ZSM-5

ZSM-5 kaplamasının elektron mikroskobu görüntüsü, İTÜ Kimya Mühendisliği Yüksek Lisans tezi, Kimya Yüksek Mühendisi Mesut DEMİR tarafından hazırlanmıştır.

Si/Al oranı 10-100 olan yüksek silika içeren zeolitler hidrofilik zeolitlerin termokimyasal modifikasyonu veya doğrudan sentez ile elde edilebilirler. Bu malzemeler hidrofobik ve organofilik yapıya sahip olup, gözenek büyüklükleri 0.4-0.8 nm civarıdır. Doğrudan sentezleme ile elde edilen yüksek silikalı zeolitlere örnek olarak Beta, ZSM-5, -11, -12, -21, -34, NU-1 zeolitleri verilebilir. Moleküler eleklere tipik örnekler olarak silikalit-1, silikalit-2 verilebilir. Silikalit ve Şekilde görülen ZSM-5 endüstriyel olarak sıkça kullanılmaktadırlar.

Düşük ve orta Si/Al oranına sahip zeolitler organik maddelerden suyu uzaklaştırmak amacıyla kullanılabilirken, hidrofobik yapıdaki yüksek Si/Al oranına sahip moleküler elekler organik maddeleri sudan uzaklaştırma amacıyla kullanılabilir.

Zeolitlerle kataliz endüstriyel olarak özellikle hidrokarbonların dönüşüm reaksiyonları ve aromatik hidrokarbonların alkillenmesi reaksiyonlarında sıkça kullanılmaktadır. Bu zeolitlerden endüstride en yaygın kullanılan ZSM-5’tir.

Bu zeolit ilk olarak Mobil Oil firması tarafından sentezi gerçekleştirilmiş olan yüksek alüminyum ve düşük silika içerikli bir türdür. Bu zeolitin yapısı düz ve sinüzoidal kanallardan oluşmaktadır. Zeolitin alüminyum içeren kısımları asidik özellik göstermektedir. Tetrahedral yapısını oluşturan Al³⁺ ve Si⁴⁺ iyonları çerçevede nötr yapı oluşabilmesi için net bir pozitif yüke ihtiyaç duyarlar. Bu pozitif yük H+ iyonu tarafından sağlandığında, bu durumda zeolitin asitliği son derece yüksek olmaktadır. ZSM-5’in reaksiyonlarında kataliz yeteneği bu asitlikten ileri gelmektedir. ZSM-5 katalizör olarak petrol endüstrisinde, hidrokarbon dönüşüm reaksiyonları için kullanılmaktadır. ZSM-5’in izomerizasyon reaksiyonlarında kullanımına örnek olarak, m-ksilen’in p-ksilene dönüşüm reaksiyonu verilebilir. Asidik özellikteki zeolit izomerizasyonu hızlandırmaktadır. Bunun için iki mekanizma söz konusudur. Birincisi, ürün molekül şekliyle ilgilidir. Normalde p-ksilen zeolit gözenekleri içine kolayca difüzlenebilecek şekle sahiptir ve m-ksilen ile kıyaslandığında bu özellik p-ksilen için bir farklılık teşkil eder. Dolayısıyla ksilenin ZSM-5 zeoliti ile katalitik reaksiyonu neticesinde p-ksilen’e dönüşüm daha fazla olmaktadır. İkinci mekanizma ise, p-ksilene dönüşüme sebep olan zeolit kanalları içindeki reaktif komponentlerin davranışlarıdır.