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A misteriosa estrutura do ZSM-5: como ele se tornou a estrela catalisadora da indústria do petróleo?
ZSM-5 é uma peneira molecular de aluminossilicato pertencente à família pentacíclica. Foi patenteada pela Mobil Oil Company em 1975 e é amplamente utilizada na indústria do petróleo como catalisador heterogêneo para reações de isomerização. Sua fórmula química é NanAlnSi96–nO192·16H2O. O intervalo "n" está entre 0 e 27.
É uma peneira molecular sintética com uma estrutura única que pode efetivamente promover uma série de reações químicas.
Análise estrutural
A estrutura do ZSM-5 consiste em múltiplas unidades de cinco anéis conectadas entre si para formar uma cadeia de cinco anéis. Cada unidade pentacíclica contém oito anéis pentagonais com alumínio ou silício nos vértices e átomos de oxigênio no meio. Essas cadeias de cinco anéis são conectadas por pontes de oxigênio para formar uma camada ondulada contendo 10 poros anulares. Cada furo de 10 anéis também tem alumínio ou silício como vértice e é conectado com átomos de oxigênio no meio para formar dois sistemas de canais: um canal reto paralelo às ondas e um canal ondulado perpendicular à camada.
Essa estrutura geométrica complexa permite que o ZSM-5 controle efetivamente a difusão de moléculas em seus poros, especialmente seletivamente para moléculas de um tamanho específico.
O ZSM-5 tem um tamanho de poro de 5,4 a 5,6 Å, o que o torna ideal como catalisador.
Antecedentes da invenção
Em 1967, Robert Argauer e George Landolt estabeleceram pela primeira vez os parâmetros para a síntese de peneiras moleculares pentacíclicas, que incluíam algumas razões molares importantes, como OH−/SiO2 = 0,07–10 e SiO2/Al2O3 = 5–100. Esses parâmetros tornaram-se a base para a futura síntese do ZSM-5.
Com o tempo, os pesquisadores descobriram que o ZSM-5 pode ser sintetizado de outras maneiras, evitando o uso de modelos de aminas orgânicas caras e inflamáveis, para melhorar a segurança e a economia da síntese.
Método de síntese
Existem muitos métodos para sintetizar ZSM-5. O método comum é usar uma solução aquosa contendo silicato de sódio, aluminato de sódio, hidróxido de sódio e brometo de tetrapropilamina. Esta combinação pode seguir a seguinte reação:
ZSM-5 é geralmente sintetizado sob alta temperatura e pressão, um processo que envolve misturar e aquecer as soluções acima para promover a cristalização e, finalmente, produzir o sólido desejado.
Versátil ZSM-5
ZSM-5 possui alta relação silício/alumínio, o que lhe confere excelente acidez. Quando o alumínio (Al3+) substitui o silício (Si4+), cátions adicionais devem ser adicionados para manter a neutralidade geral, geralmente prótons (H+), o que aumentará sua acidez. Esta estrutura tridimensional não convencional e sua acidez tornam o ZSM-5 de grande valor prático em reações catalisadas por ácido, como a catalisação da isomerização de hidrocarbonetos.
Por exemplo, o ZSM-5 pode promover a reação de isomerização do meta-xileno em para-xileno e aumentar efetivamente o rendimento.
No processo catalítico, o ZSM-5 é usado como material transportador e é amplamente utilizado em diversas reações catalíticas. Em um exemplo, a deposição de cobre no ZSM-5 e a passagem do etanol em uma faixa de temperatura específica catalisou a oxidação do etanol em acetaldeído.
Desafios e perspectivas futuras
O potencial do ZSM-5 não se limita à produção de gasolina, mas também pode promover a síntese de muitos outros produtos químicos valiosos. Então, com o avanço da tecnologia e as mudanças nas regulamentações ambientais, como melhorar o processo catalítico para alcançar maior eficiência e menor impacto ambiental será um desafio importante para futuros trabalhos de investigação científica.
Neste ambiente industrial em constante mudança, o que precisamos pensar é se a estrutura do ZSM-5 será capaz de enfrentar os desafios das futuras necessidades catalíticas?
