ZSM-5沸石是美國Mobile oil公司於上個世紀六十年代末合成出來的一種含有機胺陽離子的新型沸石分子篩。由於它在化學組成、晶體結構及物化性質方面具有許多獨特性,因此在很多有機催化反應中顯示出了優異的催化效能,在工業上得到了越來越廣泛的套用,成為石油化工的一種頗有前途的新型催化劑。
基本介紹
- 中文名：ZSM-5分子篩
- 套用：柴油臨氫降凝催化劑
- 益處：增加氣體的烯烴含量
- 分子篩：ZSM-5
定義,結構,分子篩特性,熱穩定性,耐酸性,水蒸汽穩定性,憎水性,不易積炭,優異,吸附量,
定義
ZSM-5分子篩在國內已有廣泛的用途，主要套用在柴油臨氫降凝催化劑，固定床催化裂化催化劑，流動床催化裂化反應上FCC的催化劑添加ZSM-5分子篩對提高汽油辛烷值，增加氣體的烯烴含量有很大益處，國內外FCC催化劑添加的ZSM-5分子篩是ZSM-5分子篩用途最多的一項，並主要集中在SiO2/Al2O3（二氧化矽與三氧化二鋁的摩爾比）在40-50之間。國內FCC的助劑降低汽油的烯烴上的套用較廣，在這方面的套用SiO2/Al2O3在38-40之間，另外國內外的渣油催化裂化上採用SiO2/Al2O3在25-30的範圍內的分子篩。此外ZSM-5分子篩在化工上廣泛的套用於擇形催化，如對二乙苯催化劑，二甲苯異構化催化劑；另外在環保方面對水中有機物的提取採用高矽ZSM-5分子篩，SiO2/Al2O3在220-400之間。用水玻璃和硫酸鋁直接合成的ZSM-5分子篩，該產品用於低烴烷基化，異構化，芳構化，脫臘降凝的催化劑的母體，同國外用有機胺合成的ZSM-5相比，工藝簡單，質量穩定，無污染，成本低，水熱穩定性高。
結構
ZSM-5沸石的化學組成可用氧化物的摩爾比表示為：0.9±0.2M2/nO:Al2O3:5---100SiO2:ZH2O，式中M是陽離子（鹼金屬鈉離子和有機胺離子）；n是陽離子的價數；Z是從0到40。
ZSM-5沸石具有很高的矽鋁比,根據需要可合成出不同矽鋁比的分子篩而且可以在10至3000 以上的廣闊範圍內變化。
ZSM-5沸石含有十元環,基本結構單元是由八個五元環組成的。其晶體結構屬於斜方晶系,空間群Pnma，晶格常數a=20.1Å，b=19.9Å，c=13.4Å。它具有特殊的結構沒有A型、X型和Y型沸石那樣的籠,其孔道就是它的空腔。骨架由兩種交叉的孔道系統組成,直筒形孔道是橢圓形,長軸為5.7～5.8 Å，短軸為5.1～5.2 Å；另一種是“Z”字形橫向孔道,截面接近圓形,孔徑為5.4±0.2Å。屬於中孔沸石。“Z”字形通道的折角為110度。鈉離子位於十元環孔道對稱面上。其陰離子骨架密度約為1.79克/厘米3。因此ZSM-5沸石的晶體結構非常穩定。
相對結晶度：Na型 > 85% H型 > 95%
孔徑：5A
骨架密度：1.81（異辛烷測定）
熱穩定性：1200℃分子篩可保持結構
水熱穩定性：700℃水蒸氣處理，分子篩可保持結構
分子篩特性
熱穩定性
ZSM-5沸石的熱穩定性很高。這是由骨架中有結構穩定的五元環和高矽鋁比所造成。比如,將試樣在850℃左右焙燒2小時後,其晶體結構不變。甚至可經受1100℃的高溫。到目前為止，ZSM-5是已知沸石中熱溫定性最高者之一。所以將它用於高溫過程是特別適宜的。例如用它作為烴類裂解催化劑，可經受住再生催化劑時的高溫。
耐酸性
ZSM-5沸石具有良好的耐酸性，它能耐除氫氟酸以外的各種酸。
水蒸汽穩定性
Wang，IKai等的研究表明，當其他沸石受到水蒸汽和熱時，它們的結構一般被破壞，導致不可逆失活。而Mobil公司用ZSM-5作為甲醇轉化（水是主要產品之一）的催化劑。這表明ZSM-5對水蒸汽有良好的穩定性。540℃下用分壓為22mmHg柱的水蒸汽處理HZSM-5和HY沸石24小時後，HZSM-5的結晶度約為新鮮催化劑的70%，可是在同樣條件下，HY沸石的骨架幾乎全部被破壞。
憎水性
ZSM-5具有高矽鋁比，其表面電荷密度較小。而水是極性較強的分子，所以不易為ZSM-5所吸附。儘管水分子的直徑小於正己烷，但ZSM-5對正己烷的吸附量一般大於水。
不易積炭
ZSM-5孔口的有效形伏、大小及孔道的彎曲，阻止了龐大的縮合物的形成和積累。同時，ZSM-5骨架中無大於孔道的空腔（籠）存在，所以限制了來自副反應的大縮合分子的形成。從而使ZSM-5催化劑積炭的可能性減少。ZSM-5對烷基芳烴進入孔道形成障礙，因而反應過程中它不能在較小的孔道中繼續反應，最後縮聚形成焦。所以ZSM-5比Y型及絲光沸石的積炭速率慢得多，幾乎相差兩個數量級。ZSM-5沸石的容炭量也較高。
優異
以沸石分子篩作為催化劑，只有比晶孔小的分子可以出入催化反應的進行受著沸石晶孔大小的控制，沸石催化劑對反應物和產物分子的大小和形狀表現出極大的選擇性。ZSM-5沸石十元環構成的孔道體系具有中等大小孔口直徑，使它具有很好的擇形選擇性。
吸附量
吸附量 | 正已烷 | 環已烷 | 水 |
SiO2/Al2O3=38 | 9.5-10.5% | 1.9-2.3% | 9.0-10.0% |
SiO2/Al2O3=50 | 9.0-10.0% | 1.5-2.0% | 7.0-8.0% |
SiO2/Al2O3=25 | 9.5-10.5% | 2.05-2.5% | 11.0-12.0% |
