Zeolite ZSM-5 là một zeolite có hàm lượng SiO2 cao, tỉ số SiO2/Al2O3 có thể biến đổi từ 20 đến 8000, kích thước lỗ xốp tương đối nhỏ và đồng đều, đường kính mao quản trung bình 5,5 Ao thuộc zeolite có mao quản trung bình. Ngồi tính acid mạnh, tính bền nhiệt, zeolite này cịn có một tính chất nổi bật là chọn lọc hình học.
Đây là yếu tố then chốt làm gia tăng chỉ số octan của gasolin và olefin nhẹ, đặc biệt là propen. Zeolite ZSM-5 được xem như là một vật liệu xúc tác có ứng dụng rộng rãi trong cơng nghiệp hóa học. ZSM-5 là zeolite có độ acid lớn nên rất thuận lợi trong các quá trình chế biến, đặc biệt là quá trình cracking xúc tác.
b. Một số tính chất hóa lý của các thành phần trong xúc tác FCC
* Tính chất acid của zeolite [11][16][19]
Tính chất này có được là do những tâm acid và bazo trên bề mặt của nó. Tính acid là một trong những tính chất quan trọng của zeolite.
Zeolite ở dạng trao đổi H + hoặc các cation kim loại đa hoá trị Men+ (RE3+, Cu2+, Mg2+, Ca2+,...) có chứa hai loại tâm acid: tâm Bronsted và tâm Lewis. Các tâm này có thể được hình thành theo các cách sau:
Phân huỷ nhiệt zeolite đã trao đổi cation với NH4+
Tiếp tục nung sẽ xảy ra q trình dehydroxyl hố cấu trúc, tạo một tâm Lewis từ hai tâm Bronsted:
Xử lý zeolite trong môi trường acid (đối với các zeolite bền có tỷ số Si /Al cao):
Ngồi ra các tâm acid cịn được tạo ra do sự thuỷ phân cation đa hoá trị ở nhiệt độ cao và sự khử ion kim loại chuyển tiếp. Độ acid của zeolite được biểu thị qua bản chất, lực và số lượng của tâm acid. Độ acid của zeolite bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, trong đó những yếu tố quyết định là: cấu trúc tinh thể của zeolite (sự thay đổi góc liên kết Si-OH-Al, thành phần của zeolite (tỷ số Si /Al khung mạng, sự phân bố Al trong và ngoài mạng sự thay thế đồng hình Si với các nguyên tố khác như Be, B, Ga, Fe, Ge, P, Ti,...); bản chất và hàm lượng của cation trao đổi; các điều kiện xử lý nhiệt [19].
Tính chọn lọc kích thước của zeolite là sự điều khiển theo kích cỡ và hình dạng của phân tử, khuếch tán vào và ra khỏi hệ thống mao quản, làm ảnh hưởng đến hoạt tính xúc tác và độ chọn lọc của xúc tác. Tính chất chọn lọc kích thước của zeolite trong xúc tác FCC cũng là tính chất quyết định hiệu quả của phản ứng.
Từ hỗn hợp các chất phản ứng chỉ có những kích thước thích hợp sẽ vào khoang zeolite và trải qua biến đổi hóa học. Khi bổ sung thêm một lượng nhỏ ZSM- 5 vào xúc tác FCC, trị số octan của xăng nhận được sẽ cao hơn so với trường hợp chất xúc tác khơng chứa zeolite ZSM-5. Vai trị của zeolite ZSM-5 được lý giải trên cơ sở đặc trưng hình học của cấu trúc ZSM-5, cụ thể là kích thước các lỗ xốp có tác dụng tăng cường quá trình cracking các parafin mạch thẳng thành các olefin nhẹ cũng như các quá trình dẫn đến hình thành các hợp chất thơm. Q trình chọn lọc kích thước của ZSM-5 được mơ phỏng như hình 1.15.