圖1 ZSM-5分子篩的結(jié)構(gòu)
ZSM是Zeolites Socony Mobil的縮寫，ZSM-5沸石分子篩則是20世紀(jì)七十年代美國(guó)Mobil石油公司開發(fā)成功的一系列新型的高硅鋁比沸石分子篩中其中的一種。它有著獨(dú)特的交叉孔道結(jié)構(gòu)，都是10氧環(huán)組成，其直筒型孔道呈橢圓形，橫向孔道截面近似于圓形，孔口尺寸稍有區(qū)別。一組為平行于單胞的a軸，呈“Z”字形具有近似于圓形的開孔，其尺寸為0.54×0.56nm;另一組平行于單胞的b軸，為直通道，但為橢圓開口，其尺寸為0.51×0.57nm。ZSM-5晶體屬于理想的斜方晶系，其結(jié)構(gòu)參數(shù)為a=20.1，b=19.9，c=13.4。
沸石分子篩按其尺寸的大小又可分為納米沸石分子篩和微米沸石分子篩，它們具有完全相同的孔道結(jié)構(gòu)(如圖1)。但是微米ZSM-5分子篩的擇形催化技術(shù)存在局限性，主要是由于ZSM-5沸石分子篩孔道較長(zhǎng)，構(gòu)型擴(kuò)散阻力太大，導(dǎo)致內(nèi)表面的利用率較低，并且微米ZSM-5沸石分子篩抗積碳能力差，使得催化劑本身在反應(yīng)過(guò)程中失活快，單程反應(yīng)周期短，不利于工業(yè)化應(yīng)用。
ZSM-5分子篩的主要特點(diǎn)有：熱穩(wěn)定性、耐酸性、水蒸汽穩(wěn)定性、憎水性、不易積炭、優(yōu)異的擇形選擇性等。
1．熱穩(wěn)定性
ZSM-5沸石的熱穩(wěn)定性很高。這是由骨架中有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的五元環(huán)和高硅鋁比所造成。比如，將試樣在850℃左右焙燒2小時(shí)后，其晶體結(jié)構(gòu)不變。甚至可經(jīng)受1100℃的高溫。到目前為止，ZSM-5是己知沸石中熱溫定性最高者之一。所以將它用于高溫過(guò)程是特別適宜的。例如用它作為烴類裂解催化劑，可經(jīng)受住再生催化劑時(shí)的高溫。
2．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。
3.水蒸汽穩(wěn)定性
Wang，IKai等的研究表明，當(dāng)其他沸石受到水蒸汽和熱時(shí)，它們的結(jié)構(gòu)一般被破壞，導(dǎo)致不可逆失活。而Mobil公司用ZSM-5作為甲醇轉(zhuǎn)化(水是主要產(chǎn)品之一)的催化劑。這表明ZSM-5對(duì)水蒸汽有良好的穩(wěn)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(shí)后，HZSM-5的結(jié)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。
4.憎水性
ZSM-5具有高硅鋁比，其表面電荷密度較小。而水是極性較強(qiáng)的分子，所以不易為ZSM-5所吸附。盡管水分子的直徑小于正己烷，但ZSM-5對(duì)正己烷的吸附量一般大于水。
5.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(shí)，ZSM-5骨架中無(wú)大于孔道的空腔(籠)存在，所以限制了來(lái)副反應(yīng)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(duì)烷基芳烴進(jìn)入孔道形成障礙，因而反應(yīng)過(guò)程中它不能在較小的孔道中繼續(xù)反應(yīng)，最后縮聚形成焦。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(gè)數(shù)量級(jí)。
6.優(yōu)異的擇形選擇性
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(yīng)的進(jìn)行受著沸石晶孔大小的控制，沸石催化劑對(duì)反應(yīng)物和產(chǎn)物分子的大小和形狀表現(xiàn)出極大的選擇性。ZSM-5沸石十元環(huán)構(gòu)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。
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