e 5,6 Å. La sua cella unitaria cristallina ha 96 siti T (Si o Al), 192 siti di ossigeno e ha un numero diverso di cationi compensatori in base al rapporto Si/Al. Questa struttura unica mostra una natura altamente ordinata e rimane ancora oggi un argomento caldo della ricerca scientifica.
Processo di sintesi
Essendo un setaccio molecolare sintetico, il processo di sintesi di ZSM-5 è molto importante. Il suo metodo di sintesi comune prevede la miscelazione di silicio idrato, alluminato di sodio, idrossido di sodio e bromuro di tetrapropilammino per formare tetrapropilammino ZSM-5 supersaturo, che può essere solido dopo il riscaldamento e la ricristallizzazione.
ZSM-5 può essere sintetizzato ad alta temperatura e pressione mescolando vari composti in rapporti appropriati.
Questo metodo è stato proposto per la prima volta da Robert Argauer e George Landolt nel 1969. Studi successivi hanno dimostrato che ZSM-5 può ancora essere sintetizzato anche senza costosi modelli amminici organici ed è stata esplorata la possibilità di utilizzare sostituti da essi.
Scopo
ZSM-5 è noto per il suo elevato rapporto silicio-alluminio, che gli consente di svolgere un ruolo importante in molte reazioni catalitiche. Una volta che i cationi trivalenti di alluminio (Al3+) sostituiscono i cationi di silicio tetravalenti (Si4+), il materiale assume un’ulteriore carica positiva. Se come catione viene utilizzato un protone (H+), il materiale diventa molto acido, quindi l'acidità è direttamente proporzionale al contenuto di alluminio.
La struttura tridimensionale altamente ordinata e le proprietà acide di ZSM-5 possono essere utilizzate in reazioni catalizzate da acidi, come l'isomerizzazione degli idrocarburi e l'alchilazione degli idrocarburi.
Ad esempio, ZSM-5 può catalizzare efficacemente la reazione di isomerizzazione del para-xilene. Il paraxilene nei suoi pori ha un coefficiente di diffusione più elevato, in modo che durante la reazione catalitica, il paraxilene possa passare rapidamente attraverso il setaccio molecolare, migliorando così l'efficienza e la resa della reazione.
Proprietà catalitiche e futuro
Oltre alla sua applicazione nelle reazioni di conversione, ZSM-5 viene utilizzato anche come materiale di supporto catalitico. In un esempio, il rame viene depositato su setacci molecolari e viene fatto passare il vapore per eseguire una reazione di ossidazione che alla fine produce acetaldeide. La dimensione specifica dei pori consente a questa reazione di procedere senza intoppi ed è efficace anche per altri alcoli e reazioni di ossidazione.
Ad esempio, il processo di conversione diretta dell'alcol in benzina è chiamato processo da metanolo a benzina (MTG), una tecnologia brevettata da Mobil.
Con il continuo miglioramento della tecnologia dei setacci molecolari, l'ambito di applicazione di ZSM-5 continua ad espandersi, mostrando potenziale e valore illimitati sia nella conversione di energia che nella sintesi chimica. Quindi, come può ZSM-5 essere utilizzato in modo innovativo nella futura ricerca e applicazione catalitica?
