Zeolit Cu Y
Zeolity Cu-Y (CuY, CuFAU, faujazyt miedziowy) to zawierające miedź pochodne krzemionki z grupy minerałów faujazytowych , które z kolei należą do rodziny zeolitów . Zeolity Cu-Y są syntetyzowane poprzez wodną lub gazową wymianę jonową w przeciwieństwie do naturalnie występujących faujazytów: faujazytu-Ca, faujazytu-Mg i faujazytu-Na. Wymieniony miedzi może różnić się stopniem utlenienia , ale najczęściej badane warianty zeolitu Cu-Y obejmują kationy Cu(I) lub Cu(II). Ze względu na duży potencjał katalityczny są wykorzystywane jako środki odsiarczające oraz do produkcji azotu gazowego z podtlenku azotu.
Historia
Zeolity typu Y na bazie miedzi zostały po raz pierwszy opisane jako środek hydrokrakingu w patencie złożonym w 1963 roku i wkrótce zostały wdrożone w przemysłowych procesach hydrokrakingu. W końcu zaczęły znajdować zastosowanie w innych gałęziach przemysłu, ponieważ wykorzystanie zeolitów jako całości wzrosło, na przykład w usuwaniu tlenku węgla z gazu. W 1972 roku zgłoszono patent opisujący produkcję zeolitów Cu-Y z sodowych , przyczyniając się do dalszego rozpowszechniania ich zastosowania w przemyśle. Pierwsze udokumentowane zastosowanie zeolitów Cu-Y do odsiarczania miało miejsce w 1977 r., Kiedy to do usuwania siarkowodoru z gazów zastosowano różne zeolity, w tym wariant Cu-Y . Od tego czasu opracowano różne metody wykorzystania zeolitów Cu-Y do odsiarczania węglowodorów , zmniejszając ich wpływ na środowisko przy stosowaniu jako paliwo .
Nieruchomości
Przeprowadzono wiele eksperymentów, aby zrozumieć właściwości zeolitów Cu-Y. Zeolit może pełnić rolę katalizatora , kwasu Brønsteda , jak również środka utleniającego . Jedną z ważnych właściwości pozwalających zeolity na działanie jako katalizatory jest ich zdolność do wymiany kationów bez naruszania struktury krystalicznej . Wykazano, że zeolity Cu-Y katalizują etylowanie benzenu ze względu na ich właściwości kwasowe. Kwasowość tych zeolitów została określona za pomocą badań spektroskopowych w podczerwieni i porównania częstotliwości drgań grup hydroksylowych , ponieważ ich kwasowość Brønsteda pochodzi od przyłączonych do nich grup hydroksylowych. Grupy hydroksylowe, które są bardziej dostępne, wykazują bardziej kwaśne właściwości, podczas gdy atomy tlenu w graniastosłupie sześciokątnym są mniej kwaśne. Zeolity miedziowe działają również jako środki utleniające, co widać po ich zdolności do jonizacji antracenu . Udowodniono, że przenoszenie elektronów zachodzi na jonach miedzi.
Mechanizmy reakcji
Możliwe mechanizmy zeolitu CuY zależą od rodzaju podłoża . Mechanizmy te obejmują kompleksowanie π i katalizę kwasową.
1. Kompleksowanie π Pusty orbital s miedzi kationowej tworzy wiązanie sigma z nadchodzącą siarką , a orbitale d przekazują gęstość elektronową antywiążącym orbitale pierścieni siarki. Mechanizm ten jest zgodny z tym, że kompleksowanie pi obejmuje silniejsze wiązania z cząsteczkami siarki organicznej niż z siarką aromatyczną.
2. Kataliza kwasowa Chociaż ten mechanizm jest ograniczony do zeolitu HY-ZSM5, należy zauważyć, że eksperymenty obejmujące adsorpcję tiofenu wykazały wysycenie tiofenu do Cu(I) w zeolicie CuY. Adsorpcja tiofenu może zatem wynikać z wielu miejsc kwasowych w zeolicie CuY, w szczególności zeolicie Cu(I)Y zredukowanym przez H+ w porównaniu z zeolitem HY w innych badaniach, o którym wiadomo, że specyficznie nasyca tiofeny .
Aplikacje
Dwa najczęstsze zastosowania zeolitu Cu(I)Y to katalityczny rozkład podtlenku azotu do azotu i tlenu oraz odsiarczanie paliw wykorzystywanych w procesie hydrokrakingu do produkcji ropy naftowej .
Rozkład podtlenku azotu i ograniczenie emisji do atmosfery jest ważne dla ochrony środowiska. Podtlenek azotu reaguje z ozonem , tworząc tlenek azotu, przyczyniając się w ten sposób do zniszczenia ozonu. Dlatego musi zostać rozłożony na pierwiastki, azot i tlen, które są obojętnymi składnikami powietrza . Zeolit jest używany, ponieważ w unikalny sposób pozycjonuje miejsca aktywne niezbędne do rozkładu. Jednak zeolit Cu(I)Y nie jest najskuteczniejszym katalizatorem z wymianą miedzi stosowaną do tego celu. Badania pokazują, że Cu-ZSM-5 ma wyższą aktywność katalityczną, mimo że zeolit Y ma większy rozmiar porów i większą zawartość miedzi.
W przypadku benzyny i oleju napędowego rząd wymaga obniżenia poziomu siarki odpowiednio z 300 - 500 ppm do 30 ppm i 15 ppm. W przypadku paliwowych zawartość siarki musi być mniejsza niż 1 ppm, aby uniknąć zatrucia ogniwa paliwowego. Katalizator zeolitowy Cu(I)Y jest zwykle stosowany do redukcji siarki w obu sytuacjach. Technika hydroodsiarczania może usuwać tiole i siarczki , ale nie może skutecznie usuwać tiofenów , dlatego stosuje się katalizator, ponieważ selektywnie adsorbuje związki siarki w temperaturze i ciśnieniu otoczenia. Wiążą się selektywnie ze związkami tiofenowymi przez kompleksowanie pi. Kompleksowanie pi polega na przekazywaniu ładunków elektronowych z orbitalu pi tiofenu na wolny orbital miedzi. W tym samym czasie orbitale d metali przekazują elektronowe antywiążącemu orbitalowi pi. Ta darowizna na orbital s miedzi jest ważna w adsorpcji tiofenu. Wadą stosowania katalizatora zeolitowego Cu(I)Y do odsiarczania jest to, że wilgoć wykazuje silne działanie hamujące proces adsorpcji, ponieważ cząsteczka wody jest preferowana w stosunku do siarki.
