Modern zeolite materials of SiO2@ZSM-5 type as catalysts for the synthesis of dimethyl ether

Stale postępująca degradacja środowiska przyczynia się do wzmożonych poszukiwań nowych, alternatywnych paliw. Eter dimetylowy (EDM) postrzegany jest jako potencjalny substytut oleju napędowego, gdyż charakteryzuje się niższą emisją produktów spalania oraz brakiem emisji cząstek stałych i gazów toksycznych. Ideą prowadzonych badań było zoptymalizowanie procesu syntezy zeolitu ZSM-5 w postaci sferycznych materiałów typu „hollow core-shell” i zbadanie ich aktywności w procesie dehydratacji metanolu do eteru dimetylowego. Otrzymano serię materiałów o różnym czasie krystalizacji wynoszącym 7–15 dni, a następnie wykonano ich charakterystykę fizykochemiczną. Strukturę i morfologię powierzchni zbadano za pomocą metody XRD oraz SEM. Parametry teksturalne określono za pomocą niskotemperaturowej sorpcji azotu, a kwasowość powierzchniową otrzymanych materiałów wyznaczono za pomocą temperaturowo programowanej desorpcji amoniaku (NH3-TPD), a także przy użyciu metody ICP-OES. Stwierdzono, że wraz z wydłużeniem czasu krystalizacji struktura syntezowanych materiałów zmienia się z amorficznej na wysoce krystaliczną, w wyniku czego otrzymano materiały w postaci skrystalizowanych do wnętrza sfer ((S)ZSM-5_12d oraz (S)ZSM-5_13d) oraz większych kryształów, zbliżonych do klasycznej formy zeolitu ZSM-5 ((S)ZSM-5_15d). Największą aktywność w procesie dehydratacji metanolu do eteru dimetylowego wykazały materiały (S)HZSM-5_12d, (S)HZSM-5_13d oraz klasyczny zeolit ZSM-5 (Si/Al=13, jako próbka odniesienia). Otrzymany w wyniku przeprowadzonych testów katalitycznych depozyt węglowy zbadano za pomocą analizy termograwimetrycznej (TG). Stwierdzono, że pomimo podobnej aktywności materiałów (S)HZSM-5_12d i klasycznego ZSM-5, bardziej obiecujący jest materiał sferyczny, gdyż gromadzi mniej depozytu węglowego.

The continuous degradation of the environment induces intensive studies over new, alternative fuels. Dimethyl ether (DME) is known as a potential substitute for diesel fuel as it has lower combustion product emission and no particulate matter or toxic gas emissions. The idea of the performed research was to optimize the process of ZSM-5 zeolite synthesis in the form of spherical hollow core-shell materials and to investigate their activity in the process of methanol dehydration to dimethyl ether. A series of materials with different crystallization times of 7-15 days were obtained and their physicochemical characterization was carried out. The surface structure and morphology were examined by XRD and SEM techniques. Textural parameters were determined by low-temperature nitrogen sorption, surface acidity of the obtained materials was determined by temperature-programmed ammonia desorption (NH3-TPD) and by ICP-OES method. It was found that with the prolongation of the crystallization time the structure of the synthesized materials changes from amorphous to highly crystalline. As a result, materials in the form of spheres crystalline to the core ((S)ZSM-5_12d and (S)ZSM-5_13d) and larger crystals similar to conventional ZSM-5 zeolite ((S)ZSM-5_15d) were obtained. The materials (S)HZSM-5_12d, (S)HZSM-5_13d and the conventionalZSM-5 zeolite (Si/Al=13, as reference sample) showed the highest activity in the dehydration of methanol to dimethyl ether. The carbon deposit formed during the catalytic tests was examined by thermogravimetric analysis (TG). It is found that despite the similar activity of (S)HZSM-5_12d and ZSM-5 materials, the spherical material accumulates lower amount of carbon deposit and is more promising for the large-scale application.