Language
Country/Area
No result found
ZSM-5 の謎の構造: 石油産業の触媒スターとなった経緯
ZSM-5 は、5 環ファミリーに属するアルミノケイ酸塩分子ふるいであり、1975 年にモービル石油会社によって特許を取得し、石油業界では異性化反応の不均一触媒として広く使用されています。化学式はNanAlnSi96–nO192·16H2Oです。 「n」の範囲は0〜27です。
さまざまな化学反応を効果的に促進できる独自の構造を持つ合成分子ふるいです。
構造解析
ZSM-5 の構造は、複数の 5 環ユニットが互いに結合して 5 環鎖を形成します。各五環式ユニットには、頂点にアルミニウムまたはシリコン、中央に酸素原子がある 8 つの五角形の環が含まれています。これらの 5 つの環鎖は酸素橋によって接続され、10 個のリング状の穴を含む波状の層を形成します。 10 個のリング穴のそれぞれも、その頂点にアルミニウムまたはシリコンがあり、中央で酸素原子によって接続され、波に平行な直線チャネルと層に垂直な波状チャネルの 2 つのチャネル システムを形成します。
この複雑な幾何学的構造により、ZSM-5 は細孔内の分子の拡散を効果的に制御することができ、特に特定のサイズの分子に対して選択性を発揮します。
ZSM-5 の細孔サイズは 5.4 ～ 5.6 Å であり、触媒として最適です。
発明の背景
1967 年、ロバート・アルガウアーとジョージ・ランドルトは、OH−/SiO2 = 0.07～10、SiO2/Al2O3 = 5～100 などの重要なモル比を含む五環式分子ふるいの合成パラメータを初めて確立しました。これらのパラメータは、その後の ZSM-5 の合成の基礎となりました。
研究者たちは、時間が経つにつれて、高価で可燃性の有機アミンテンプレートの使用を避ける他の方法で ZSM-5 を合成できることを発見し、それによって合成の安全性と経済性が向上しました。
合成方法
ZSM-5 を合成する方法は多数あります。最も一般的な方法は、ケイ酸ナトリウム、アルミン酸ナトリウム、水酸化ナトリウム、テトラプロピルアンモニウム臭化物を含む水溶液を使用することです。この組み合わせは次のような反応を起こします:
<コード> SiO2 + NaAlO2 + NaOH + N(CH2CH2CH3)4Br + H2O → ZSM-5 + 方沸石 + アルファ石英ZSM-5 は通常、高温高圧下で合成されます。このプロセスでは、上記の溶液を混合し、加熱して結晶化を誘発し、最終的に目的の固体を生成します。
ZSM-5は広く使用されています
ZSM-5はシリコンとアルミニウムの比率が高く、酸性度に優れています。アルミニウム (Al3+) がシリコン (Si4+) に置き換わると、全体的な中性を維持するために追加の陽イオン (通常はプロトン (H+)) を追加する必要がありますが、これにより酸性度が高まります。この非常に規則的な三次元構造と酸性度により、ZSM-5 は炭化水素の異性化の触媒など、酸触媒反応において大きな実用的価値を持ちます。
例えば、ZSM-5はメタキシレンからパラキシレンへの異性化反応を促進し、収率を効果的に向上させることができます。
触媒プロセスでは、ZSM-5 がキャリア材料として使用され、さまざまな触媒反応に広く使用されています。一例として、ZSM-5 上に堆積した銅を特定の温度範囲内でエタノールに通すと、エタノールからアセトアルデヒドへの酸化を触媒することができます。
今後の課題と展望
ZSM-5 の可能性はガソリンの生産に限定されず、他の多くの貴重な化学物質の合成を促進することもできます。そして、技術が進歩し、環境規制が変化するにつれて、触媒プロセスをどのように改善してより高い効率とより低い環境への影響を達成するかが、将来の科学研究の重要な課題となるでしょう。
絶えず変化する産業環境において、ZSM-5 の構造が将来の触媒ニーズの課題に対応できるかどうかを考える必要があります。
