29.04.2021 - University of Houston

Verbesserter Katalysator kann zu Produktionssteigerungen in der Petrochemie führen

Ein neuer und verbesserter Zeolith könnte eine höhere Ausbeute und längere Lebenszyklen für petrochemische Katalysatoren bedeuten

Aromaten sind wichtige Bausteine von Polymeren oder Kunststoffen, die von PET-Flaschen für Wasser bis hin zu atmungsaktiver, knitterfreier Polyesterkleidung alles enthalten. Diese Petrochemikalien stellen einen spezialisierten, wertschöpfenden Sektor der Energieindustrie dar. Der Prozess der Raffinierung von Rohöl in nützliche aromatische Ströme für die Verwendung in Derivaten beinhaltet oft die Verwendung eines Katalysators, um chemische Reaktionen zu erleichtern. Unter den verschiedenen Arten von Katalysatoren sind viele Zeolithe - poröse Alumosilikate - wie ZSM-5, ein einzigartiger synthetischer Zeolith, der bei der Veredelung von Chemikalien in der Alkylierung und Isomerisierung häufig eingesetzt wird. Die Hersteller von Petrochemikalien sind ständig auf der Suche nach einer Minimierung der Gemeinkosten, um der Volatilität der Rohstoffmärkte zu trotzen und dem Durchschnittsbürger ein wettbewerbsfähiges Endprodukt zu bieten.

Jeffrey Rimer, Abraham E. Dukler Professor an der University of Houston Cullen College of Engineering und Javier Garcia-Martinez, Professor für anorganische Chemie an der Universität von Alicante, haben eine Seeding-Methode entdeckt, die den Syntheseprozess vereinfacht und zu einer spontanen Versäulung von Zeolithen führt. Die Arbeit ist in Advanced Materials veröffentlicht. Der Prozess führt zu einer höheren Aluminiumkonzentration im Zeolith und einer einzigartigen Kristallstruktur, die chemische Reaktionen mit reduziertem Kohlenstoffaufbau erleichtert.

"Diese neuartige Technik hat den Vorteil, dickere, gut geformte Schichten zu erzeugen, was wichtig ist, um hochstabile Materialien herzustellen - eine wichtige Eigenschaft in den meisten industriell relevanten Anwendungen", so Martinez.

"Diese hierarchischen Katalysatoren zeigen eine beispiellose Verbesserung der Katalysatorleistung mit vierfach geringerer Deaktivierungsrate, fünffacher Erhöhung der Aktivität und fast zweifacher Erhöhung der Selektivität", so Rimer.

In der Industrie müssen petrochemische Hersteller oft etwa alle zwei Jahre einen Turnaround einlegen, um einen Katalysator zu regenerieren oder ihn ganz zu ersetzen. In den USA nehmen einige Raffinerien in der Regel zwischen dem späten ersten und dem frühen zweiten Quartal eine zweiwöchige bis zweimonatige Wartungsperiode, um dies zu ermöglichen. Während dieser Zeit gehen Produktion und Gewinn verloren, und während diese verbesserten hierarchischen Zeolith-Katalysatoren die Stillstände nicht gänzlich beenden werden, liefert ihre kleinere, aber stabile Größe von 30-60 Nanometern Aluminium - aktive Stellen für die Katalyse - vergleichbar mit kommerziellem ZSM-5. Ihre geringe Größe verbessert jedoch gleichzeitig die Selektivität und reduziert die Kohlenstoffablagerung. Dies deutet auf längere Zeiträume zwischen kostspieligen Turnarounds und erhöhter Ausbeute hin.

Die Implikationen dieser Studie erstrecken sich auf ein verbessertes Verständnis der Zeolith-Keimbildung - oder der ersten Beobachtung eines Kristalls - und weisen auf ein neues Verfahren zur Herstellung von Säulen-Zeolithen ohne kostspielige organische Struktur-Lenkungsmittel (OSDA) hin. Zeolithe mit hierarchischen (säulenförmigen) Strukturen wurden bisher nur mit OSDAs hergestellt, die als Schablonen zur Bildung dieser einzigartigen Strukturen dienen.

"Bis jetzt glaubte man, dass OSDAs entscheidend für die Synthese von Säulenzeolithen sind, da sie als Templates fungieren und die Bildung von dünnen, miteinander verbundenen Nanoblättern erleichtern", so Rimer." Aber wie wir in diesem Seeding-Prozess beobachtet haben, entstanden diese 30-60 Nanometer großen Nanoblätter aus amorphem Material und bildeten Säulen ohne jede Vorlage."

"Frühere Versuche, diese Katalysatoren herzustellen, erforderten teure organische Mittel, und es wurden typischerweise geringe Ausbeuten erzielt, was ihre kommerzielle Anwendung stark einschränkte", sagte Martinez.

Das Seeding erwies sich als hilfreich bei der Synthese von säulenförmigen Zeolithen mit verbesserter katalytischer Leistung bei der Friedel-Craft-Alkylierung und Methanol-Kohlenwasserstoff-Reaktionen. Dieser Syntheseansatz umgeht den typischen energieintensiven Prozess der Verwendung von OSDAs. Organika, die bisher als essentiell für die Herstellung von kommerziell nutzbaren Zeolithen galten, sind nun nicht mehr notwendig.

Die nächsten Schritte für dieses Projekt umfassen die Skalierung des Prozesses, um zu zeigen, ob dieser verbesserte Zeolith-Katalysator seine Leistung im industriellen Maßstab wiederholen kann. Diese Forschung dient auch als Sprungbrett für die weitere Erforschung der Auswirkungen des Seedings zur Herstellung anderer Zeolithe mit einzigartigen Strukturen und außergewöhnlicher Leistung in kommerziellen Anwendungen.

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