ZSM-5

ZSM-5
ZSM-5 제올라이트의 분자 구조로, 제올라이트 내 모공과 채널이 잘 정의되어 있다. 노란색 공은 Si를, 빨간색 공은 O를 나타낸다.
조정 사면체를 보여주는 ZSM-5 제올라이트 구조.
MFI zeolite의 전자 마이크로그래프(오른쪽 아래 모서리에 구조 모델이 겹쳐 있음)[1]

ZSM-5, Zeolite Socony Mobil–5 (ZSM-5 (5)의 프레임 구조 타입 MFI)는 제올라이트 펜타실 계열에 속하는 알루미늄산염 제올라이트다. 화학식은 NaAlSiOnn96–n192·16이다.HO2 (0<27. 1975년 모빌오일컴퍼니가 특허를[2] 획득한 이산화 탄화수소 이질화 반응의 이종 촉매로 석유 산업에서 널리 사용되고 있다.

구조

ZSM-5의 펜타실 단위

ZSM-5는 산소 브리지로 연결된 몇 개의 펜타실 유닛으로 구성되어 펜타실 체인을 형성한다. 펜타실 단위는 8개의 5mb 링으로 구성되어 있다. 이 링에서 정점은 Al 또는 Si이고 O는 정점 사이에 결합되는 것으로 가정한다. 펜타실 체인은 산소 브리지에 의해 상호 연결되어 10-링 구멍이 있는 골판지를 형성한다. 펜타실 단위와 마찬가지로 각 10-링 구멍에는 정점으로서 Al 또는 Si가 있고, O는 각 정점 사이에 결합되는 것으로 가정한다. 각 골판지는 산소 브리지로 연결되어 "시트에 수직인 골판과 정현상 10-링 채널에 평행하게 흐르는 직선 10-링 채널"[3]로 구조를 형성한다. 시트의 인접 레이어는 반전 포인트와 관련이 있다. 파형과 평행하게 흐르는 채널의 추정 공극 크기는 5.4–5.6 å이다.[4] ZSM-5의 결정학적 단위 셀은 T 사이트 96개(Si 또는 Al), O 사이트 192개, Si/Al 비율에 따른 보정 계수가 12개에서 무한대까지 다양하다. 구조는 고온에서 직교옴빅(우주군 Pnma)이지만, 단핵 우주군 P21/n.1.13으로의 위상 전환은 300K에서 350K 사이에 위치한 전환 온도보다 낮은 냉각에서 발생한다.[5][6]

ZSM-5 촉매는 1969년 아르가워와 랜돌트가 처음 합성했다.[7] 그것은 10membed 링에 의해 정의된 채널을 가진 중간 모공 Zeolite이다. 그 합성은 세 가지 다른 해결책을 포함한다. 첫 번째 용액은 알루미나, 나트륨 이온, 수산화물 이온의 근원이다. 알루미나는 염기 과잉이 있는 곳에서 수용성 알(OH)4− 이온을 형성할 것이다. 두 번째 용액에는 템플리트의 역할을 하는 테트라프로필람모늄 양이 들어 있다. 세 번째 해결책은 제올라이트 골격 구조의 기본 구성 요소 중 하나인 실리카의 원천이다. 세 가지 용액을 혼합하면 과포화 테트라프로필람모늄 ZSM-5가 생성되는데, 이를 가열하여 재분할하고 고체를 생산할 수 있다.

발명의 배경

펜타실-졸라이트는 구조 유형에 의해 정의되며, 더 구체적으로 X선 회절 패턴에 의해 정의된다. ZSM-5는 펜타실-졸라이트(Pentasil-zolite)의 상명이다.

1967년 초에 Argauer와 Landolt는 특히− OH/SiO2 = 0.07–10, SiO2/AlO23 = 5–100, HO2/SiO2 = 1–240와 관련된 펜타실졸라이트 합성을 위한 파라미터를 개발했다.[7] 그러나 아르가워와 란돌트 시술은 테트라프로필렌암모늄 화합물 등 구조증대함수(즉, 템플릿함수)를 가진 유기 아민이 사용되었을 경우에만 합리적으로 순수한 위상 ZSM-5 제올라이트 합성에 성공했다. 후속 간행물들은 매우 비싸고 독성이 있으며 쉽게 인화되기 쉬운 유기 아민 템플릿을 요구하지 않고 펜타실-졸라이트 합성을 수행하는 방법을 공개했다. 여전히 그 이후의 다른 출판물들은 이 아민의 대체물을 공개했다. 이러한 아민은 비용, 독성, 가연성 외에도 열분해로 인해 제올라이트 구조를 파괴할 수 있기 때문에 바람직하지 않다. 추가 간행물들은 SiO와2 AlO23 시작 재료의 반응성을 향상시키기 위한 방향의 Argauer와 Landolt 공정의 수정 사항을 공개했다.

합성

ZSM-5는 합성 제올라이트로서 ZSM-11과 밀접한 관련이 있다.[citation needed] ZSM-5를 합성하는 방법에는 여러 가지가 있다. 일반적인 방법은 다음과 같다.[8]

실리카, 알루민산나트륨, 수산화나트륨, 그리고 브롬화 테트라프로필람모늄의 수용액이 적절한 비율로 결합되어 있다.
SiO2 + NaAlO2 + NaOH + N(CHCHCH223)4Br + HO2 → ZSM-5 + 항문 + 알파 쿼츠

ZSM-5는 일반적으로 테플론 코팅 오토클레이브에서 고온과 고압으로 제조되며, 다양한 비율의 SiO와2 Al을 함유하여 제조할 수 있다.

사용하다

ZSM-5는 실리콘 대 알루미늄 비율이 높다. Al3+ cation이 Si4+ cation을 대체할 때마다 재료의 전하중립성을 유지하기 위해 추가 양의 전하가 필요하다. 양성자(H+)를 양이온으로 하면 물질은 매우 산성이 된다. 따라서 산성도는 알 함량에 비례한다. 매우 규칙적인 3-D 구조와 ZSM-5의 산도는 탄화수소 이성질화, 탄화수소의 알킬화 등 산성 분석 반응에 활용할 수 있다. 그러한 반응 중 하나는 메타-자일렌과 파라-자일렌의 이성질화다. ZSM-5 제올라이트 내에서는 파라자일렌이 메타자일렌보다 확산계수가 훨씬 높다. ZSM-5의 모공 내에서 이성질화 반응이 일어나도록 허용되면 파라자일렌은 제올라이트 모공을 따라 매우 빠르게 확산될 수 있다. 이 크기 선택성은 이소체화 반응이 높은 수율에서 빠르게 일어날 수 있도록 한다.[9]

ZSM-5 촉매를 통과할 때 메타-자일렌과 파라-자일렌의 이소머라이징

ZSM-5는 카탈루냐의 지지 재료로 사용되어 왔다. 그러한 예에서 구리는 제올라이트 위에 침전되고 에탄올의 흐름은 증기 흐름으로 240~320℃의 온도에서 통과되어 에탄올이 아세트알데히드로 산화되게 하고, 에탄올에 의해 두 개의 수력발전소가 수소 가스로 손실된다. ZSM-5의 특정 모공 크기가 이 과정에 유익하며, 이는 다른 알코올과 산화에도 작용하는 것으로 보인다. 구리는 가끔 크롬과 같은 다른 금속과 결합하여 제품의 다양성과 특수성을 미세하게 조율하는데, 이는 둘 이상이 있을 가능성이 높기 때문이다. 아세트산은 뜨거운 구리 산화로부터 가능한 부산물의 한 예다.

ZSM-5는 알코올을 가솔린으로 직접 변환하는 데도 사용된다. 그러한 과정 중 하나는 Motanol to 가솔린(MTG) 과정으로 알려져 있으며, Mobil이 특허를 냈다. [10]

참조

  1. ^ Kumar, Prashant; Agrawal, Kumar Varoon; Tsapatsis, Michael; Mkhoyan, K. Andre (2015). "Quantification of thickness and wrinkling of exfoliated two-dimensional zeolite nanosheets". Nature Communications. 6: 7128. Bibcode:2015NatCo...6.7128K. doi:10.1038/ncomms8128. PMC 4432588. PMID 25958985.
  2. ^ 미국, 3702886, 로버트 J 아르가워 & 조지 R 랜돌트, "크리스탈린 제올라이트 zsm-5 및 같은 준비 방법"을 모빌에 부여했다.
  3. ^ Zeolites and Ordered Medopusic Materials: 진전과 전망. (2005) 제157권 에드: J. 체이카, H. 반 베쿰. ISBN 0-444-52066-X
  4. ^ Zeolite의 구조와 반응성의 모델링(1992) C.R.A. Catlow. Architective Press, Ltd.: 런던 ISBN 0-12-164140-6
  5. ^ Hay, D.G.; G. W. West (1985). "Examination of the monoclinic/orthorhombic transition in silicalite using XRD and silicon NMR". Journal of Physical Chemistry. 89 (7): 1070–1072. doi:10.1021/j100253a005.
  6. ^ Grau-Crespo, R; Acuay E; Ruiz-Salvador A.R. (2002). "A free energy minimisation study of the monoclinic–orthorhombic transition in MFI zeolite". Chemical Communications (21): 2544–2545. doi:10.1039/B208064H.
  7. ^ a b Argauer, Robert J and Landolt, George R(1972) "Crystaline zeolite zsm-5 및 같은 것을 준비하는 방법" 미국 특허 3,702,886
  8. ^ Lermer, H.; Draeger, M.; Steffen, J.; Unger, K.K. (1985). "Synthesis and structure refinement of ZSM—5 single crystals". Zeolites. 5 (3): 131–134. doi:10.1016/0144-2449(85)90019-3.
  9. ^ 다이어, 앨런 (1988) Zeolite Molecular Siebes 소개. 존 와일리 & 선즈. ISBN 0-471-9881-0
  10. ^ https://www.exxonmobilchemical.com/dfsmedia/f743208d804841f6ab89a60202cc3f56/3016-source?extension=pdf/options/download#:~:text=프로젝트 %20 운송%20 연료%20%20 기술%20 및 %20프로젝트, %20is 전통적%20%20가솔린%20%사실적%20%20%no20sulphur[데드링크]

외부 링크