ZSM-5

📅 آخر تحديث: ٢٨ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٨ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 4 صور
الموسوعة الحرة
صورة مجهرية إلكترونية وبنية ZSM-5. تمثل الكرات الزرقاء السيليكون وتمثل الكرات الحمراء الأكسجين.
بنية ZSM-5 التي توضح رباعيات السطوح التناسقية.

ZSM-5 ، أو زيوليت سوكوني موبيل-5 (من النوع MFI المشتق من ZSM - 5 ( خمسة ))، هو زيوليت ألومينوسيليكاتي ينتمي إلى عائلة البنتاسيل من الزيوليتات. صيغته الكيميائية هي Na <sub>n</sub> Al <sub>n</sub> Si <sub>96-n </sub> O <sub>192</sub> ·16H<sub> 2</sub> O (حيث 0 < n < 27). حصل على براءة اختراع من شركة موبيل أويل عام 1975، [ 1 ] ويُستخدم على نطاق واسع في صناعة البترول كعامل حفاز غير متجانس لتفاعلات أيزومرة الهيدروكربونات .

بناء

وحدة البنتاسيل في ZSM-5

يتكون ZSM-5 من عدة وحدات بنتاسيل مرتبطة ببعضها بواسطة جسور أكسجين لتشكيل سلاسل بنتاسيل. تتألف وحدة البنتاسيل من ثماني حلقات خماسية . في هذه الحلقات، تكون رؤوسها من الألومنيوم أو السيليكون ، ويُفترض وجود رابطة أكسجين بين كل رأس وآخر. تتصل سلاسل البنتاسيل فيما بينها بواسطة جسور أكسجين لتشكيل صفائح مموجة ذات ثقوب مكونة من عشر حلقات. وكما هو الحال في وحدات البنتاسيل، تحتوي كل ثقبة من عشر حلقات على الألومنيوم أو السيليكون كرؤوس، ويُفترض وجود رابطة أكسجين بين كل رأس وآخر. تتصل كل صفيحة مموجة بواسطة جسور أكسجين لتشكيل بنية ذات "قنوات مستقيمة مكونة من عشر حلقات موازية للتموجات، وقنوات جيبية مكونة من عشر حلقات عمودية على الصفائح". [ 2 ] ترتبط الطبقات المتجاورة من الصفائح بنقطة انعكاس. يُقدر حجم المسام في القناة الموازية للتموجات بـ 5.4-5.6 أنغستروم. [ 3 ] تحتوي الخلية البلورية الأساسية لـ ZSM-5 على 96 موقعًا من نوع T (سيليكون أو ألومنيوم)، و192 موقعًا من نوع O، وعدد من الكاتيونات المعوضة يعتمد على نسبة السيليكون إلى الألومنيوم، والتي تتراوح من 12 إلى ما لا نهاية. يكون التركيب معينيًا قائمًا (المجموعة الفراغية Pnma) عند درجات الحرارة العالية، ولكن يحدث تحول طوري إلى المجموعة الفراغية أحادية الميل P2 1 /n.1.13 عند التبريد إلى ما دون درجة حرارة التحول، والتي تقع بين 300 و350 كلفن. [ 4 ] [ 5 ]

تمّ تصنيع محفز ZSM-5 لأول مرة على يد روبرت أرجاور وجورج لاندولت عام 1969. [ 1 ] وهو زوليت متوسط ​​المسام ذو قنوات محددة بحلقات عشرية. تتضمن عملية التصنيع ثلاثة محاليل مختلفة. المحلول الأول هو مصدر الألومينا وأيونات الصوديوم وأيونات الهيدروكسيد؛ في وجود فائض من القاعدة، تُشكّل الألومينا أيونات Al(OH) ₄⁻ قابلة للذوبان . يحتوي المحلول الثاني على كاتيون رباعي بروبيل الأمونيوم الذي يعمل كعامل قالب. أما المحلول الثالث فهو مصدر السيليكا، وهي إحدى اللبنات الأساسية لبنية هيكل الزوليت. ينتج عن مزج المحاليل الثلاثة ZSM-5 فائق التشبع برباعي بروبيل الأمونيوم، والذي يمكن تسخينه لإعادة التبلور وإنتاج مادة صلبة.

خلفية الاختراع

تُعرَّف زِيوليتات البنتاسيل بنوع بنيتها، وتحديدًا بأنماط حيود الأشعة السينية الخاصة بها . ZSM-5 هو الاسم التجاري لزيوليت البنتاسيل.

في وقت مبكر من عام 1967، وضع أرغاور ولاندولت معايير لتخليق بنتاسيل زيوليت، لا سيما تلك المتعلقة بالنسب المولية التالية: OH⁻ / SiO₂ = 0.07–10، SiO₂ / Al₂O₃ = 5–100، H₂O / SiO₂ = 1–240. [ 1 ] مع ذلك، لم تنجح طريقة أرغاور ولاندولت في تخليق زيوليت ZSM-5 ذي طور نقي نسبيًا إلا باستخدام أمينات عضوية ذات وظيفة مُعطية للبنية (أي وظيفة قالب)، مثل مركبات رباعي بروبيلين الأمونيوم. وكشفت منشورات لاحقة عن طرق لإجراء تخليق بنتاسيل زيوليت دون الحاجة إلى قوالب الأمينات العضوية باهظة الثمن والسامة وسريعة الاشتعال. كما كشفت منشورات لاحقة أخرى عن بدائل لهذه الأمينات. إضافةً إلى تكلفتها العالية، وسميتها، وقابليتها للاشتعال، تُعتبر هذه الأمينات غير مرغوبة لأنها عرضة للتحلل الحراري الذي قد يُدمر بنية الزيوليت. وقد كشفت منشورات أخرى عن تعديلات على عملية أرجاور ولاندولت تهدف إلى تحسين تفاعلية المواد الأولية SiO₂ و Al₂O₃ .

توليف

ZSM-5 هو زوليت اصطناعي، يرتبط ارتباطًا وثيقًا بـ ZSM-11. [ 6 ] هناك العديد من الطرق لتصنيع ZSM-5؛ إحدى الطرق الشائعة هي كما يلي: [ 7 ]

يتم خلط محلول مائي من السيليكا ، وألومينات الصوديوم ، وهيدروكسيد الصوديوم ، وبروميد رباعي بروبيل الأمونيوم بنسب مناسبة:
SiO 2 + NaAlO 2 + NaOH + N(CH 2 CH 2 CH 3 ) 4 Br + H 2 O → ZSM-5 + أنالسيم + كوارتز ألفا

يتم تحضير ZSM-5 عادةً في درجة حرارة عالية وضغط عالٍ في جهاز أوتوكلاف مطلي بالتفلون ويمكن تحضيره باستخدام نسب متفاوتة من SiO2 ومركبات تحتوي على الألومنيوم.

الاستخدامات

يتميز ZSM-5 بنسبة عالية من السيليكون إلى الألومنيوم. فعندما يحل كاتيون Al³⁺ محل كاتيون Si⁴⁺ ، يلزم شحنة موجبة إضافية للحفاظ على تعادل شحنة المادة. ومع وجود البروتون (H⁺ ) ككاتيون، تصبح المادة شديدة الحموضة . وبالتالي، تتناسب الحموضة طرديًا مع محتوى الألومنيوم. يمكن الاستفادة من البنية ثلاثية الأبعاد المنتظمة للغاية وحموضة ZSM-5 في التفاعلات المحفزة حمضيًا ، مثل تفاعلات أيزومرة الهيدروكربونات وألكلة الهيدروكربونات . ومن هذه التفاعلات أيزومرة ميتا-زيلين إلى بارا-زيلين . داخل مسام زوليت ZSM-5، يتمتع بارا-زيلين بمعامل انتشار أعلى بكثير من ميتا-زيلين. وعندما يُسمح لتفاعل الأيزومرة بالحدوث داخل مسام ZSM-5، يتمكن بارا-زيلين من الانتقال عبر مسام الزوليت، وينتشر خارج المحفز بسرعة كبيرة. تسمح هذه الانتقائية الحجمية بحدوث تفاعل التماثل بسرعة وبمردود عالٍ. [ 8 ]

تحويل الميتا-زيلين إلى بارا-زيلين عند مروره عبر محفز ZSM-5.

استُخدم الزيوليت ZSM-5 كمادة داعمة في عمليات التحفيز. في أحد الأمثلة، يُرسب النحاس على الزيوليت، ويُمرر تيار من الإيثانول  على شكل بخار عند درجات حرارة تتراوح بين 240 و320 درجة مئوية، مما يؤدي إلى أكسدة الإيثانول إلى أسيتالدهيد ؛ حيث يفقد الإيثانول ذرتي هيدروجين على شكل غاز الهيدروجين. ويبدو أن حجم المسام المحدد للزيوليت ZSM-5 يُفيد هذه العملية، التي تُستخدم أيضًا مع كحولات أخرى وعمليات أكسدة. يُدمج النحاس أحيانًا مع معادن أخرى، مثل الكروم، لتحسين تنوع المنتجات وخصوصيتها، إذ من المحتمل وجود أكثر من منتج واحد. ويُعد حمض الأسيتيك مثالًا على أحد المنتجات الثانوية المحتملة لأكسدة النحاس الساخن.

يُستخدم ZSM-5 أيضًا لتحويل الكحولات مباشرة إلى بنزين. إحدى هذه العمليات تُعرف باسم عملية تحويل الميثانول إلى بنزين (MTG)، وهي عملية مسجلة ببراءة اختراع لشركة موبيل. [ 9 ]

مراجع

  1. 1 2 3 أرغاور، روبرت جيه ولاندولت، جورج آر (1972) "زيوليت بلوري ZSM-5 وطريقة تحضيره" براءة اختراع أمريكية رقم 3,702,886
  2. ↑ الزيوليتات والمواد المسامية المتوسطة المرتبة: التقدم والآفاق . (2005) المجلد 157. المحرر: ج. تشيكا، هـ. فان بيكوم . ISBN 0-444-52066-X
  3. ↑ نمذجة البنية والتفاعلية في الزيوليت (1992). المحرر: سي آر إيه كاتلو. دار النشر الأكاديمية المحدودة: لندن. ISBN 0-12-164140-6
  4. ↑ هاي، دي جي؛ جي دبليو ويست (1985). "دراسة التحول من أحادي الميل إلى المعيني القائم في السيليكاليت باستخدام حيود الأشعة السينية والرنين المغناطيسي النووي للسيليكون". مجلة الكيمياء الفيزيائية . 89 (7): 1070-1072 . doi : 10.1021/j100253a005 .
  5. ↑ غراو-كريسبو، ر؛ أكواي إي؛ رويز-سلفادور إيه آر (2002). "دراسة تقليل الطاقة الحرة للانتقال من أحادي الميل إلى المعيني القائم في زوليت MFI". اتصالات كيميائية (21): 2544-2545 . doi : 10.1039/B208064H .
  6. ↑ كوكوتايلو، جي تي؛ تشو، بي؛ لوتون، إس إل؛ ماير، دبليو إم (سبتمبر 1978). "تخليق وبنية الزيوليت الاصطناعي ZSM-11" . مجلة نيتشر . 275 (5676): 119-120 . Bibcode : 1978Natur.275..119K . doi : 10.1038/275119a0 . ISSN 1476-4687 . S2CID 4169801 .  
  7. ↑ ليرمر، هـ.؛ درايجر، م.؛ ستيفن، ج.؛ أونغر، ك.ك. (1985). "تخليق وتحسين بنية بلورات ZSM-5 الأحادية". الزيوليت . 5 (3): 131-134 . doi : 10.1016/0144-2449(85)90019-3 .
  8. ↑ داير، آلان (1988). مقدمة في المناخل الجزيئية الزيوليتية . جون وايلي وأولاده. ISBN 0-471-91981-0
  9. ↑ "نسخة مؤرشفة" . مؤرشفة من الأصل بتاريخ 29-09-2020 . تم الاطلاع عليها بتاريخ 02-06-2022 .{{cite web}}: CS1 maint: archived copy as title ( link )