Forbedret katalysator kan oversætte til petrokemiske produktionsgevinster

Aromatik er vigtige byggesten i polymerer, eller plastik, der dukker op som alt fra PET-flasker til vand til åndbare, rynkebestandigt polyestertøj. Disse petrokemikalier omfatter en specialiseret, værditilvækst sektor af energiindustrien. Processen til raffinering af råolie til nyttige aromatiske strømme til derivatanvendelse involverer ofte brugen af ​​en katalysator for at lette kemiske reaktioner. Blandt de forskellige typer katalysatorer, mange er zeolitter - porøse aluminosilicater - såsom ZSM-5, en unik syntetisk zeolit, der er udbredt brugt til opgradering af kemikalier i alkylering og isomerisering. Petrokemiske producenter søger konstant at minimere de faste omkostninger for at klare volatiliteten på råvaremarkederne og levere et konkurrencedygtigt slutprodukt til den gennemsnitlige person.

Jeffrey Rimer, Abraham E. Dukler professor ved University of Houston Cullen College of Engineering og Javier Garcia-Martinez, professor i uorganisk kemi ved universitetet i Alicante, har afsløret en såningsmetode, der forenkler synteseprocessen og resulterer i spontan opbygning af zeolitter. Værket er udgivet i Avancerede materialer . Processen resulterer i mere aluminiumkoncentrat i zeolitten og en unik krystalstruktur for at lette kemiske reaktioner med reduceret kulstofopbygning.

"Denne nye teknik har den fordel, at den producerer tykkere velformede ark, hvilket er vigtigt for at producere meget stabile materialer - en vigtig egenskab i de fleste industrielt relevante applikationer, " sagde Martinez.

"Disse hierarkiske katalysatorer viser en hidtil uset forbedring i katalysatorens ydeevne med 4 gange lavere deaktiveringshastigheder, fem gange stigning i aktivitet og næsten to gange stigning i selektivitet, " ifølge Rimer.

I industrien, petrokemiske producenter er ofte nødt til at vende tilbage hvert andet år eller deromkring for at regenerere en katalysator eller erstatte den helt. I USA, slutningen af ​​første kvartal til begyndelsen af ​​andet kvartal ser normalt flere raffinaderier tage en to-ugers til to-måneders vedligeholdelsesperiode for at imødekomme dette. I det tidsrum, produktion og fortjeneste går tabt, og selvom disse forbedrede hierarkiske zeolitkatalysatorer ikke vil afslutte vendinger helt, deres mindre, men stabile størrelse på 30-60 nanometer leverer aluminium - aktive steder til katalyse - der kan sammenlignes med kommerciel ZSM-5. Imidlertid, deres lille størrelse forbedrer samtidig selektiviteten og reducerer kulstofopbygningen. Dette antyder længere perioder mellem dyre vendinger og øget udbytte.

Implikationerne af denne undersøgelse strækker sig til en forbedret forståelse af zeolitkernedannelse - eller første observation af en krystal - og peger mod en ny proces til at skabe søjlezeolitter uden kostbare organiske strukturstyrende midler (OSDA). Zeolitter med hierarkiske (søjle) strukturer er tidligere kun blevet fremstillet med OSDA'er, som fungerer som skabeloner til at danne disse unikke strukturer.

"Indtil nu, OSDA'er blev anset for at være kritiske for syntese af søjleforsynede zeolitter, fungerer som skabeloner for at lette dannelsen af ​​tynde sammenkoblede nanoark, " sagde Rimer." Men som vi observerede i denne såningsproces, disse 30-60 nanometer nanoark kom frem af amorft materiale og dannede søjler uden nogen skabelon."

"Tidligere forsøg på at fremstille disse katalysatorer krævede dyre organiske midler, og lave udbytter blev typisk opnået, hvilket i høj grad begrænsede deres kommercielle anvendelse, " sagde Martinez.

Såning viste sig at være medvirkende til at syntetisere søjleformede zeolitter med forbedret katalytisk ydeevne i Friedel-Craft-alkylering og methanol til kulbrinte-reaktioner. Denne syntesetilgang omgår den typiske energiintensive proces med at bruge OSDA'er. Organiske stoffer, der tidligere blev anset for at være afgørende for at skabe zeolitter, der kan bruges kommercielt, er i sidste ende ikke længere nødvendige.

De næste trin for dette projekt omfatter opskalering af processen for at vise, om denne forbedrede zeolitkatalysator kan replikere dens ydeevne på industriskala. Denne forskning fungerer også som et springbræt til yderligere at udforske implikationerne af såning for at producere andre zeolitter med unikke strukturer og enestående ydeevne i kommercielle applikationer.