THÔNG TIN CHI TIẾT
Ứng dụng của Zeolite
Những năm gần đây, các vật liệu rây phân tử ngày càng đóng vai trò quan trọng trong xúc tác công nghiệp, đặc biệt là Zeolit. Nó càng ngày càng thay thế vị trí các loại xúc tác trước đây, vì thế đã thu hút được sự chú ý của nhiều nhà khoa học trên thế giới.
Zeolit là một loại vô cơ được tìm thấy trong tự nhiên (khoảng 40 cấu trúc zeolit khác nhau và một số được tổng hợp từ nhiều nguyên liệu khác nhau như đi từ Si, Al riêng lẻ, cao lanh (200 loại zeolit tổng hợp) chúng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khoa học cũng như công nghiệp với vai trò chính là chất xúc tác, chất hấp phụ và trao đổi ion. Chúng còn được sử dụng để tách và làm sạch khí, tách ion phóng xạ từ các chất thải phóng xạ và đặc biệt là xúc tác cho nhiều quá trình chuyển hoá hydrocacbon. Chính nhờ những đặc tính nổi trội của nó so với các loại xúc tác khác như: bề mặt riêng lớn, có thể điều chỉnh được lực axit và nồng độ tâm axit, cấu trúc tinh thể xốp với kích thước mao quản đồng đều phù hợp với nhiều loại phân tử có kích cỡ từ 5Ao - 12Ao và khả năng biến tính tốt. Do đó Zeolit được đánh giá là loại xúc tác có độ bền, hoạt tính và chọn lọc cao.
Việc tìm ra Zeolit tự nhiên và tổng hợp được chúng đã tạo nên bước ngoặt lớn trong công nghiệp hoá học, đặc biệt trong ngành dầu khí. Sự ứng dụng Zeolit làm tăng cả về số lượng và chất lượng của sản phẩm dầu khí. Nó được sử dụng trong hầu hết các công đoạn quan trọng như:
- Cracking
- Oligome hoá
- Alkyl hoá
- Thơm hoá các alkan, alken
- Izome hóa
Hiện nay, Zeolit chiếm khoảng 95% tổng lượng xúc tác trong lọc và hoá dầu, có nhiều ứng dụng trong công nghiệp, trong đời sống: làm các chất xúc tác, trao đổi ion, chất hấp phụ...
Zeolit là nhôm silicat có cấu trúc tinh thể xác định, có các lỗ xốp với kích thước nano đều đặn. Trong tinh thể zeolit, các tứ diện SiO4 và AlO4 liên kết với nhau qua nguyên tử oxy. Không gian bên trong tinh thể gồm các hốc nhỏ được nối với nhau bằng các đường rãnh có kích thước ổn định. Nhờ hệ thống lỗ xốp và các đường rãnh mà zeolit có thể hấp phụ những phân tử có kích thước nhỏ hơn kích thước lỗ và đẩy ra những phân tử có kích thước lớn hơn.
Giả sử nếu zeolit chỉ thuần có SiO4 thì nó kị nước và mạng tinh thể của nó sẽ trung hòa về điện tích. Tuy nhiên do zeolit được tạo thành khi nhôm thay thế một số nguyên tử silic trong mạng lưới tinh thể của SiO4 kết tinh, nên mạng lưới tinh thể zeolit mang điện tích âm. để đảm bảo tính trung hòa về điện tích, zeolit cần có các ion dương (cation) để bù trừ điện tích âm dư. Trong thiên nhiên hay ở dạng tổng hợp ban đầu những cation đó thường là cation kim loại kiềm (Na+, K+...) hay kiềm thổ (Mg2+, Ca2+...). Những cation này nằm ngoài mạng lưới tinh thể zeolit và dễ dàng tham gia vào các quá trình trao đổi ion với các cation khác. Chính nhờ đặc tính đó mà người ta có thể biến tính zeolit và đem đến cho nó những tính chất và ứng dụng mới trong các quá trình hấp phụ và xúc tác.
Dưới đây chúng tôi xin giới thiệu một số kết quả mới trong lĩnh vực nghiên cứu về zeolit:
- Thông thường người ta điều chế zeolit nhân tạo từ gel được đun trong autoclav chứa các hợp chất nhôm, silic; một loại dung môi; chất khoáng hóa và một tác nhân định hình cấu trúc (SDA). Tính chất của gel, các điều kiện phản ứng và kích thước của tác nhân SDA là những yếu tố quan trọng giúp zeolit có được những kích thước lỗ xốp (đặc biệt là loại lỗ vi xốp) mà người ta mong muốn. Trước đây các nhà khoa học chỉ dựa trên cơ sở thực nghiệm để điều chế zeolit nhân tạo với các kích thước lỗ xốp theo yêu cầu. Ngày nay dựa trên các thành tựu mới của khoa học kỹ thuật người ta đã thiết kế và tổng hợp được các tác nhân SDA mới, nhờ đó tạo ra nhiều cấu trúc tinh thể zeolit mới với các tính chất ưu việt. Các SDA với kích thước lớn có giá thành khá đắt. đặc biệt, nó lại bị đốt cháy trong quá trình nung để tạo ra các lỗ xốp mở, vì vậy giá thành sản xuất zeolit bị tăng cao. để tránh nhược điểm này người ta đã điều chế một số loại SDA chứa xetal, sau khi làm xong việc định hình các lỗ xốp zeolit, nó có thể được tách ra nhờ trao đổi ion và được tái sinh để sử dụng lại.
- Người ta đã phát hiện ra một loại zeolit mới, đó là nhôm photphat (AlPO4). Loại zeolit này khi được thế bởi nhóm thế khác hóa trị sẽ có tính axit và làm xúc tác cho phản ứng oxy hóa - khử.
- Việc thế kim loại vào zeolit sẽ làm cho nó có một số tính chất mới. Thí dụ: khi thế kim loại thiếc (Sn) vào zeolit sẽ tạo ra zeolit b có thể làm xúc tác cho phản ứng oxy hóa xeton thành este và lacton.
- Khi thế mangan hoặc coban vào zeolit nhôm photphat sẽ tạo ra loại zeolit có lỗ xốp nhỏ và có khả năng oxy hóa chọn lọc các nguyên tử cacbon cuối của alcan (CnH2n+2).
- Người ta đã tổng hợp được titansilicat mà kích thước lỗ xốp của nó được thay đổi tùy theo sự điều chỉnh nhiệt độ nung. Titansilicat được sử dụng như một loại rây phân tử để tách một số hỗn hợp khí quan trọng.
- Scanđi (Sc) có tính chất gần như nhôm nhưng vì trước đây có giá đắt nên người ta khó áp dụng trong các nghiên cứu về zeolit. Tuy nhiên, hiện nay do giá scanđi hạ nên việc này có thuận lợi hơn. Người ta đã điều chế được scanđisilicat có cấu trúc rất giống với cấu trúc của zeolit ZSM - 5 với nhiều tính chất đặc biệt.
Ngày nay các zeolit nhân tạo đang được áp dụng ngày càng rộng rãi. Một số loại zeolit có những tính chất rất độc đáo (ví dụ: khi làm nóng lên nó sẽ co lại...) sẽ là đối tượng nghiên cứu của các nhà khoa học để tìm ra các ứng dụng mới (điều chỉnh độ dài sóng của tia laser, chế tạo các linh kiện điện tử cực nhỏ v.v...).