Παρασκευή ζεόλιθου υψηλής πυριτίας με τροποποιημένα την πορώδη δομή και το μέγεθος των κρυστάλλων
Authors: Ντζιούνη Αφροδίτη 
Published: September 2021

Αντικείμενο της παρούσας διατριβής ήταν η παρασκευή ζεόλιθου υψηλής πυριτίας με τροποποιημένα την πορώδη δομή και το μέγεθος των κρυστάλλων. O συνθετικός ζεόλιθος τύπου ZSM-5 (Mobil Synthetic Zeolite-5) υψηλής πυριτίας χρησιμοποιείται μεταξύ άλλων ευρέως ως ετερογενής καταλύτης στην ισομερίωση υδρογονανθράκων και σε αντιδράσεις αλκυλίωσης στις πετροχημικές βιομηχανίες. Ο ZSM-5 είναι ταξινομημένος στην κατηγορία των μικροπορώδων υλικών. Το σύστημα καναλιών του έχει μέγεθος πόρων μεταξύ 0,54nm και 0,56nm, ενώ οι καταλυτικές του ιδιότητες οφείλονται στην οξύτητα του και στα μοναδικά συστήματα πόρων που δίνουν στον καταλύτη τον εκλεκτικό του χαρακτήρα. Παρά τις επιθυμητές καταλυτικές ιδιότητες του ZSM-5, τα μικρά μικροπορώδη κανάλια του υπόκεινται σε περιορισμούς διάχυσης και αυτό έχει σαν αποτέλεσμα να μειώνεται η δυνατότητα πρόσβασης των μορίων προς κατάλυση στις εσωτερικές του επιφάνειες, με συνέπεια να μην αξιοποιεί όλη την καταλυτική του δράση. Τα τελευταία χρόνια αρκετοί ερευνητές έχουν δώσει ιδιαίτερη έμφαση προς την κατεύθυνση (i) μείωσης του κόστους σύνθεσης, δηλαδή χρήσης εναλλακτικών φθηνών πηγών πυριτίας και (ii) βελτίωσης της καταλυτικής δράσης διαφόρων ζεόλιθων, συμπεριλαμβανομένου και του ZSM-5, δηλαδή στο πως να αυξήσουν τη δυνατότητα πρόσβασης των μορίων προς κατάλυση, στο εσωτερικό του ζεόλιθου.Για τον σκοπό της βελτίωσης της καταλυτικής δράσης έχουν υιοθετηθεί δύο διαφορετικές προσεγγίσεις.Στην πρώτη προσέγγιση, οι έρευνες αποσκοπούν στη μείωση του μεγέθους των ζεολιθικών κρυστάλλων ώστε να αυξηθεί η εξωτερική περιοχή επιφάνειας του καταλύτη και να ελαττωθεί έτσι η διαδρομή διάχυσης στις εσωτερικές του επιφάνειες.Στη δεύτερη προσέγγιση, οι έρευνες αποσκοπούν στην εισαγωγή μεσοπόρων στους ζεολιθικούς κρυστάλλους με συνέπεια να γίνεται διασύνδεση των εισαγόμενων μεσοπόρων με τους μικροπόρους του ζεόλιθου και έτσι να αυξάνεται η δυνατότητα πρόσβασης των μορίων στην εσωτερική επιφάνεια του καταλύτη.Τα θέματα που εξετάστηκαν στην παρούσα Διδακτορική Διατριβή χωρίζονται σε δύο ενότητες. Η πρώτη ενότητα αφορούσε στη σύνθεση ζεόλιθου υψηλής πυριτίας με χρήση βιομηχανικού παραπροϊόντος -τέφρα φλοιού ρυζιού- ως φθηνή πηγή πυριτίας. Αρχικά πραγματοποιήθηκε μελέτη που αφορούσε τις συνθήκες κατεργασίας φλοιού ρυζιού για την παραλαβή κρυσταλλικής και άμορφης τέφρας. Στη συνέχεια, μελετήθηκε η επίδραση των συνθηκών σύνθεσης στο χρόνο αντίδρασης και τη μορφολογία των τελικών προϊόντων. Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιήθηκαν τρεις διαφορετικές μέθοδοι: (i) αντίδραση σύνθεσης κάτω από ήπιες συνθήκες με χαμηλή θερμοκρασία και πίεση περιβάλλοντος, (ii) υδροθερμική κατεργασία με χρήση αυτόκλειστου κάτω από υψηλή θερμοκρασία και αυτογενή πίεση και (iii) χρήση μικροκυματικής ακτινοβολίας με χρήση φούρνου μικροκυμάτων. Μελετήθηκε επίσης η επίδραση του συνδυασμού μικροκυματικής ακτινοβολίας τόσο με τη σύνθεση κάτω από ήπιες συνθήκες, όσο και με την χρήση αυτόκλειστου. Η δεύτερη ενότητα της Διδακτορικής Διατριβής αφορούσε στη σύνθεση ζεόλιθου ZSM-5 με χρήση εμπορικών πηγών πυριτίας με στόχο (i) τη μείωση του μεγέθους των ζεολιθικών κρυστάλλων, μέσω της σύνθεσης περιορισμένου χώρου, χρησιμοποιώντας μεσοπορώδη άνθρακα ως μορφοποιητή σύνθεσης και (ii) την εισαγωγή μεσοπόρων στο ζεολιθικό πλέγμα με χρήση νανοσωλήνων άνθρακα κατά τη συνθετική διαδικασία και απομάκρυνσή τους με καύση μετά το πέρας της αντίδρασης. Τέλος, πραγματοποιήθηκαν πειράματα σύνθεσης ζεόλιθου ΖSM-5 παρουσία ενεργού άνθρακα με στόχο τη μείωση του διαθέσιμου χώρου σύνθεσης των κρυστάλλων του ζεόλιθου. Από τη μελέτη αυτή προέκυψε ότι η τέφρα φλοιού ρυζιού αποτελεί κατάλληλη εναλλακτική πηγή πυριτίας για τη σύνθεση ζεόλιθου ZSM-5, τόσο για τη σύνθεση κάτω από ήπιες συνθήκες όσο και με υδροθερμική κατεργασία. Η υποβοήθηση της σύνθεσης με μικροκυματική ακτινοβολία, επιφέρει σημαντική μείωση του χρόνου αντίδρασης. Η χρήση αδρανών μητρών άνθρακα χρησιμοποιήθηκαν επιτυχώς για την παρασκευή ζεόλιθου υψηλής πυριτίας με τροποποιημένη την πορώδη δομή και το μέγεθος κρυστάλλων του.