ZSM-5 제올라이트 적용
ZSM-5 제올라이트 소개
ZSM-5, 제올라이트 소코니 모빌 #5는 1969년 아르가우어와 란돌트가 처음 만들고 1975년 모빌 오일 컴퍼니가 특허를 취득한 촉매제입니다. 이 촉매는 펜타실 계열의 제올라이트에 속하는 알루미노실리케이트 제올라이트입니다. 화학식은 NanAlnSi96-nO192-16H2O (0
ZSM-5는 높은 촉매 성능을 발휘하여 다양한 산업 분야의 중요 공정에 광범위하게 적용되고 있는 중요한 촉매입니다. 석유 정제 산업에서 ZSM-5는 고체 산 촉매 중에서도 열 및 열수 안정성이 높아 탄화수소의 이성질화, 알킬화 및 방향족화에 사용됩니다. 또한 수소 첨가 분해 및 수소 이성질체화를 통해 가솔린, 디젤, 휘발유를 포함한 광범위한 고품질 화학 물질을 생산할 수 있습니다. 대체로 이 제올라이트의 고성능 덕분에 여러 산업 분야에서 없어서는 안 될 소재가 되었습니다.
ZSM-5 제올라이트의 분자 구조
ZSM-5 제올라이트 합성
ZSM-5 제올라이트 분 자체의 합성 방법은 여러 가지가 있으며 원료와 비율도 다릅니다. 가장 일반적인 합성 방법은 수열 합성 방법입니다. 원료는 실리콘과 알루미늄을 포함하는 화합물이며, 비율은 낮은 실리콘 대 알루미늄 비율에서 전체 실리콘까지 합성할 수 있습니다. 산업 생산에서 원료는 일반적으로 물 유리와 황산 알루미늄을 생산을위한 실리콘 소스 및 알루미늄 소스로 사용하며, 공정은 결정 시딩 방법 또는 템플릿 지시 방법을 채택합니다. 결정화 환경에 따라 수열 시스템과 비수열 시스템의 합성으로 나뉘며, 템플릿 제의 종류에 따라 유기 아민과 무기 아민 시스템의 합성으로 나뉩니다. 이러한 합성 방법에 사용되는 실리콘 소스, 알루미늄 소스, 템플릿 등은 동일하지 않지만 합성은 실리콘과 알루미늄의 구조적 재배열을 사용하여 ZSM-5 결정 형성을 형성합니다.
ZSM-5 제올라이트의 애플리케이션
결정 구조 배열, 채널 크기의 균일성, 산도가 ZSM-5의 특성을 결정합니다.
는 균일한 크기의 기공을 가지고 있어, 교차점을 제외하고는 채널 크기보다 큰 분자가 제올라이트에 형성될 수 없을 때 유리합니다. 또한 ZSM-5 제올라이트의 기공 크기는 C7 및 C8 알켄의 형성과 해당 방향족 화합물로의 순환에 특히 적합합니다. ZSM-5의 이러한 독특한 특성은 코크스 전구체로서 이환 방향족 및 삼환 방향족 화합물의 형성을 제한합니다.
형상 선택성이라는 특별한 특성 덕분에 상업용 제올라이트가 특히 적합합니다. "형상 선택성"이라는 용어는 1960년 Weisz와 Frilette가 기공 분 자체의 독특한 촉매 특성을 설명하기 위해 만든 용어입니다.
【1】 합성 매체 6A 기공 제올라이트의 출시로 형상 선택성의 범위가 확장된 것은 나중에였습니다. 궁극적으로 펜타실 계열 제올라이트가 형상 선택적 촉매에 적합한 것은 ZSM-5의 균질성과 적당한 기공 크기, 그리고 생성물 분자를 형성할 수 있는 가능성 때문입니다. ZSM-5 제올라이트는 형상 선택성이 매우 넓은 동적 범위를 갖는다는 점에서 대부분의 다른 분 자체와 다릅니다.
2】일반적으로 형태 선택성은 (1) 반응물 선택성, (2) 제한된 전이 상태 선택성, (3) 생성물 선택성으로 나눌 수 있습니다.
(1) 반응물 선택성
반응물 선택성은 특정 유형의 반응물 분자(다른 분자에 비해 크기가 작은)만이 촉매 구멍을 통해 확산된다는 것을 의미합니다. 예를 들어 Mobil의 증류액 탈왁싱 공정은 증류액에 존재하는 직선형 또는 약간 가지가 있는 파라핀만 ZSM-5 우물에 들어가 더 가벼운 제품으로 분해되는 반응물 형태 선택 공정입니다. 그 결과 유동점이 낮고 "왁스성"이 적은 제품이 생성됩니다.
(2) 제한된 전환 상태 선택성
이는 반응물과 생성물 분자가 모두 채널을 통해 확산될 수 있을 만큼 작지만 반응 중간체가 반응물이나 생성물보다 커서 특별한 제한을 받는 경우에 발생합니다. 이러한 조건에서는 이분자 전이 상태보다는 단분자 전이 상태가 선호됩니다. 전이 상태 선택성을 제한하는 가장 중요한 예는 ZSM-5 제올라이트를 조기에 조리하지 않는 것입니다. 이러한 형태 선택성은 ZSM-5 제올라이트에서 알칸을 선택적으로 분해하는 데 핵심적인 역할을 합니다. 예를 들어, ZSM-5에서 3-메틸 펜탄을 분해하는 데 필요한 더 큰 전이 상태 복합체의 공간적 변형이 n-헥산보다 낮은 활성의 원인으로 제안됩니다. 메탄올을 가솔린(MTG)으로 전환하는 것은 전이 상태 형상 선택성의 또 다른 중요한 예로, ZSM-5 캐비티의 가용 공간이 형성될 수 있는 최대 이분자 반응 복합체를 결정합니다.
(3) 제품 선택성
이는 구멍에 형성된 생성물 중 일부가 너무 커서 밖으로 확산되어 관찰된 생성물로 나타나지 않을 때 발생합니다. 이러한 생성물은 더 작은 분자로 전환되거나(예를 들어, 평형에 의해) 결국 기공을 막아 촉매를 비활성화합니다. m-자일렌의 불균형이 가장 좋은 예입니다. 알킬화 생성물에서 1,3, 5-트리메틸벤젠은 거대 분자 1,3, 5-트리메틸벤젠보다 우선적으로 형성됩니다. 마찬가지로 자일렌의 이성질체화에서는 준 이성질체가 직교 이성질체보다 우선적으로 형성됩니다.
H-ZSM-5의 독특한 형태 선택성 특성 중 하나는 알킬화 및 알킬 방향족의 불균형과 같은 친수성 치환 반응에서 준선택성을 갖는다는 것입니다. 제올라이트의 산 활성을 조정하고 확산 파라미터를 제어함으로써 높은 준선택성을 얻을 수 있습니다.
결론
ZSM-5 제올라이트의 위와 같은 특성으로 인해 M 성형, 증류액 탈왁싱 및 윤활유 탈왁싱 공정과 같은 형상 선택적 크래킹을 포함한 다양한 산업 공정에 탁월한 촉매가 될 수 있습니다. M-2 형성, 사이클로라이제이션, 방향족화, 메탄올-가솔린(MTG) 전환과 같은 방향족화 공정은 자일렌 이성질체화, 톨루엔 불균형화, 에틸벤젠 합성 및 p-에틸 톨루엔의 선택적 변환뿐만 아니라 ZSM-5 제올라이트의 합성으로부터도 이점을 얻을 수 있습니다. ZSM-5 제올라이트가 많은 산업 분야에서 매우 가치 있는 소재라는 것은 의심의 여지가 없습니다.
참조
【1】. V. J. Frilette, P. B. Weisz, R. L. Golden., J. Catal. 1962, 1:301-306.
【2】. N. Y. Chen, W. E. Garwood., 화학의 진보, 1973, 121:575-582.
