کاربرد «زئولیت» در صنایع؛ از گذشته تا حال

دکتر مریم کارگر راضی

سنتز و تهیه زئولیت‌های «هیراکایرال» به عنوان سرفصل پژوهش‌های توسعه یافته در زمینه زئولیت است. استراتژی‌های اصلی تحقیق در خصوص ویژگی کاتالیزوری است که محور آنها طراحی نانوساختاری و سنتزهای پایه تایلور است. DZA به عنوان مجمع زئولیت آلمان در سال ۱۹۹۴ با همکاری آلمان و بلژیک برای افزایش دانش زئولیت و مواد مرتبط پایه‌گذاری شد. همکاری DZA با انجمن‌هایFEZA و IZA برای دستیابی به اهداف فوق است. در این راستا دوره‌های تخصصی سنتز‌، شناسایی و کاربرد زئولیت‌ها و مواد مرتبط نیز برگزار می‌شود.

کارگاه تخصصی DZA در۲۰ آبان (۱۱ نوامبر۲۰۱۰) در کمپ دانشگاه تکنولوژی Tu/e شهر «آیندهاون» هلند برگزار شد. کمیته برگزارکننده از شرکت‌های پیشکسوت در این زمینه مانند کمپانی Shell و دانشگاه‌های Delft ,Eindhoven بودند که متخصصین به ایراد سخنرانی با موضوعات روشن‌سازی اهداف کاربردی علوم زئولیت پرداختند. سخنرانان مدعو از پیشگامان و رهبران کارگروه‌های پژوهشی زئولیت در دانشگاه و صنعت‌، پروفسور ریو از کره جنوبی‌، دکتر «ون دانک» از فرانسه و دکتر «یاکوب» از بلژیک بودند. فراخوان این سمپوزیوم ۱۵ سپتامبر ۲۰۱۰اعلام و برنامه نهایی ۲۹ اکتبر اطلاع رسانی شد.

خواص ویژه زئولیت‌ها به عنوان کاتالیزور اساس طرح‌های صنعتی است که در آن تبدیل مشتقات هیدروکربنی از نفت خام اهمیت دارد. توسعه دانش کاربرد کاتالیستی زئولیت‌ها به روش‌های احیای ضایعات نفتی می‌انجامد.

برجستگی خواص زئولیت‌ها به عنوان کاتالیزور در عملیات پالایشگاهی مانند کراکینگ تک عاملی‌، هیدروکراکینگ تک عاملی‌، هیدروکراکینگ دو عاملی و ایزومریزاسیون‌، هیدروسولفورزدایی‌ و موم زدایی، همچنان مورد توجه است.

تحقیقات کنونی بیشتر به نقش شکل گزینی در تهیه و تبدیل داخلی آلکیل آروماتیک‌ها اختصاص دارد. ویژگی که زئولیت‌ها می‌توانند در ارتقای محلول‌های واکنش فیش - تروپس و الکل‌های سبک داشته باشند، همچنان از مباحث واحدهای تحقیق و توسعه است. قابلیت کاتالیزوری زئولیت در فرآیندهای ترکیبات مربوط به تری گلیسریدها، نشاسته/ سلولز و لیگنین نیز اهمیت دارد.

بهینه‌سازی زئولیت‌ها به عنوان کاتالیزور برای مولکول‌های واکنشگر که اندازه بزرگ دارند و ناقل هستند در کارآیی آنها موثر است. در این راستا دستیابی به سیستم‌های کاتالیزوری مزبور و میکروپودر زئولیت‌، تحقق می‌شود.

ایجاد ساختارهای مزبور که دارای سایز حفرات ۵۰-۲ نانومتر می‌باشند در کریستال‌های زئولیت‌، به روش‌های متفاوتی انجام می‌شود که از شاخص‌های موضوع تحقیقات می‌باشد. در حال حاضر روش‌های پیشنهادی در مرحله مقایسه بازدهی می‌باشد، همچنین در مقیاس پایلوت ارزیابی اقتصادی و زیست محیطی انجام می‌شود.

زئولیت‌ها‌، آلومینو سیلیکات‌های میکروپودر نقش مهمی ‌را در صنایع شیمیایی مدرن به عنوان کاتالیزورهای اسید - باز هتروژن ایفا می‌کنند. در این میان‌، زئولیت ZSM-S با توپولوژی MFI‌، کاربردهای متعددی در فرآیندهای کاتالیزوری مختلف پیدا کرده است. بررسی مورولوژی در خصوص تغییر سایز کریستال‌های مزوپور این گروه در محدوده ابعادی ۵۰-۵۰ نانومتر عرض و ۲۵۰ نانومتر طول از آخرین دستاوردهای تحقیقات دانشمندان می‌باشد.

از دیگر روش‌های تغییر در ساختار که به شکل گزینی می‌انجامد. استفاده از گروه‌های آمین یا جایگزینی گروه‌های آلی - فلزی با بنیان آلومینیوم، گالیم، ایندیم‌، کروم و اسکاندیم به جای چهاروجهی‌های آلومینات است که دستاورد آن حذف دی اکسید کربن یا متان به عنوان محصول فرعی از واکنش‌های شیمیایی یا ذخیره‌سازی گاز در فرآیند‌های صنعتی است. این دسته از زئولیت‌ها تحت نام MOF۵ یعنی ساختارهای آلی فلزی بررسی می‌شوند بدین معنا که گرو‌های آلی بین لایه‌های دو یا سه بعدی به وسیله فلز پیوند ایجاد کرده‌اند.

جداسازی هیدروژن با استفاده از غشاهای زئولیتی منجر به کاهش هزینه‌، افزایش راندمان و کنترل فرآیندی آسان‌تر نسبت به روش‌های قبلی باشد. در روش پیشین از لایه‌های متراکم آلیاژی پالادیمی‌استفاده می‌شد. غشاهای زئولیتی دارای توپولوژی DPR است که زئولیت‌های sigma-۱ و ZAM-۵۸ دارای این قابلیت هستند.

از دیگر کاربردهای شاخص زئولیت‌ها‌، حذف و ذخیره‌سازی آلاینده‌های فیایندی است. برای مثال استونیتریل تولید شده در واکنش‌های شیمیایی‌، دارویی، تولید آکریلونیتریل و غیره را می‌توان با قراردادن بستری جامد از زئولیت به صورت گزینشی‌، ذخیره‌سازی کرد یا در فرآیند تولید استونیتریل‌، به حداقل رساندن آب در محصول نهایی بسیار اهمیت دارد. در این خصوص استفاده از ستون‌های جذب با بستر حاوی زئولیت‌، می‌تواند آب را از محلول استونیتریل حذف کند این روش نسبت به سایر روش‌های صنعتی قبلی از نظر اقتصادی توجیه بالایی دارد.

در واکنش‌های هیدروکراکینگ نقش زئولیت‌ها به عنوان کاتالیزور بسیار مهم است. زئولیت Y از دیرباز در این خصوص استفاده می‌شد. ساخت زئولیت Y با کانال‌های شبکه ای سه بعدی منجر به بهینه سازی فرآیند‌های کراکینگ گزینشی شده است.

اهمیت کاتالیزوری زئولیت‌ها در فرآیند‌های هیدروژناسیون در صنایع غذایی و روغن‌های خوراکی به خوبی شناخته شده است‌. افزایش مقاومت روغن در برابر اکسیداسیون خودبه‌خود مجاورت هوا و دستیابی به پروفیل ذوب مناسب از جمله مزایای کاربرد کاتالیزوری زئولیت‌ها است اما اعمال فرآیند هیدروژناسیون روغن چندان برای سلامت مفید نیست، زیرا در حین آن تبدیل سیس و ترانس به صورت موازی انجام می‌شود و این در حالی است که مقررات بهداشت موادغذایی آمریکا‌، کانادا و اروپا حضور اسیدهای چرب ترانس را بسیار محدود کرده است. با تغییر در توپولوژی ساختاری زئولیت ZSM-S می‌توان‌، گزینش پذیری ترانس را به سیس افزایش داد. یکی از این روش‌ها تغییر در نسبت Si/Al مراحل سنتز می‌باشد.

استفاده از کربن در اندازه نانو سبب بهتر شدن ویژگی کاتالیزوری مزوپورهای پایه سیلیس می‌شود. این کاتالیزور را تحت عنوانCSM (Carbon- Silica-Mesopore or materials) می‌شناسند.

بررسی پدیده‌های تاثیرگذار در انتقال جرم مانند نفوذ در انتخاب نوع زئولیت با توجه به نوع فرآیند مهم بوده و از مباحث نوین در این زمینه است که برای کاتالیزورهای مزوپوری در محیط‌های هتروژن مطرح می‌شود.

دانشگاه آزاد اسلامی ‌واحد تهران شمال- دانشکده شیمی