Language
Country/Area
No result found
Загадочная структура ZSM-5: как она стала каталитической звездой нефтяной промышленности?
ZSM-5 — алюмосиликатное молекулярное сито, относящееся к семейству пятикольцевых, запатентованное компанией Mobil Oil Company в 1975 году и широко используемое в нефтяной промышленности в качестве гетерогенного катализатора реакций изомеризации. Его химическая формула — NanAlnSi96–nO192·16H2O. Диапазон «n» составляет от 0 до 27.
Это синтетическое молекулярное сито с уникальной структурой, способное эффективно стимулировать ряд химических реакций.
Структурный анализ
Структура ZSM-5 состоит из нескольких пятикольцевых блоков, соединенных друг с другом, образуя пятикольцевую цепочку. Каждая пентациклическая единица содержит восемь пентагональных колец с алюминием или кремнием в вершинах и атомами кислорода в середине. Эти пятикольцевые цепи соединены кислородными мостиками, образуя волнистый слой, содержащий 10 кольцеобразных отверстий. Каждое из 10 кольцевых отверстий также имеет в своей вершине алюминий или кремний и соединено атомами кислорода в середине, образуя две системы каналов: прямые каналы, параллельные волнам, и волнистые каналы, перпендикулярные слоям.
Эта сложная геометрическая структура позволяет ZSM-5 эффективно контролировать диффузию молекул в своих порах, особенно проявляя избирательность к молекулам определенного размера.
ZSM-5 имеет размер пор от 5,4 до 5,6 Å, что делает его идеальным кандидатом для катализаторов.
Предыстория изобретения
В 1967 году Роберт Аргауэр и Джордж Ландольт впервые установили параметры синтеза пентациклических молекулярных сит, включая некоторые важные молярные соотношения, такие как OH−/SiO2 = 0,07–10 и SiO2/Al2O3 = 5–100. Эти параметры легли в основу последующего синтеза ZSM-5.
Со временем исследователи обнаружили, что ZSM-5 можно синтезировать другими способами, избегая использования дорогостоящих и легковоспламеняющихся органических аминных шаблонов, тем самым повышая безопасность и экономичность синтеза.
Метод синтеза
Существует много методов синтеза ZSM-5. Наиболее распространенным методом является использование водного раствора, содержащего силикат натрия, алюминат натрия, гидроксид натрия и бромид тетрапропиламмония. Эта комбинация может привести к следующей реакции:
<код> SiO2 + NaAlO2 + NaOH + N(CH2CH2CH3)4Br + H2O → ZSM-5 + анальцим + альфа-кварцZSM-5 обычно синтезируют при высокой температуре и давлении, этот процесс включает смешивание вышеуказанных растворов и нагревание их для инициирования кристаллизации, что в конечном итоге приводит к получению желаемого твердого вещества.
ZSM-5 широко используется
ZSM-5 имеет высокое соотношение кремния и алюминия, что делает его превосходным по кислотности. Когда алюминий (Al3+) заменяет кремний (Si4+), для поддержания общей нейтральности необходимо добавлять дополнительные катионы, обычно протоны (H+), что увеличивает его кислотность. Эта очень регулярная трехмерная структура и его кислотность делают ZSM-5 очень ценным на практике в реакциях, катализируемых кислотами, таких как катализ изомеризации углеводородов.
Например, ZSM-5 может ускорить реакцию изомеризации мета-ксилола в пара-ксилол и эффективно повысить выход.
В каталитическом процессе ZSM-5 используется в качестве материала-носителя и широко применяется в различных каталитических реакциях. Одним из примеров является то, что медь, нанесенная на ZSM-5 и пропущенная через этанол в определенном температурном диапазоне, может катализировать окисление этанола до ацетальдегида.
Будущие проблемы и перспективы
Потенциал ZSM-5 не ограничивается производством бензина, но может также способствовать синтезу многих других ценных химических веществ. Затем, по мере развития технологий и изменения экологических норм, важной задачей будущих научных исследований станет усовершенствование каталитического процесса для достижения более высокой эффективности и снижения воздействия на окружающую среду.
В этой постоянно меняющейся промышленной среде нам необходимо задуматься о том, сможет ли структура ZSM-5 удовлетворить потребности в будущих катализаторах?
