Zeolit dalam Konversi Biomassa: Katalisis Asam Lewis dan Multifungsi

Zeolit ​​banyak digunakan sebagai katalis asam padat dalam banyak proses industri. Keasaman zeolit ​​dapat disebabkan oleh situs asam Bronsted dan Lewis. Pertukaran kation monovalen dengan ion polivalen menciptakan pusat Bronsted yang kuat melalui fenomena hidrolisis, yang berguna untuk beberapa reaksi katalis asam seperti alkoholdehidrasi, asilasi, estrifikasi, dan reaksi Diels-Alder.

Jumlah situs proton dapat dikurangi dan ditambah jumlah situs Lewis dengan reaksi dehidrasi, yang dilakukan di atas 875 K°. Waktu proses pertukaran kation dapat dikurangi dengan iradiasi gelombang mikro.

Situs Lewis dapat ditingkatkan ketika logam / zeolit ​​disiapkan dalam pertukaran ion fase padat di bawah iradiasi gelombang mikro. Menariknya, dalam beberapa reaksi, termasuk asilasi intramolekul, isomerisasi dan konversi asam menjadi benzimidazol, situs Lewis adalah pusat aktif.

Meskipun banyak laporan tentang aktivitas katalitik yang baik untuk zeolit ​​penukar ion padat, mekanisme interaksi radiasi gelombang mikro dengan campuran ion logam garam/zeolit ​​belum sepenuhnya dipahami. Secara khusus telah ditemukan bahwa, sebagai hasil dari perlakuan gelombang mikro, ion logam dapat terjadi setidaknya dalam tiga bentuk berbeda di atas atau di dalam zeolit:

i) lapisan luar kristal zeolit ​​oleh gugus logam,

ii) garam logam sisa yang tersebar di atas permukaan zeolit, dan

iii) ion logam yang tergabung dalam saluran dan sangkar zeolit ​​melalui pertukaran ion.

Spektroskopi FT-IR dengan berbagai molekul probe, seperti asammonia, quinolin, piridin dan karbon monoksida telah digunakan untuk karakterisasi situs asam. Baru-baru ini, metode penyempurnaan Rietveld dapat digunakan untuk karakterisasi situs ini.

Dalam artikel ini, kami memperkenalkan metode selektif untuk menyesuaikan situs Bronsted dan Lewis dalam zeolit. Juga; jelaskan tentang beberapa metode untuk mengkarakterisasi situs-situs tersebut. Akhirnya, mekanisme beberapa reaksi dengan situs Lewis dan katalisis multifungsi.

Katalisis Asam Lewis

Sebagian besar penelitian menunjukkan bahwa memasukkan logam ke dalam zeolit ​​dengan larutan berair melalui proses pertukaran ion meningkatkan situs Bronsted. Umumnya untuk meningkatkan situs Bronsted ke larutan garam logam, zeolit ​​ditambahkan. Campuran diaduk selama 24 jam dan kemudian disaring. Padatan yang diperoleh dicuci dengan air sampai diperoleh filtrat yang tidak berwarna. Produk zeolit akhir dikeringkan pada suhu kamar.

Meskipun, memasukkan kation logam transisi ke dalam pori-pori zeolit ​​mengimpor keasaman Lewis ke katalis ini dan meningkatkan aktivitas katalitiknya tetapi tidak banyak laporan tentang situs ini tentang zeolit yang dimodifikasi. Pada bagian ini kami memperkenalkan metode sederhana untuk meningkatkan situs Lewis campuran zeolit ​​dan garam logam dicampur secara mekanis, digiling dan dipanaskan dalam oven microwave selama 10-20 menit pada daya 900 W.

Selain situs asam Brønsted, mensubstitusi atom Si dalam kerangka zeolit ​​dengan atom Ti, Sn, atau Zr yang terkoordinasi secara tetrahedral dapat menghasilkan situs asam Lewis, yang dapat menerima pasangan elektron dari molekul tamu, memfasilitasi banyak proses konversi biomassa yang tidak dapat berlangsung di atas situs asam Brønsted.

Misalnya, zeolit ​​asam Lewis dapat digunakan untuk mensintesis asam tereftalat, monomer kunci dalam sintesis polietilen tereftalat, dari molekul yang berasal dari biomassa. Secara tradisional, asam tereftalat diproduksi dengan oksidasi p-xilena yang diturunkan dari minyak bumi. Pacheco dan Davis mengusulkan strategi untuk mensintesis asam tereftalat dari 5-hidroksimetilfurfural dengan menggunakan zeolit ​​asam Lewis berpori besar sebagai katalis.

Secara khusus, asam 5-(hidroksimetil)furoat yang berasal dari oksidasi sebagian 5-hidroksimetilfurfural direaksikan dengan etilen bertekanan tinggi di atas zeolit ​​Sn-beta melalui dehidrasi Diels-Alder untuk menghasilkan asam 4-(hidroksimetil)benzoat dengan selektivitas 31% pada 61 % konversi asam 5-(hidroksimetil)furoat. 4-(Hidroxymethyl) asam benzoat kemudian dapat dioksidasi untuk menghasilkan asam tereftalat.

Perhatikan bahwa menggunakan asam Brønsted H-beta sebagai katalis secara signifikan menurunkan hasil produk dehidrasi Diels-Alder, yang menunjukkan peran penting situs asam Lewis dalam reaksi ini. 

Dalam studi lain, konversi gula tetrosa menjadi ester asam -hidroksi (seperti metil vinil glikolat, metil-4-metoksi-2-hidroksibutanoat, dan -hidroksi-γ-butirolakton), yang merupakan blok bangunan yang berguna untuk degradable fungsional. poliester, diwujudkan lebih dari zeolit ​​asam Lewis.

Dengan Sn-beta sebagai katalis, selektivitas 80% ester asam -hidroksi pada konversi 95% gula tetrosa tercapai. Secara khusus, frekuensi pergantian yang sangat tinggi sebesar 330 mol molSn−1 jam-1 telah dicapai, yang merupakan peningkatan lebih dari 6 kali lipat dibandingkan dengan SnCl4·5H2O yang homogen. Selain itu, kurungan pori katalis asam Lewis sangat mengontrol selektivitas produk.

Sn-beta mikro dan Sn-MFI menyukai pembentukan metil vinil glikolat, sedangkan katalis mesopori, seperti Sn-MCM-41 dan Sn-SBA-15, lebih menyukai pembentukan metil-4-metoksi-2-hidroksibutanoat yang lebih besar. Contoh terbaru lain dari katalisis zeolit ​​asam Lewis adalah sintesis ester diacid tak jenuh melalui kondensasi aldol keto ester.

Strategi tradisional untuk produksi diacid dan diester dari molekul yang diturunkan dari biomassa mengalami selektivitas yang buruk dan pemanfaatan karbon yang tidak efisien. Dengan katalis zeolit ​​Sn-, Zr-, dan Hf-beta, etil piruvat dikondensasikan menjadi dietil 2-metil-4-oksopen-2-enadioat dan dietil 2-metilen-4-oksopentanedioat.

Secara khusus, Zr- dan Hf-beta menunjukkan kinerja katalitik terbaik, memberikan konversi etil piruvat tertinggi (>80%) dengan selektivitas yang sebanding (>64%) terhadap diester. Heteroatom di situs asam Lewis dalam kerangka zeolit ​​​​sangat penting untuk reaksi ini. Ketika Sn-beta, H-beta, dan silika murni beta digunakan sebagai katalis, konversi jauh lebih rendah diamati.

Katalisis Multifungsi

Transformasi biomassa menjadi bahan kimia dan bahan bakar sering mengalami reaksi bertingkat, yang masing-masing mungkin memerlukan katalis yang berbeda. Katalis zeolit ​​dapat disesuaikan dengan situs aktif gabungan untuk memungkinkan reaksi bertingkat terjadi dengan cara "satu pot".

Sebagai contoh, zeolit ​​Sn-Al-beta mengandung situs asam Brønsted dan Lewis karena kehadiran keduanya tetrahedral AlIII dan SnIV, masing-masing, yang dapat digunakan untuk katalisis kooperatif konversi bertahap 1,3-dihidroksiaseton menjadi etil laktat.

Selama reaksi bertingkat ini, situs asam Brønsted AlIII mempercepat dehidrasi dihidroksiaseton untuk membentuk aldehida piruvat, dan situs asam Lewis SnIV mengkatalisis pergeseran hidrida dari aldehida piruvat menjadi etil laktat dengan etanol.

Dibandingkan dengan Sn-beta yang hanya mengandung situs asam Lewis, situs asam Brønsted dalam Sn-Al-beta bifungsional memfasilitasi langkah penentuan laju dehidrasi dihidroksiaseton, memberikan rekor laju produksi etil laktat yang tinggi (2.113 g kgSn-Al-beta− 1 jam 1). Selain itu, penggunaan campuran fisik Sn-beta dan Al-beta menunjukkan hasil laktat sederhana, menyiratkan efek kerjasama antara situs asam Brønsted dan Lewis di Sn-Al-beta.

Selain menggabungkan situs asam yang berbeda, zeolit ​​​​dapat membentuk katalis komposit dengan nanopartikel logam mulia, menunjukkan aktivitas tinggi logam mulia dan selektivitas bentuk zeolit. Misalnya, mengoksidasi bioetanol yang dihasilkan oleh fermentasi, yang mengandung hingga 90% air, menjadi bahan kimia bernilai tinggi sangat menarik.

Katalis komposit logam/zeolit ​​dapat digunakan untuk oksidasi katalitik bioetanol menjadi asetaldehida dengan aktivitas dan selektivitas yang tinggi. Secara khusus, komposit Au/silicalit-1 (tipe MFI) dapat dibuat dengan mengenkapsulasi ratusan nanopartikel Au terdispersi dengan diameter 2-3 nm dalam kristal zeolit ​​silikalit-1.

Berbagai mesopori dimasukkan ke dalam kristal silikalit-1 melalui pendekatan rekristalisasi untuk meningkatkan perpindahan massa dalam katalis komposit dan aksesibilitas Au. Karena efek kurungan dan selektivitas bentuk silikalit-1, nanopartikel Au yang dienkapsulasi menunjukkan stabilitas yang sangat baik dan menghasilkan konversi 50% bioetanol dengan selektivitas 98% terhadap pembentukan asetaldehida.

Dalam studi yang berbeda, katalis komposit Pd@silicalite-1 berstruktur inti-cangkang dengan nanopartikel Pd (inti) yang dienkapsulasi oleh kristal zeolit ​​silikalit-1 (kulit) dibuat dari kristalisasi bebas pelarut. aktivitas nanopartikel Pd dan selektivitas silikalit-1, katalis komposit ini menunjukkan selektif furan tinggi (98,7%) dan konversi furfural (91,3%) untuk hidrogenasi furfural pada 250 °C.

Sebaliknya, selektivitas furan dibandingkan nanopartikel Pd yang didukung silikalit-1 konvensional (Pd/silikalit-1) hanya 5,6%. Selektivitas furan yang luar biasa seperti itu dikaitkan dengan perpindahan massa yang dapat dibedakan dari produk terhidrogenasi dalam mikropori zeolit.

Singkatnya, zeolit ​​telah menunjukkan potensi luar biasa untuk pemanfaatan biomassa industri masa depan dengan memanfaatkan situs asam dan multifungsi Brønsted/Lewis yang unik. Namun, stabilitas, re-generatabilitas, dan selektivitas produk perlu ditingkatkan lebih lanjut untuk aplikasi yang muncul ini.

Secara khusus, kemampuan katalitik zeolit ​​harus dievaluasi tidak hanya dalam sistem reaksi batch tetapi juga dalam reaktor skala. Berbeda dari bahan kimia yang berasal dari minyak bumi, molekul yang berasal dari biomassa biasanya mengandung sejumlah besar oksigen, membuat konversi katalitiknya menjadi lebih menantang.

Selain itu, mekanisme reaksi dari banyak konversi biomassa melalui katalis zeolit ​​masih belum jelas. Oleh karena itu, studi eksperimental dan teoritis yang komprehensif terhadap mekanisme konversi biomassa diperlukan di masa depan dengan bantuan karakterisasi operando dan pemodelan komputer tingkat tinggi.

Sementara itu, distribusi produk konversi biomassa agak rumit, yang memerlukan pemanfaatan selektif selektivitas bentuk dari zeolit ​​yang berbeda. Setelah hubungan struktur-aktivitas kompleks mereka terungkap, katalis zeolit ​​​​baru dengan fitur struktural tertentu akan dirancang secara rasional menuju reaksi katalitik spesifik yang menarik di masa depan.

Distributor Zeolit Untuk Berbagai Aplikasi dan Industri

Jika Anda adalah perusahaan yang membutuhkan zeolit untuk pengolahan berbagai produk Anda, kami siap membantu. Ady Water jual zeolit untuk filter air jenis batu, pasir, dan tepung. Kemasan zeolit per karung 20 kilogram dan eceran 4 kilogram.

Kami juga sudah suplai zeolit ke industri food and beverage, berbagai BUMN, kebutuhan softener (Pelunak Air / Pengurang Kesadahan Air) rumah tangga. Semua produk kami ready stock. Selain itu, kami juga dapat memberikan suplai hingga puluhan ton secara rutin per bulan atau sesuai dengan kebutuhan Anda.

Untuk informasi lebih lanjut bisa hubungi kami di;

Pusat Zeolit Unggulan Ady Water Bandung

Jalan Mande Raya No. 26, RT/RW 01/02 Cikadut-Cicaheum, Bandung 40194

 

Zeolit Filtrasi Air Jakarta

Jalan Tanah Merdeka No. 80B, RT.15/RW.5 Rambutan, Ciracas, Jakarta Timur 13830

 

Zeolit Untuk Air Bersih Jakarta Barat

Jalan Kemanggisan Pulo 1, No. 4, RT/RW 01/08, Kelurahan Pal Merah, Kecamatan Pal Merah, Jakarta Barat, 11480

 

 Atau Anda juga bisa langsung kontak sales kami secara langsung baik via phone maupun WhatsApp:

•         0821 2742 4060 (Ghani)

•         0812 2165 4304 (Yanuar)

•         0821 2742 3050 (Rusmana)

•         0821 4000 2080 (Fajri)

•         0812 2445 1004 (Kartiko)

•         0812 1121 7411 (Andri)               

Untuk Anda yang membutuhkan zeolit baik untuk kebutuhan pengolahan air rumah tangga maupun industri termasuk bagi Anda yang menjalankan bisnis pengolahan air, silahkan kontak kami segera.

Jika Anda memiliki pertanyaan seputar zeolit, silahkan kontak kami untuk diskusi lebih lanjut dan temukan produk zeolit sesuai kebutuhan. Kami di Ady Water menawarkan zeolit terbaik untuk berbagai aplikasi. Silahkan datang ke kantor kami atau kontak sales kami di nomor di atas. Terima kasih.