ZSM-5

ZSM-5

Zeolite sintetica di composizione tipica Na_n(Al_nSi_96−nO₁₉₂)·16H₂O. La composizione esatta varia a seconda delle condizioni di sintesi e di trattamento post-sintesi, che vengono stabilite in base all’applicazione a cui il materiale è destinato. In particolare, il rapporto Si/Al, che è di fondamentale importanza nel determinarne alcune proprietà (idrofobicità, forza acida, stabilità termica), può variare tra circa 25 e varie migliaia. Le ZSM-5 sono dunque da considerarsi una famiglia di zeoliti più che un singolo composto. La ZSM-5 è stata sintetizzata per la prima volta nel 1972 nei laboratori dell’allora Mobil Oil Co. (la sigla ZSM sta per Zeolite Socony-Mobil, dalla precedente denominazione della società). È un tipico esempio di catalizzatore che agisce con il meccanismo della shape selectivity (selettività di forma). Come tutte le zeoliti, è costituita da un reticolo strutturale composto da tetraedri SiO₄ e AlO₄⁻. I tetraedri sono legati tra loro a formare una unità strutturale detta pentasil. La disposizione di queste unità determina la formazione di una struttura (indicata con il codice MFI) che ha la particolarità di possedere un sistema tridimensionale di canalicoli, le cui aperture, di forma ellittica, sono definite da un anello di 10 atomi e sono perciò di dimensione media (0,54×0,56 e 0,52×0,58 nm) tra quelle tipiche delle zeoliti. Questa rete di canali permette l’adsorbimento e il passaggio selettivo di molecole organiche. La ZSM-5 viene sintetizzata da idrogel sotto pressione a temperatura elevata, intorno ai 150-180 °C (sintesi idrotermale) partendo da una miscela di ossidi di sodio, alluminio e silicio in presenza di un eccesso di acqua, di NaOH come base e di un sale contenente cationi organici (per es., bromuro di tetrapropilammonio) che fungono da stampi (templanti) per la crescita della struttura. Dopo la sintesi, la ZSM-5 viene sottoposta a vari trattamenti che la rendono idonea alle applicazioni tecnologiche. La forma cataliticamente attiva è la forma acida, nella quale sono presenti protoni molto acidi (tanto più acidi al crescere del rapporto Si/Al) legati al reticolo di atomi di ossigeno, che favoriscono la formazione di carbocationi idrocarburici. Il processo di maggiore importanza commerciale basato sull’uso della ZSM-5 è il cracking catalitico a letto fluido, che consente di ottenere idrocarburi a catena corta e ramificata a partire da frazioni più pesanti del greggio, e nel quale la ZSM-5 viene usata come additivo catalitico. In virtù della shape selectivity, nella ZSM-5 il processo di formazione del coke, responsabile dell’avvelenamento di molti altri catalizzatori usati nell’industria petrolifera, avviene con estrema lentezza. Altri processi in cui sono usate la ZSM-5 o sue modificazioni includono la conversione del metanolo in benzina, la produzione di idrocarburi aromatici per ciclizzazione di paraffine e olefine leggere, l’isomerizzazione dello xilene, la sintesi di vari intermedi dell’industria chimica.

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