Aplicação da zeólita ZSM-5
Introdução da Zeólita ZSM-5
O ZSM-5, Zeolite Socony Mobil #5, é um catalisador fabricado pela primeira vez por Argauer e Landolt em 1969 e patenteado pela Mobil Oil Company em 1975. É um zeolito de aluminossilicato que pertence à família dos zeolitos pentasil. A sua fórmula química é NanAlnSi96-nO192-16H2O (0
O ZSM-5 é um catalisador importante, pelo que apresenta um elevado desempenho catalítico e é amplamente aplicado em processos importantes numa vasta gama de indústrias. Na indústria de refinação de petróleo, o ZSM-5 é utilizado para isomerização, alquilação e aromatização de hidrocarbonetos devido à sua elevada estabilidade térmica e hidrotérmica entre os catalisadores de ácidos sólidos. E o hidrocraqueamento e a hidroisomerização podem fornecer uma ampla gama de produtos químicos de alta qualidade, incluindo gasolina, diesel e gasolina. Em suma, o elevado desempenho deste zeólito torna-o um material verdadeiramente indispensável em muitas indústrias.
A estrutura molecular do zeólito ZSM-5
Síntese do zeólito ZSM-5
Existem muitos métodos de síntese para a peneira molecular de zeólito ZSM-5, e as matérias-primas e proporções também são diferentes. O método de síntese mais comum é o método de síntese hidrotérmica. A matéria-prima é um composto que contém silício e alumínio, e o rácio pode ser sintetizado a partir de um rácio baixo de silício e alumínio até ao silício total. Na produção industrial, as matérias-primas utilizam geralmente vidro de água e sulfato de alumínio como fonte de silício e fonte de alumínio para a produção, e o processo adopta o método de sementeira de cristais ou o método dirigido por modelos. De acordo com o ambiente de cristalização, divide-se em síntese de sistema hidrotérmico e sistema não hidrotérmico; de acordo com o tipo de agente modelo, divide-se em síntese de amina orgânica e sistema de amina inorgânica. Embora as fontes de silício, as fontes de alumínio, os modelos, etc. utilizados nestes métodos de síntese não sejam os mesmos, a síntese utiliza o rearranjo estrutural do silício e do alumínio para formar a formação de cristais ZSM-5.
Aplicações da zeólita ZSM-5
O arranjo da estrutura cristalina, a uniformidade do tamanho do canal e a acidez determinaram as características do ZSM-5.
tem poros de tamanho uniforme, o que é vantajoso quando as moléculas maiores do que o tamanho de um canal não se podem formar no zeólito, exceto, por vezes, nas intersecções. O tamanho dos poros do zeólito ZSM-5 também é particularmente adequado para a formação de alcenos C7 e C8 e sua ciclização nos compostos aromáticos correspondentes. Esta propriedade única do ZSM-5 limita a formação de compostos aromáticos dicíclicos e tricíclicos como precursores de coque
A propriedade especial - seletividade de forma - torna o zeólito comercial particularmente adequado. O termo "seletividade de forma" foi cunhado por Weisz e Frilette em 1960 para descrever as propriedades catalíticas únicas das peneiras moleculares com poros.
【1】 Não foi até mais tarde que a disponibilidade do zeólito de poro médio sintético 6A estendeu a gama de seletividade de forma. Em última análise, é a homogeneidade e o tamanho moderado dos poros do ZSM-5, bem como a possibilidade de formar moléculas de produto, que tornam os zeólitos da família Pentasil adequados para a catálise seletiva de forma. A zeólita ZSM-5 distingue-se da maioria das outras peneiras moleculares pelo facto de a sua seletividade de forma ter uma gama dinâmica muito ampla.
【2】 Em geral, a seletividade de forma pode ser dividida nas seguintes categorias: (1) seletividade de reagente, (2) seletividade de estado de transição restrita e (3) seletividade de produto.
(1) Seletividade do reagente
A seletividade do reagente significa que apenas um determinado tipo de molécula reagente (de tamanho pequeno em comparação com outras moléculas) se difunde através do orifício do catalisador. Por exemplo, o processo de desparafinagem de destilados da Mobil é um processo de seleção da forma do reagente, no qual apenas a parafina reta ou ligeiramente ramificada presente no destilado pode entrar no poço de ZSM-5, onde é quebrada em produtos mais leves. Isto resulta num produto menos "ceroso" com um ponto de fluidez mais baixo.
(2) Seletividade restrita do estado de transição
Isto ocorre quando as moléculas do reagente e do produto são suficientemente pequenas para se difundirem através do canal, mas o intermediário da reação é maior do que o reagente ou o produto e está sujeito a restrições especiais. Nestas condições, são preferidos os estados de transição monomoleculares em vez dos bimoleculares. O exemplo mais importante da limitação da seletividade do estado de transição é a ausência de cozedura precoce dos zeólitos ZSM-5. Esta seletividade de forma desempenha um papel central no craqueamento seletivo dos alcanos nos zeólitos ZSM-5. Por exemplo, a tensão espacial do maior complexo de estado de transição necessário para o craqueamento do 3-metil pentano em ZSM-5 é a razão proposta para a sua menor atividade do que o n-hexano. A conversão de metanol em gasolina (MTG) é outro exemplo importante da seletividade da forma do estado de transição, em que o espaço disponível na cavidade do ZSM-5 determina o complexo de reação bimolecular máximo que pode ser formado.
(3) Seletividade do produto
Isto ocorre quando uma parte do produto formado no orifício é demasiado grande para se difundir e aparecer como o produto observado. Estes produtos são convertidos em moléculas mais pequenas (por equilíbrio, por exemplo) ou acabam por desativar o catalisador, bloqueando os poros. A desproporção do m-xileno é o melhor exemplo. Nos produtos de alquilação, o 1,3, 5-trimetilbenzeno forma-se preferencialmente em relação às macromoléculas 1,3, 5-trimetilbenzeno. Da mesma forma, na isomerização do xileno, os isómeros para são formados preferencialmente aos isómeros orto.
Uma das características únicas de seletividade de forma do H-ZSM-5 é a sua para-seletividade em reacções de substituição electrofílica, como a alquilação e a desproporção de alquil aromáticos. Ajustando a atividade ácida do zeólito e controlando os parâmetros de difusão, é possível obter uma elevada para-seletividade.
Conclusão
As propriedades acima mencionadas do zeólito ZSM-5 fazem dele um excelente catalisador para uma variedade de processos industriais, incluindo o craqueamento seletivo da forma, como a formação de M, a desparafinagem de destilados e os processos de desparafinagem de lubrificantes. Os processos de aromatização, como a formação de M-2, a ciclização, a aromatização e a conversão de metanol em gasolina (MTG), também beneficiam da síntese do zeólito ZSM-5, bem como da isomerização do xileno, da desproporção do tolueno, da síntese do etilbenzeno e da transformação selectiva do p-etil tolueno. Não há dúvida de que o zeólito ZSM-5 é um material muito valioso em muitas indústrias.
Referências
【1】. V. J. Frilette, P. B. Weisz, R. L. Golden, J. Catal. 1962, 1:301-306.
【2】. N. Y. Chen, W. E. Garwood, Avanços em Química, 1973, 121:575-582.
