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Hauptseminar AC V Katharina Ottermann, 17.07.2012

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Präsentation zum Thema: "Hauptseminar AC V Katharina Ottermann, 17.07.2012"—  Präsentation transkript:

1 Hauptseminar AC V Katharina Ottermann,

2 Zeolithe sind kristalline, hydratisierte Alumosilicate, synthetisiert oder natürlich vorkommend, mit Gerüststruktur, die Alkali- bzw. Erdalkali- kationen enthalten. (D. W. Breck) Stöchiometrie für reine Zeolithe: M x/n [Al x Si 1-x O 2 ] · m H 2 O Primary Building Units (PBU): Tetraeder. Zentralatom: Si 4+ bzw. Al 3+ an den Ecken: O 2- L. Puppe Chemie unserer Zeit, 1986, 4,

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4 Verbinden der Si- und Al- Tetraeder zu SBUs (Secondary Building Units) -> eine Ecke im Polyeder ist jeweils ein PBU-Tetraeder R. E. Morris J. Mater. Chem., 2005, 15,

5 L. Puppe Chemie unserer Zeit; 1986, 4, 117 – 127

6 Si/Al-Verhältnis kann nie kleiner 1 sein es dürfen sich nie zwei Al-Tetraeder nebeneinander befinden, da die Struktur sonst instabil wird und sich Al 2 O 3 bildet für Si/Al = 1 gilt: Si und Al sind streng alternierend verteilt für Si/Al > 1 gilt: Al ist statistisch auf den Si-Plätzen verteilt 29 Si MAS NMR of Zeolite X and Y: J. Senker, Skript Open-Framework Inorganic Materials Si/Al: 1,02 1,41 2,45 3,77 4,88 50

7 besitzen strukturdirigierende Eigenschaften meist ein- oder mehrwertige Kationen stabilisieren die entstehende Zeolithstruktur während der Synthese Unterscheidung zwischen spezifischen und unspezifischen Templaten Beispielsweise Tetrapropylammoniumkationen zur Synthese von ZSM-5 (MFI) Tetramethylammonium für LTA, FAU und andere L. Puppe Chemie unserer Zeit; 1986, 4, 117 – 127 / J. Senker, Skript Open-Framework Inorganic Materials

8 Ausgangsstoffe: wässrig-alkalische Lösungen reaktionsfähiger Silicium- und Aluminiumverbindungen Natriumwasserglas, Kieselgel oder Kieselsäure als Siliciumquelle Aluminiumhydroxid oder andere Aluminiumsalze als Aluminiumquelle Bildung eines reaktionsfähigen Gels Zeolithstruktur abhängig von: Zusammensetzung Templateffekten organischer Kationen Kristallisationstemperatur Rührgeschwindigkeit Umwandlung der amorphen Reaktionsmischungen in kristalline Produkte (bei höheren Temperaturen im Autoklaven)

9 Anhand des Porendurchmessers erfolgt eine Einteilung in engporige, mittelporige und weitporige Zeolithe. J. Senker, Skript Open-Framework Inorganic Materials

10 W. Reschetilowski, H. Toufar Wiss. Z. TU Dresden, 2007, 56, 67-73

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12 W. Reschetilowski, H. Toufar Wiss. Z. TU Dresden, 2007, 56, L. Puppe, W. Büchner Naturwissenschaften, 1984, 71, ; L. Puppe Chemie unserer Zeit; 1986, 4, 117 – 127 Verwendung als Molekularsieb definierter Porendurchmesser von Zeolith A (engporiger Zeolith) scharfe selektive Trennung auch von chemisch verwandten Stoffen aufgrund der Molekülgröße -> n-/iso-Paraffintrennung Querschnitt der Moleküle muss kleiner sein als der Porendurchmesser

13 Verwendung als Molekularsieb definierter Porendurchmesser von Zeolith A (engporiger Zeolith) scharfe selektive Trennung auch von chemisch verwandten Stoffen aufgrund der Molekülgröße -> n-/iso-Paraffintrennung Querschnitt der Moleküle muss kleiner sein als der Porendurchmesser W. Reschetilowski, H. Toufar Wiss. Z. TU Dresden, 2007, 56, 67-73

14 Ionenaustausch: z.B. Ca- und Mg-Austausch an Natrium- Zeolith A bei 25 °C Austausch, wenn der Radius des wasserfreien Ions kleiner ist als der Porendurchmesser Austauschgeschwindigkeit abhängig von der Größe der Hydrathülle des Ions Modifizierung der Zeolithe: Effektiver Porendurchmesser steigt mit der Größe und der Ladung des adsorbierten Ions Sauerstoffanreicherung in der Luft: Stickstoff wird aufgrund der starken WW seines Quadrupolmoments zu den Ca 2+ - bzw. Mg 2+ -Ionen besser adsorbiert als Sauerstoff L. Puppe Chemie unserer Zeit; 1986, 4, 117 – 127

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16 weitporiger Zeolith Zeolith X: Si/Al-Verhältnis nahe 1, anfällig gegen Säuren, Wasser und Dampf Zeolith Y: Si/Al-Verhältnis von 2,4; höhere Beständigkeit ultrastabiler Zeolith Y USY J. Scherzer, Journal of Catalysis, 54, 1978, / W. Reschetilowski, H. Toufar Wiss. Z. TU Dresden, 2007, 56, 67-73

17 FCC-Verfahren (Fluid Catalytic Cracking) bedeutender Stoffumwandlungsprozess in der erdölverarbeitenden Industrie Verwendung des ultrastabilen Zeolith Y USY Kationen ausgetauscht gegen Protonen säurekatalysiertes Cracken höher siedender Erdölfraktionen zu leichter flüchtigen Produkten es werden vor Allem Motorbenzine und Olefine (Ethen, Propen, Buten) erhalten

18 katalytische Aktivität v. a. durch: Saure Gruppen auf der inneren Oberfläche elektrostatisches Feld im Inneren der Hohlräume und Kanäle Vorteile: heterogener Kat Regeneration Formselektivität Brönsted-Säurezentren: hohe Säurestärke der Brücken-OH-Gruppen für Protonenkatalysierte Reaktionen Lewis-Säurezentren: durch thermisch initiierte Dehydroxylierung wirken allein oder mit Brönsted-Säurezentren zusammen / W. Reschetilowski, H. Toufar Wiss. Z. TU Dresden, 2007, 56, 67-73

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20 Weitporiger Zeolith hoher Si-Gehalt -> hohe Temperaturbeständigkeit außerdem hohe Strahlenbeständigkeit -> Entfernen von Casium-137 und Strontium-90 aus radioaktiven Abwässern (Langzeitlagerung dieser Zeolithe durch Verglasen möglich) Entfernen von NH 4 + aus Gewässern zum Schutz von Fischen W. Reschetilowski, H. Toufar Wiss. Z. TU Dresden, 2007, 56, 67-73

21 / L. Puppe Chemie unserer Zeit; 1986, 4, 117 – 127

22 Mittelporiger Zeolith FCC-Verfahren analog zur Verwendung von USY MTG = Methanol to Gasoline Verfahren Methanol / Dimethylether -> Ottokraftstoff mit hoher Oktanzahl Alternative zum Fischer-Tropsch-Verfahren W. Reschetilowski, H. Toufar Wiss. Z. TU Dresden, 2007, 56, 67-73

23 folie_struktur_Entstehung.jpg ( ) L. Puppe Chemie unserer Zeit; 1986, 4, 117 – 127. R. E. Morris J. Mater. Chem., 2005, 15, J. Senker, Skript Open-Framework Inorganic Materials W. Reschetilowski, H. Toufar Wiss. Z. TU Dresden, 2007, 56, L. Puppe, W. Büchner Naturwissenschaften, 1984, 71, J. Scherzer, Journal of Catalysis, 54, 1978,

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