ZSM-5沸石在石油化工過程中得到廣泛應用,它是一種具有獨特的三維通道結構和酸強度分布的形狀選擇沸石,絕大多數孔徑在0.55nm左右,具有高硅鋁比和親油疏水的特性,同時具有熱穩定性和催化活性高的特點,一般應用于石油化工過程改善催化裂化汽油質量和生產乙烯和丙烯等重要的化工原料。
ZSM-5沸石合成方面的研究熱點主要集中于:
(1)小晶粒沸石,尤其是納米沸石的合成。分子篩晶粒的降低,增加了外表面的活性中心,降低了擴散阻力,使反應物分子接近活性中心的幾率增大,反應選擇性好:
(2)含雜原子ZSM-5沸石的合成。以Ga、B、Fe、Sn、Ti、Cr和Zr等雜原子同晶置換ZSM-5中的部分或全部鋁或硅,在改變分子篩的化學組成和孔結構大小的同時,對其表面酸性質及擇形性進行調變或賦予分子篩以脫氫功能或氧化還原性能,可以獲得催化性能優異的分子篩,用于甲醇轉化為液態燃料、低碳烷烴芳構化等催化反應過程中;
(3)以不同的材料為載體合成ZSM-5沸石。
在實際催化過程中,用堿處理方法制備介孔ZSM-5分子篩催化劑,用于正辛烷的裂化反應,發現介孔ZSM-5催化劑的強酸位減弱,使得反應轉化率下降,但是堿處理后產生的介孔使目標產物的選擇性達到96%,遠遠高于微孔ZSM-5分子篩催化劑的22%。以上說明,ZSM-5分子篩中的介孔可以明顯改善催化裂化過程的反應結果。
另外,在目前的石油煉制工業中,異構化反應主要分為脂肪烴異構化反應和芳香族化合物異構化反應,烷烴異構化工藝主要應用于生產無鉛化汽油,烯烴異構化用于生產高辛烷值汽油。芳香族化合物的異構化反應可用于生產聚酯、農藥、除草劑、抗氧化劑、塑料和橡膠用的紫外線吸收劑等。ZSM-5分子篩催化劑則廣泛應用于芳香族化合物的異構化反應。Christensen等將介孔ZSM-5分子篩催化劑應用于正十六烷的裂化及異構化反應,十六烷異構化選擇性為616%,遠遠超過傳統ZSM-5的114%。L i等在正己烯芳構化與異構化反應中發現,堿處理能夠適當提高ZSM-5分子篩催化劑的酸性,并能夠產生互相聯通的微孔和介孔,阻止進一步結焦,提高催化劑的異構化活性。
不同的制備方法得到的多級孔ZSM-5沸石分子篩的晶體形貌、催化性能及水熱穩定性等方面都有很大差別, 同時每種方法都存在著一定的不足:
1) 后處理法可以得到一定的二次孔同時還可以調變沸石分子篩的硅鋁比和酸性,該方法是目前工業上應用最多的方法;然而該方法容易導致沸石骨架塌陷同時處理過程中會存在酸堿污染。
2)模板劑法是目前研究報道最多的一種方法,然而硬模板劑往往存在使用量大成本較高,同時得到的介孔孔道連通性較差等問題; 而軟模板劑成本一般較高,同時合成條件比較復雜。
3)前驅體自組裝法雖然可以合成出比表面和介孔孔容都較大的沸石分子篩, 然而分子篩的結晶度往往比較低同時水熱穩定性相對也較差。因此,尋找更為簡單廉價的或對模板劑進行有效地循環利用是目前研究者的主要研究方向。