ZSM-5分子筛

沸石分子筛

ZSM-5沸石是美国Mobil公司于上个世纪六十年代末合成出来的一种含有机胺阳离子的新型沸石分子筛。由于它在化学组成、晶体结构及物化性质方面具有许多独特性,因此在很多有机催化反应中显示出了优异的催化效能,在工业上得到了越来越广泛的应用,成为石油化工的一种颇有前途的新型催化剂。

定义

ZSM-5分子筛在国内已有广泛的用途，主要应用在柴油临氢降凝催化剂，固定床催化裂化催化剂，流动床催化裂化反应上FCC的催化剂添加ZSM-5分子筛对提高汽油辛烷值，增加气体的烯烃含量有很大益处，国内外FCC催化剂添加的ZSM-5分子筛是ZSM-5分子筛用途最多的一项，并主要集中在SiO2/Al2O3（二氧化硅与三氧化二铝的摩尔比）在40-50之间。国内FCC的助剂降低汽油的烯烃上的应用较广，在这方面的应用SiO2/Al2O3在38-40之间，另外国内外的渣油催化裂化上采用SiO2/Al2O3在25-30的范围内的分子筛。此外ZSM-5分子筛在化工上广泛的应用于择形催化，如对二乙苯催化剂，二甲苯异构化催化剂；另外在环保方面对水中有机物的提取采用高硅ZSM-5分子筛，SiO2/Al2O3在220-400之间。用水玻璃和硫酸铝直接合成的ZSM-5分子筛，该产品用于低烃烷基化，异构化，芳构化，脱腊降凝的催化剂的母体，同国外用有机胺合成的ZSM-5相比，工艺简单，质量稳定，无污染，成本低，水热稳定性高。

结构

ZSM-5沸石的化学组成可用氧化物的摩尔比表示为：0.9±0.2M2/nO:Al2O3:5---100SiO2:ZH2O，式中M是阳离子（碱金属钠离子和有机胺离子）；n是阳离子的价数；Z是从0到40。

ZSM-5沸石具有很高的硅铝比,根据需要可合成出不同硅铝比的分子筛而且可以在10至3000 以上的广阔范围内变化。

ZSM-5沸石含有十元环,基本结构单元是由八个五元环组成的。其晶体结构属于斜方晶系,空间群Pnma，晶格常数a=20.1Å，b=19.9Å，c=13.4Å。它具有特殊的结构没有A型、X型和Y型沸石那样的笼,其孔道就是它的空腔。骨架由两种交叉的孔道系统组成,直筒形孔道是椭圆形,长轴为5.7～5.8 Å，短轴为5.1～5.2 Å；另一种是“Z”字形横向孔道,截面接近圆形,孔径为5.4±0.2Å。属于中孔沸石。“Z”字形通道的折角为110度。钠离子位于十元环孔道对称面上。其阴离子骨架密度约为1.79克/厘米3。因此ZSM-5沸石的晶体结构非常稳定。

相对结晶度：Na型＞ 85% H型＞ 95%

孔径：5A

骨架密度：1.81（异辛烷测定）

热稳定性：1200℃分子筛可保持结构

水热稳定性：700℃水蒸气处理，分子筛可保持结构

分子筛特性

热稳定性

ZSM-5沸石的热稳定性很高。这是由骨架中有结构稳定的五元环和高硅铝比所造成。比如,将试样在850℃左右焙烧2小时后,其晶体结构不变。甚至可经受1100℃的高温。ZSM-5是已知沸石中热稳定性最高者之一。所以将它用于高温过程是特别适宜的。例如用它作为烃类裂解催化剂，可经受住再生催化剂时的高温。

耐酸性

ZSM-5沸石具有良好的耐酸性，它能耐除氢氟酸以外的各种酸。

水蒸汽稳定性

Wang，IKai等的研究表明，当其他沸石受到水蒸汽和热时，它们的结构一般被破坏，导致不可逆失活。而Mobil公司用ZSM-5作为甲醇转化（水是主要产品之一）的催化剂。这表明ZSM-5对水蒸汽有良好的稳定性。540℃下用分压为22mmHg柱的水蒸汽处理HZSM-5和HY沸石24小时后，HZSM-5的结晶度约为新鲜催化剂的70%，可是在同样条件下，HY沸石的骨架几乎全部被破坏。

憎水性

ZSM-5具有高硅铝比，其表面电荷密度较小。而水是极性较强的分子，所以不易为ZSM-5所吸附。尽管水分子的直径小于正己烷，但ZSM-5对正己烷的吸附量一般大于水。

不易积炭

ZSM-5孔口的有效形伏、大小及孔道的弯曲，阻止了庞大的缩合物的形成和积累。同时，ZSM-5骨架中无大于孔道的空腔（笼）存在，所以限制了来自副反应的大缩合分子的形成。从而使ZSM-5催化剂积炭的可能性减少。ZSM-5对烷基芳烃进入孔道形成障碍，因而反应过程中它不能在较小的孔道中继续反应，最后缩聚形成焦。所以ZSM-5比Y型及丝光沸石的积炭速率慢得多，几乎相差两个数量级。ZSM-5沸石的容炭量也较高。

优异

以沸石分子筛作为催化剂，只有比晶孔小的分子可以出入催化反应的进行受着沸石晶孔大小的控制，沸石催化剂对反应物和产物分子的大小和形状表现出极大的选择性。ZSM-5沸石十元环构成的孔道体系具有中等大小孔口直径，使它具有很好的择形选择性。

吸附量

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