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日科学家:特殊沸石可将废油转为有用化学物质

沸石,示意图。(Shutterstock)

传统工业上有许多将废弃生质材料转变为有用的化学物质的方法,但这些方法需要大量的能源和催化剂,且转换效率低下。这次日本著名大学研制了一种特殊沸石,只需透过简单的微波加热,就能轻松且快速的转换这些生质材料。

一般合成塑胶、药品或食品添加剂等物品,通常从结构简单的化学前驱物(烯烃类化合物)开始合成,而这些东西大多是从石油中提炼出来,但石油在开采和提炼过程不仅需大量能源,还容易造成环境污染。

于是人们以食用油废料、微藻油等生质材料,作为高效、可持续合成前驱化学品,来取代部分石油。方法是把沸石加入废油中,再用传统的热对流方式把油加热至400°C至600°C,使沸石透过“催化裂解”让油裂解成烯烃类化合物(苯、甲苯、二甲苯等)。不过,这种方法需要耗费大量能源去加热废油,还容易让废油在高温下,出现许多不必要的物质(焦化),且会缩短催化剂(沸石)的使用寿命。

沸石是一种多孔天然材料,通常用作催化剂或吸收剂,若孔洞遭到堵塞其效率就会降低。

日本九州大学(Kyushu University)研究人员发现一种名为“Na-ZSM-5”的沸石材料作为催化剂。只要把它加入废弃的食用油,再透过微波加热的方式加热至500°C至600°C,就能使废弃的食用油转变为有用的“烯烃类型”化学物质。该研究成果发表在《化学工程杂志》的10月月刊上。

九州大学农学院的椿俊太郎(Shuntaro Tsubaki)副教授带领的团队首先比较了各种沸石催化剂,希望寻找能够被有效微波加热和具有良好催化性能的沸石。最后,他们找到了“Na-ZSM-5”。

这种沸石是一种由钠离子(Na+)取代的沸石,可以在透过微波将沸石催化剂加热到所需的温度,而不会产生“焦化”。“焦化”是一些不必要的沉积物,在沸石的周围积累而产生的现象。

他们为了展示微波加热相对于传统加热的优势,把Na-ZSM-5沸石加入油酸甲酯,再用微波将油酸甲酯加热,让其催化裂解成为乙烯、丙烯等烯烃。

结果发现,采用Na-ZSM-5沸石和微波的方法,能让整体转化效率比传统方法提高4倍以上,且整体转化具有高达80%的选择性。此外,这种沸石还能抑制裂解时形成的苯、甲苯和二甲苯等烯烃物质,出现变质和产生有毒的一氧化碳。整个反应过程产生的二氧化碳也很少。

实验人员还发现,透过低频微波把含有Na-ZSM-5沸石的油酸甲酯加热到500°C时,能够产生乙烯、丙烯和二甲苯等物质,且最高的碳产率高达35%。

为了解Na-ZSM-5沸石为何具有良好的选择性和催化能力,研究人员对这种沸石进行微波射击,发现它部分的晶格会快速飙升近1000°C,即便整个沸石的温度为500°C,也会出现这种结果。因此,他们推测这种极端温度可能就是推动烯烃的主要原因之一。

椿俊太郎副教授对该校的新闻室表示,“微波直接让材料进行加热,还可以选择性的向它们传递能量,与传统的热对流过程相比,节省了大量能源。”“特别是微波可以直接穿过空气,并选择性的加热固体催化剂,达到加速整体催化的过程。另外,这些被加热的催化剂会形成空间热点,去催化那些物质进行裂解。”

他还强调说,“这一研究结果将有助于化学工业更进一步电气化,因为微波可以藉由太阳能和风能等再生能源产生。可以减少这些基本化学品合成对环境的影响。”

研究团队计划进一步增强微波驱动的催化过程,寻求提高产量和能源效率来扩大产能,同时希望他们的努力能开创可持续性化学的新时代。

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