ZSM-5ゼオライトの用途

ZSM-5ゼオライトの紹介

ZSM-5（ゼオライト・ソコニー・モービル#5）は、1969年にアーガウアーとランドルトによって初めて製造され、1975年にモービル石油が特許を取得した触媒である。ゼオライトのペンタシルファミリーに属するアルミノケイ酸塩ゼオライトである。化学式はNanAlnSi96-nO192-16H2O（0

ZSM-5は重要な触媒であるため、ZSM-5は高い触媒性能を示し、幅広い産業分野の重要なプロセスに広く応用されている。石油精製業界では、ZSM-5は固体酸触媒の中でも高い熱安定性と熱水安定性を持つため、炭化水素の異性化、アルキル化、芳香族化に使用されています。また、水素化分解と水素化異性化により、ガソリン、ディーゼル、ガソリンなどの幅広い高品質の化学製品を提供することができます。総じて、このゼオライトの高い性能は、多くの産業において真に不可欠な材料となっている。

ZSM-5ゼオライトの分子構造

ZSM-5ゼオライトの合成

ZSM-5ゼオライトモレキュラーシーブには多くの合成法があり、原料や配合比率も異なります。最も一般的な合成法は水熱合成法である。原料はケイ素とアルミニウムを含む化合物で、その比率はケイ素とアルミニウムの比率が低いものから完全なケイ素まで合成できます。工業生産では、原料は通常水ガラスと硫酸アルミニウムを珪素源とアルミニウム源として使用し、製法は結晶播種法または鋳型指向法を採用する。結晶化環境により、水熱合成方式と非水熱合成方式に分けられ、テンプレート剤の種類により、有機アミン合成方式と無機アミン合成方式に分けられる。これらの合成法に使用されるケイ素源、アルミニウム源、テンプレートなどは同じではないが、合成はケイ素とアルミニウムの構造転位を利用してZSM-5結晶を形成する。

ZSM-5ゼオライトの用途

結晶骨格の配置、溝の大きさの均一性、酸性度がZSM-5の特性を決定した。

 ZSM-5ゼオライトは均一な大きさの細孔を有しており、これはチャンネルサイズより大きな分子がゼオライト内で形成できない場合に有利である。 ZSM-5ゼオライトの細孔サイズはまた、C7およびC8アルケンの形成と、対応する芳香族化合物へのそれらの環化に特に適している。 ZSM-5のこのユニークな特性は、コークス前駆体としての二環式および三環式芳香族化合物の生成を制限する。

特殊な特性-形状選択性により、市販のゼオライトが特に適している。形状選択性」という用語は、1960年にWeiszとFriletteによって作られた造語で、細孔を持つモレキュラーシーブのユニークな触媒特性を表している。

【1】合成媒体6A細孔ゼオライトが利用可能になり、形状選択性の範囲が拡大したのはその後のことである。結局のところ、ペンタシル・ファミリーのゼオライトが形状選択的触媒反応に適しているのは、ZSM-5の均質性と適度な細孔径、および生成物分子の形成可能性である。ZSM-5ゼオライトは、その形状選択性が非常に広いダイナミックレンジを持つという点で、他の多くのモレキュラーシーブとは異なる。

2】一般に、形状選択性は、(1)反応体選択性、(2)制限遷移状態選択性、(3)生成物選択性に分けられる。

(1) 反応剤選択性

反応物選択性とは、ある種の反応物分子（他の分子に比べてサイズが小さい）のみが触媒孔を通って拡散することを意味する。例えば、Mobilの留出油脱蝋プロセスは、反応物形状選択プロセスであり、留出油中に存在する直鎖またはわずかに分岐したパラフィンのみがZSM-5ウェルに入ることができ、そこで軽い製品に分解される。その結果、注ぎ口の低い「ワックス状」の製品が得られる。

(2) 遷移状態選択性の制限

これは、反応物分子と生成物分子の両方がチャネルを通って拡散するのに十分小さいが、反応中間体は反応物や生成物よりも大きく、特別な制約を受ける場合に起こる。このような条件下では、二分子遷移状態よりも単分子遷移状態が好まれる。遷移状態の選択性を制限する最も重要な例は、ZSM-5ゼオライトの初期調理がないことである。この形状選択性は、ZSM-5ゼオライトにおけるアルカンの選択的分解において中心的な役割を果たしている。例えば、ZSM-5で3-メチルペンタンを分解するのに必要な大きな遷移状態複合体の空間的歪みが、n-ヘキサンよりも活性が低い理由として提案されている。メタノールからガソリン（MTG）への変換は、遷移状態形状選択性のもう一つの重要な例であり、ZSM-5空洞の利用可能な空間が、形成可能な最大二分子反応複合体を決定する。

(3) 製品の選択性

この現象は、孔の中で生成した生成物の一部が、大きすぎて拡散しきれず、観察される生成物として現れない場合に起こる。それらは（例えば平衡によって）より小さな分子に変換されるか、あるいは最終的に孔を塞いで触媒を不活性化する。m-キシレンの不均化はその最たる例である。アルキル化生成物では、高分子の1,3,5-トリメチルベンゼンよりも1,3,5-トリメチルベンゼンが優先的に生成する。同様に、キシレンの異性化では、オルト異性体よりもパラ異性体が優先的に生成する。

H-ZSM-5のユニークな形状選択性の特徴の一つは、アルキル芳香族のアルキル化や不均化などの求電子置換反応におけるパラ選択性である。ゼオライトの酸活性を調整し、拡散パラメーターを制御することにより、高いパラ選択性を得ることができる。

結論

ZSM-5ゼオライトの上記の特性は、M形成、蒸留物脱ろう、および潤滑油脱ろうプロセスのような形状選択的分解を含む、様々な工業プロセス用の優れた触媒となる。M-2形成、環化、芳香族化、メタノール-ガソリン（MTG）変換などの芳香族化プロセスも、キシレン異性化、トルエン不均化、エチルベンゼン合成、p-エチルトルエンの選択的変換と同様に、ZSM-5ゼオライトの合成から恩恵を受ける。ZSM-5ゼオライトが多くの産業において非常に価値のある材料であることは間違いありません。

参考文献

【1】.V. J. Frilette, P. B. Weisz, R. L. Golden., J. Catal.1962, 1:301-306.

【2】.N. Y. Chen, W. E. Garwood., Advances in Chemistry, 1973, 121:575-582.