ZSM-5 katkılı beta zeolit katalizöründe 1-metilnaftalin ile tolüenin transalkilasyonuna metal yüklemenin etkisi
Effect of metal loading on the transalkylation of 1-methylnaphthalene and toluene on ZSM-5 doped beta zeolite catalyst
Yazar: ABDUL AZIZ ABDULLAH
Danışman: PROF. DR. ALİ KARADUMAN
Ankara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Toluen = Toluene ; Zeolitler = Zeolites

Özet:
2,6-Dimetilnaftalin (2,6-DMN), polietilen naftalat (PEN) sentezinde önemli bir ara maddedir. PEN, yaygın kullanımı olan polietilen tereftalat (PET) ile karşılaştırıldığında, mükemmel termal, mekanik ve gaz bariyeri özellikleri nedeniyle umut verici uygulama beklentilerine sahiptir. 2,6-DMN'nin çok aşamalı endüstriyel sentezi oldukça pahalı olduğundan, PEN'in üretimi ve uygulamaları şu anda kısıtlıdır. Diğer yandan, ksilen izomerleri içinde küresel ölçekte en yüksek talebi p-ksilen (yaklaşık%80) görmektedir. P-ksilen, PET sentezi ve ayrıca boya, ilaç ve böcek ilacı üretimi için kullanılan tereftalik asidin üretimi için kullanılmaktadır.  Bu tez kapsamında, 2,6-DMN üretim sorunlarını iyileştirmek   ve   değerli   p-ksilen   üretmek   amacıyla, ZSM-5   katkılı   Beta   zeolit   katalizörün hazırlanarak ve bu hazırlanan katalizöre Zr ve Mo metal yükleyerek 1-Metil naftalin (1-MN) ve Tolüenin varlığında transalkilasyonu çalışılmıştır. Hazırlanan zeolit katalizörleri BET, SEM, FTIR, Py-FTIR, XRD ve XRF yöntemleri ile karakterize edilmiştir. 
Katalitik çalışmalar, sabit yataklı sürekli akışlı bir reaktörde atmosferik basınçta, 1 – 3 St-1 WHSV arasında, 400 – 500 ℃ sıcaklıklarda ve üç farklı metal yüklemesinde gerçekleştirilmiştir. Sonuç, metal   emdirmenin   zeolitlerin   fiziksel   özelliklerini   ve   asitliğini   iyileştirdiğini   göstermektedir. Katalitik testlerde, dönüşüm, verim ve seçimlilik açısından zeolit aktivitesi genel olarak sıcaklığın artmasıyla artarken, boşluk hızının artmasıyla azalmıştır. Yüksek dönüşümlere ek olarak, metal emdirme, 2,6-DMN ve p-ksilen verimini ve seçimliliğini önemli ölçüde iyileştirmiştir.   Zr yüklü katalizörler, modifiye edilmemiş Beta zeolit katalizörlerine kıyasla 2,6-DMN ve p-ksilen verim değerlerinde sırasıyla %3,8 ve %11,7'lik bir iyileşme olmuştur. Ayrıca, Zr ve Mo emdirme, modifiye edilmemiş zeolitlerdeki 2,6-DMN/2,7-DMN oranını 1,6'dan 1.9'a yükseltmiştir. Metal yüklemenin, özellikle   Zr   emdirmenin, yüksek   verim   ve   seçimliliğe   yönelik alternatif yollar sağlamak için katalizör özelliklerini geliştirdiği düşünülmektedir.

Abstract:
2,6-Dimethylnaphthalene (2,6-DMN) is a crucial intermediate in the synthesis of polyethylene naphthalate (PEN).  Compared to the widely used Polyethylene Terephthalate (PET), PEN offers promising applications due to its thermal, mechanical, and gas barrier properties. However, the expensive multi-step industrial synthesis of 2,6-DMN limits PEN production and applications. Accounting for over 80% of global xylenes isomer demand, p-xylene is a valuable material for terephthalic acid production. In the context of this thesis study, with an objective to alleviate the problems in 2,6-DMN synthesis while also producing valuable p-xylene, unmodified as well Zr and Mo impregnated ZSM-5 doped Beta zeolite catalysts were prepared and utilized in a transalkylation of 1-Methylnaphthalene with toluene. The prepared zeolite catalysts were then characterized through BET, SEM, FTIR, Py-FTIR, XRD, and XRF methods. 
The catalytic studies were carried out at atmospheric pressure in a fixed-bed continuous flow reactor at WHSV between 1 – 3 hr-1, temperatures of 400 – 500℃ and three different metal loadings. The study found that metal impregnation improves zeolite physical properties and acidity. In the catalytic tests, zeolite activity in terms of conversion, yield, and selectivity generally increased with increasing temperature but decreased with increasing WHSV. In addition to high conversions, metal impregnation significantly improved 2,6-DMN and p-xylene yield and selectivity. Zr-loaded catalysts showed improved 2,6-DMN and p-xylene yield values of 3.8% and 11.7% compared to unmodified zeolite catalysts. Moreover, Zr and Mo impregnation significantly increased the 2,6-DMN/2,7-DMN ratio in unmodified zeolites from 1.6 to 1.9. It is thought that metal loading, particularly Zr impregnation, enhances catalyst properties to provide alternative pathways towards high yield and selectivity.