I. Giới thiệu đề tài
Nghiên cứu tập trung vào tổng hợp zeolite ZSM-11 và ứng dụng trong quá trình chuyển hóa n-hexan thành propylen. Zeolite ZSM-11 là vật liệu xúc tác có cấu trúc mao quản hai chiều, được kỳ vọng mang lại hiệu quả cao trong các phản ứng hóa học. Propylen là nguyên liệu quan trọng trong công nghiệp hóa dầu, nhưng nguồn cung hiện tại phụ thuộc vào sản xuất ethylene. Nghiên cứu này nhằm tìm giải pháp cân bằng nguồn cung propylen thông qua công nghệ mới.
1.1. Cơ sở của nghiên cứu
Propylen là sản phẩm phụ trong quá trình sản xuất ethylene, nhưng nhu cầu tăng nhanh do ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp. Năm 2009, 70% propylen được sản xuất từ cracking hơi nước, 28% từ FCC, và 2% từ các phương pháp khác. Nghiên cứu này tập trung vào cracking xúc tác n-hexan, một thành phần trong light naptha, để tạo ra propylen. Zeolite ZSM-11 được chọn do cấu trúc mao quản phù hợp, giúp tăng hiệu suất và độ chọn lọc.
1.2. Mục tiêu đề tài
Mục tiêu chính của đề tài là tổng hợp zeolite ZSM-11 trong điều kiện phòng thí nghiệm và khảo sát hoạt tính xúc tác của nó trong phản ứng chuyển hóa n-hexan thành propylen. Nghiên cứu cũng hướng đến việc tối ưu hóa quy trình tổng hợp và đánh giá hiệu quả của vật liệu trong các điều kiện phản ứng khác nhau.
II. Tổng hợp zeolite ZSM 11
Quy trình tổng hợp zeolite ZSM-11 bao gồm các bước chính: chuẩn bị nguyên liệu, tạo gel, thủy nhiệt, và xử lý nhiệt. Nguyên liệu chính là sol silica và nhôm boehmite, được tổng hợp từ các hóa chất giá rẻ và sẵn có. Phương pháp thủy nhiệt được sử dụng để tạo cấu trúc mao quản của zeolite. Các mẫu tổng hợp được đánh giá bằng phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) để xác định cấu trúc tinh thể.
2.1. Tổng hợp sol silica và nhôm boehmite
Sol silica được tổng hợp từ natrisilicate nonahydrate và dung dịch amonia, trong khi nhôm boehmite được điều chế từ aluminum sulfate và ammonium hydroxide. Quy trình này giúp giảm chi phí nguyên liệu so với việc sử dụng các hóa chất nhập khẩu. Các sản phẩm trung gian được sấy khô và nghiền mịn trước khi sử dụng trong tổng hợp zeolite.
2.2. Tổng hợp Na ZSM 11 và H ZSM 11
Na-ZSM-11 được tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt với sự hỗ trợ của chất tạo cấu trúc tetrabutylphosphonium bromide (TBP-Br). Sau đó, Na-ZSM-11 được chuyển đổi thành H-ZSM-11 thông qua quá trình trao đổi ion với ammonium sulfate và xử lý nhiệt. H-ZSM-11 là dạng hoạt động của zeolite, có khả năng xúc tác trong phản ứng cracking.
III. Khảo sát hoạt tính xúc tác
Hoạt tính xúc tác của zeolite ZSM-11 được đánh giá thông qua phản ứng chuyển hóa n-hexan thành propylen. Kết quả cho thấy zeolite ZSM-11 có độ chọn lọc cao đối với propylen, nhờ cấu trúc mao quản hai chiều giúp giảm thời gian lưu giữ sản phẩm. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng điều kiện phản ứng như nhiệt độ và áp suất có ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất và độ chọn lọc của phản ứng.
3.1. Cơ chế phản ứng cracking
Phản ứng cracking n-hexan xảy ra theo hai cơ chế chính: lưỡng phân tử và đơn phân tử. Cơ chế lưỡng phân tử chiếm ưu thế ở điều kiện độ chuyển hóa cao và nhiệt độ thấp, trong khi cơ chế đơn phân tử (Haag-Dessau) xảy ra ở nhiệt độ cao hơn. Zeolite ZSM-11 thúc đẩy cả hai cơ chế, nhưng cơ chế đơn phân tử được ưu tiên do tạo ra nhiều propylen hơn.
3.2. Ứng dụng thực tế
Nghiên cứu này mở ra hướng đi mới trong việc sản xuất propylen từ các nguồn nguyên liệu giá rẻ như light naptha. Zeolite ZSM-11 có tiềm năng ứng dụng trong các nhà máy lọc dầu và hóa dầu, giúp tăng hiệu suất sản xuất và giảm chi phí. Kết quả nghiên cứu cũng góp phần vào việc phát triển các công nghệ xúc tác tiên tiến tại Việt Nam.
IV. Kết luận và kiến nghị
Nghiên cứu đã thành công trong việc tổng hợp zeolite ZSM-11 và ứng dụng nó trong phản ứng chuyển hóa n-hexan thành propylen. Kết quả cho thấy zeolite ZSM-11 có độ chọn lọc cao và hiệu suất ổn định. Tuy nhiên, cần tiếp tục nghiên cứu để tối ưu hóa quy trình tổng hợp và mở rộng ứng dụng trong các phản ứng hóa học khác.
4.1. Kết quả đạt được
Nghiên cứu đã tổng hợp thành công zeolite ZSM-11 với cấu trúc mao quản hai chiều. Hoạt tính xúc tác của vật liệu được chứng minh qua phản ứng cracking n-hexan, với độ chọn lọc propylen đạt mức cao. Các kết quả này được công bố trên các tạp chí và hội nghị khoa học.
4.2. Hướng phát triển
Trong tương lai, cần nghiên cứu thêm về việc tối ưu hóa quy trình tổng hợp và ứng dụng zeolite ZSM-11 trong các phản ứng hóa học khác. Đồng thời, cần phát triển các công nghệ xúc tác tiên tiến để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của ngành công nghiệp hóa dầu.
