Synthesis and modification of spherical ZSM-5 zeolite to increase catalytic efficiency in the synthesis of biofuel, dimethyl ether.

W ramach realizacji pracy magisterskiej prowadzono badania w dwóch równoległych ścieżkach badawczych, z których obie koncentrowały się na syntezie i modyfikacji sferycznego zeolitu ZSM-5 do zastosowań w procesie syntezy biopaliwa, eteru dimetylowego. Pierwsza ścieżka obejmowała otrzymywanie ZSM-5 o sferycznej morfologii z wykorzystaniem mezoporowatych sfer krzemionkowych (MSS, Mesoporous Silica Spheres) jako szablonu kształtu, o średnicy sfer w zakresie 45–200 μm. Zeolit ten poddawany był modyfikacji poprzez desilikację w środowisku zasadowym z użyciem NaOH oraz mieszaniny NaOH i TPAOH. Modyfikacja ta miała na celu zwiększenie powierzchni zewnętrznej, całkowitej objętości porów oraz dostępności do centrów aktywnych reakcji. Druga ścieżka badawcza dotyczyła procesu optymalizacji metody syntezy sferycznego zeolitu ZSM-5 przy użyciu MSS o większym rozmiarze sfer, w zakresie 200–500 μm. W przypadku obu ścieżek badawczych charakterystykę fizyko-chemiczną otrzymanych materiałów wykonano za pomocą: dyfrakcji rentgenowskiej XRD, niskotemperaturowej sorpcji azotu, emisyjnej spektrometrii optycznej z indukcyjnie sprzężoną plazmą ICP-OES oraz temperaturowo–programowanej desorpcji amoniaku NH3–TPD. Otrzymane materiały przebadano w roli katalizatorów w procesie dehydratacji metanolu do eteru dimetylowego. Najbardziej aktywne katalizatory przebadano w testach długoterminowej pracy (48 h w 250°C). Depozyt węglowy osadzony na próbkach w wyniku przeprowadzonych testów katalitycznych badano za pomocą analizy termograwimetrycznej (TGA). Przeprowadzone badania potwierdziły, że proces desilikacji korzystnie wpływa na poprawę trwałości katalizatora, ograniczając jego dezaktywację podczas reakcji dehydratacji metanolu. Ponadto, w badaniach otrzymano sferyczny zeolit ZSM-5 wykorzystując jako matrycę kształtu oraz źródło krzemionki MSS o rozmiarze sfer w zakresie 200-500 μm.

As part of the master's thesis, research was conducted in two parallel research paths, both of which focused on the synthesis and modification of spherical ZSM-5 zeolite for use in the synthesis of dimethyl ether. The first path involved obtaining ZSM-5 with a spherical morphology using mesoporous silica spheres (MSS) as a shape template, with sphere diameters ranging from 45 to 200 μm. This zeolite was modified by desilification in an alkaline environment using NaOH and a mixture of NaOH and TPAOH. The purpose of this modification was to increase the external surface area, total pore volume, and accessibility to active reaction centers. The second research path concerned the process of optimizing the synthesis method of spherical ZSM-5 zeolite using MSS with larger sphere sizes, in the range of 200–500 μm. For both research paths, the physicochemical characteristics of the obtained materials were determined using X-ray diffraction (XRD), low-temperature nitrogen sorption, inductively coupled plasma optical emission spectroscopy (ICP-OES), and temperature programmed desorption of ammonia (NH3-TPD). The obtained materials were tested as catalysts in the dehydration of methanol to dimethyl ether. The most active catalysts were tested in long-term tests (48 h at 250°C). The carbon deposit deposited on the samples as a result of the catalytic tests was examined using thermogravimetric analysis (TGA). The tests confirmed that the desilification process has a positive effect on the durability of the catalyst, limiting its deactivation during the methanol dehydration reaction. In addition, spherical ZSM-5 zeolite was obtained in the tests using MSS silica with a sphere size in the range of 200-500 μm as a shape matrix and source.