1.3.3.1. Tính a-xit bề mặt của zê-ô-lit
Các ca-ti-ôn có vài trò rất lớn trong hoạt tính xúc tác của zê-ô-lit. Nếu zê-ô-lit chỉ chứa các ca-ti-ôn 1+ (chủ yếu là Na+) thì mạng tinh thể trung hòa điện và bề mặt của nó không có tính a-xit; tính a-xit xuất hiện khi một phần hoặc toàn bộ ca-ti-ôn Na+ được thay thế bằng prô-tôn (proton) H+ hoặc các ca-ti-ôn đa hóa trị. Như vậy, bằng
việc thay đổi độ trao đổi ca-ti-ôn, người ta dễ dàng làm thay đổi các tính chất của zê- ô-lit, đặc biệt là tính a-xit và hệ quả của nó là hoạt tính xúc tác.
Cấu trúc zê-ô-lit loại a-lu-mi-nô-si-li-cat hình thành các tâm a-xit Brôn-tet (Bronsted) (còn gọi là a-xit prô-tôn) và a-xit Lê-it (Lewis) (còn gọi là a-xit a-prô-tôn (aproton)) khi trao đổi ca-ti-ôn kiềm (Na+
) để lấy ca-ti-ôn H+
. Quá trình trao đổi ca-ti- ôn này được minh họa theo hình 1.10.
Hình 1.10: Sơ đồ minh họa quá trình trao đổi ca-ti-ôn Na+lấy ca-ti-ôn H+
Vì liên kết Al-O dài hơn liên kết Si-O, nên dễ dàng bị đứt hơn, hình thành nhóm hy- đrô-xin (hydroxyl)–OH gắn với nguyên tử Si. Đây chính là tâm a-xit Brôn-tet.
Hình 1.11: Hình vẽ minh họa tâm a-xit Brôn-tet của zê-ô-lit
Ở hình 1.11, nguyên tử Al chính là tâm Lê-it. Tuy nhiên tâm này thực tế bị tâm Brôn- tet che chắn cho nên khó thể hiện hoạt tính của mình. Khi tăng nhiệt độ, quá trình đe- hy-đrô-xin xảy ra, có khả năng hơn cả là giữa hai nhóm OH gần nhau, các tâm Brôn-
tet bị mất nước và chuyển thành tâm Lê-it là những i-ôn Al có khả năng nhận điện tử. Sơ đồ quá trình de-hy-đrô-xin được minh họa ở hình 1.12
Hình 1.12: Sơ minh họa quá trình de-hy-đrô-xin chuyển tâm a-xit Brôn-tet thành tâm a-xit Lê-it. Al ở dạng cuối cùng này thể hiện đầy đủ tính chất của một a-xit
Lê-it.
1.3.3.2. Hoạt tính xúc tác của zê-ô-lit
Zê-ô-lit có hoạt tính xúc tác tốt nhờ vào các yếu tố: o Diện tích bề mặt lớn và khả năng hấp phụ cao
o Cấu trúc hệ các kênh và lỗ rỗng đồng nhất, tương thích với nhiều loại phân tử thường gặp trong công nghiệp lọc hóa dầu.
o Tính a-xit bề mặt: sự có mặt của các nhóm hy-đrô-xin a-xit mạnh trên bề mặt zê-ô-lit dạng H-Z. Các tâm a-xit mạnh đó là nguồn tạo ra các i-ôn cac-bo-ni-um cho các phản ứng theo cơ chế cac-bo-ca-ti-ôn.
o Sự tồn tại một điện trường tĩnh điện mạnh xung quanh các ca-ti-ôn có thể cảm ứng khả năng phản ứng của nhiều chất tham gia phản ứng.
o Có độ bền nhiệt và thủy nhiệt cao
o Ngoài ra, zê-ô-lit còn có một tích chất đặc trưng quan trọng, đó là tính chất lựa
thái chuyển tiếp. Do đó, ta có thể định hướng phản ứng theo hướng mong muốn, tránh được những phản ứng phụ, giảm nhẹ việc tinh chế sản phẩm, giảm phế thải, nâng cao hiệu quả kinh tế.
Ứng dụng
Làm chất xúc tác: Xúc tác chiếm một vị trí quan trọng trong ngành công nghiệp hóa dầu. Quá trình crac-kinh (cracking) xúc tác thường dùng loại zê-ô-lit X, Y có chứa các nguyên tố trong đất hiếm hay ở dạng đã trao đổi i-ôn và được xử lý bằng các phương pháp đặc biệt kết hợp với các hợp phần làm tăng độ bền cơ, bền nhiệt, hay điều chỉnh kích thước lỗ xốp. Zê-ô-lit có hoạt tính xúc tác cao nên người ta thường dùng nó ở dạng hỗn hợp với xúc tác vô định hình hay a-lu-mi-nô-si-li-cat tinh thể và được gọi là xúc tác chứa zê-ô-lit. Năm 1976 Mô-biu Ôi tạo ra được zê-ô-lit ZSM-5 có tác dụng chuyển mê-ta-nôn (methanol) thành xăng, một giải pháp cho cuộc khủng hoảng năng lượng lúc bấy giờ. Năm 1990, chuyển ben-zen (benzen) thành phê- nôn (phenol) với hệ xúc tác Fe-ZSM-5, Phit-chơ – Trốp (Fischer – Tropsch) đã tạo ra được xúc tác cho phản ứng tạo an-pha-ô-lê-phin (alpha-olefin).