Geliştirilmiş Katalizör, Petrokimyasal Üretim Kazanımlarına Dönüşebilir
Aromatikler, PET şişelerden, kırışmaya dayanıklı nefes alabilen polyester giysilere kadarki tüm polimerlerin veya plastiklerin ana yapı taşlarıdır. Bu petrokimyasallar enerji endüstrisinin özelleşmiş, katma değerli bir sektörünü oluşturmaktadır. Ham
petrolün türev kullanım için yararlı aromatik akışlara rafine edilmesi süreci genellikle kimyasal reaksiyonları kolaylaştırmak için bir katalizör kullanımını içerir.
Çeşitli katalizör türleri arasında, alkilasyon ve izomerizasyonda kimyasalların yükseltilmesinde verimli bir şekilde kullanılan benzersiz bir sentetik zeolit olan ZSM-5 gibi zeolitler -gözenekli alüminosilikatlar- bulunmaktadır.
Petrokimya üreticileri, emtia piyasalarındaki dalgalanmalara karşı koymak ve ortalama bir insana rekabetçi bir son ürün sunmak için sürekli olarak genel giderleri en aza indirmeye çalışmaktadır.
Houston Üniversitesi Cullen Mühendislik Fakültesi’nde Abraham E. Dukler kürsüsü Profesörü
Jeffrey Rimer ve Alicante Üniversitesi’nde inorganik kimya profesörü Javier Garcia-Martinez, sentez sürecini basitleştiren ve zeolitlerin kendiliğinden yığılmasıyla sonuçlanan bir tohumlama yöntemini ortaya çıkardılar.
Çalışma Advanced Materials yayınında yayımlandı. Süreç, zeolitte daha fazla alüminyum konsantresi ve daha az karbon birikimi ile kimyasal reaksiyonları kolaylaştırmak için benzersiz bir kristal yapı ile sonuçlanır.
Martinez, “Bu yeni teknik, daha kalın ve iyi şekillendirilmiş tabakalar üretme avantajına sahiptir; bu da son derece kararlı malzemeler üretmek için önemlidir, bu endüstriyel olarak ilgili uygulamaların çoğunda önemli bir özelliktir” dedi.
Rimer’e göre, “Bu hiyerarşik katalizörler, 4 kat daha düşük deaktivasyon oranları, aktivitede beş kat artış ve seçicilikte yaklaşık iki kat artış ile katalizör performansında benzeri görülmemiş bir gelişme gösteriyor.”
Endüstride, petrokimya üreticileri genellikle her iki yılda bir katalizörü yenilemek ya da tamamen değiştirmek için bakıma almak zorundadır. ABD’de ilk çeyreğin sonları ile ikinci çeyreğin başlarında genellikle birçok rafineri bu amaçla iki hafta ila iki aylık bir bakım dönemine girer.
Bu süre zarfında üretim ve kâr kaybı yaşanmaktadır ve bu geliştirilmiş hiyerarşik zeolit katalizörler bakım sürelerini tamamen sona erdirmeyecek olsa da, daha küçük ancak kararlı 30-60 nanometre boyutları, ticari ZSM-5 ile karşılaştırılabilir şekilde kataliz için alüminyum aktif bölgeler sağlamaktadır.
Bununla birlikte, küçük boyutları aynı anda seçiciliği artırır ve karbon birikimini azaltır. Bu, maliyetli geri dönüşler arasında daha uzun sürelere ve artan verime işaret etmektedir.
Bu çalışmanın sonuçları, zeolit çekirdeklenmesinin (bir kristalin ilk gözlemi) daha iyi anlaşılmasına kadar uzanmakta ve maliyetli organik yapı yönlendirici maddeler (OSDA) olmadan sütunlu zeolitlerin oluşturulması için yeni bir sürece işaret etmektedir. Hiyerarşik
(sütunlu) yapılara sahip zeolitler daha önce sadece bu benzersiz yapıları oluşturmak için şablon olarak çalışan OSDA’lar ile hazırlanmıştır.
Rimer, “Şimdiye kadar, OSDA’ların sütunlu zeolitlerin sentezi için kritik öneme sahip olduğuna ve ince ara bağlantı nanosheet’lerinin oluşumunu kolaylaştırmak için şablon görevi gördüğüne inanılıyordu” dedi. “Ancak bu tohumlama işleminde gözlemlediğimiz gibi,
bu 30-60 nanometre nanosheets amorf malzemeden ortaya çıktı ve herhangi bir şablon olmadan sütunlar oluşturdu.”
Martinez, “Bu katalizörleri üretmek için yapılan önceki girişimler pahalı organik maddeler gerektiriyordu ve tipik olarak düşük verim elde ediliyordu, bu da ticari uygulamalarını büyük ölçüde sınırlıyordu” dedi.
Tohumlamanın, Friedel-Craft alkilasyonunda ve metanolden hidrokarbon reaksiyonlarına katalitik performansı iyileştiren sütunlu zeolitlerin sentezlenmesinde etkili olduğu kanıtlandı. Bu sentez yaklaşımı, OSDA’ları kullanmanın tipik enerji yoğun sürecini atlamaktadır.
Daha önce ticari olarak kullanılabilecek zeolitlerin oluşturulması için gerekli olduğu düşünülen organik maddeler artık gerekli değildir. Bu proje için sonraki adımlar, bu geliştirilmiş zeolit katalizörünün performansını endüstri ölçeğinde kopyalayıp
kopyalayamayacağını göstermek için süreci ölçeklendirmeyi içerir.
Bu araştırma aynı zamanda, ticari uygulamalarda benzersiz yapılara ve olağanüstü performansa sahip diğer zeolitleri üretmek için tohumlamanın etkilerini daha fazla araştırmak için bir sıçrama tahtası işlevi görmektedir.
Kaynak
More information: Rishabh Jain et al, Spontaneous Pillaring of Pentasil Zeolites, Advanced Materials (2021). DOI: 10.1002/ adma.202100897 / Journal information: Advanced Materials / Provided by University of Houston
