Mikrodalga destekli zeolit katalizörleri ile sürdürülebilir kimyasal üretim

Zeolitler, düzenli boşluklu yapılar, ayarlanabilir asit-baz özellikleri ve yüksek ısıya dayanıklılıklarıyla kataliz alanında avantajlı bir kullanım sunmaktadırlar.¹

Kimyasal formülü NaₙAlₙSi₉₆₋ₙO₁₉₂·16H₂O’dur (0<n<27). 1975 yılında Mobil Oil Company tarafından patenti alınan bu madde, petrol endüstrisinde hidrokarbon izomerizasyon reaksiyonları için heterojen bir katalizör olarak yaygın olarak kullanılmaktadır. Kyushu Üniversitesi’ndeki araştırmacılar, mikrodalga kullanımının, Na-ZSM-5 adlı zeolit ​​malzemede biyokütleden, plastiklere ve ilaçlara kadar pek çok alanda üretim materyali olarak kullanılan olefinlerin kimyasal dönüşümünü iyileştirici etkisi olduğunu ortaya koymuşlardır.

Çalışma, mikrodalga ile ısıtılması sonucunda elde edilen temel kimyasal malzemeler ile daha verimli ve sürdürülebilir enerji üretilebileceğine dair umutları artırmaktadır. Elde edilen kimyasallar doğal olarak her çalışma alanında temel başlangıç malzemesi olarak yer almaktadır. Örneğin plastik, ilaç ve gıda katkı maddeleri bu alanlardan birkaçıdır.²

Bu temel kimyasalların sentezlenmesinde yaygın olarak kullanılan bir yöntemi olan naftanın yeniden şekillendirilmesidir. Ancak bu işlem çok enerji tüketmesinin yanı sıra CO₂ salınımına da neden olmaktadır. Son yıllarda yemeklik yağları ve mikroalg yağları gibi biyokütle temelli alternatifler, kimyasal üretim için ucuz ve çevre dostu kaynaklar olarak potansiyel arz etmektedirler. Bu yağlar, ‘katalitik kraking‘ denilen bir yöntem ile katalizör veya emici görevinde kullanılan gözenekli doğal bir malzeme olan zeolit aracılığla kimyasallara dönüşütürülebilir.²

Katalitik kraking, genellikle malzemelerin 500–600 °C kadar yüksek sıcaklıklara kadar ısıtılmasını gerektiren bir işlemdir. Ancak zeolitler, bu gibi çalışmalarda 400 ºC ila 600 ºC arasındaki sıcaklıklara getirdiklerinde güçlü asit bölgelerinde koklaşmaya (tortu birikmesi) neden olurlar. Böylece bu tür sıcaklıklarda çalışmak, tortu birikmesi nedeniyle katalizörün ömrünü azaltmaktadır.³

Doçent Dr. Tsubaki ve ekibi, koklaşma gibi olumsuz etkilere yol açma sorununa çözüm olarak zeolitlerin mikrodalga ile ısıtmasını önerdi. Tusubaki,’’Mikrodalga ısıtması, malzemelerle doğrudan etkileşime girmesi ve malzemelere seçici olarak enerji iletebilmesiyle geleneksel ısıtmadan daha düşük enerjiyle yağların yüksek sıcaklıkta katalitik olarak parçalanmasını kolaylaştırmaktadır. Ayrıca, mikrodalgalar gaz fazından doğrudan ayrılmış katılaştırılmış seçici bir şekilde ısıtarak gaz-katı arasındaki kimyasal performansları hızlandırabilir. Bunu, katalizör yatağının içinde belli konumlarda sıcak bölgeler oluşturarak başarır.’’² diye açıklamıştır.

Araştırma ekibi, çeşitli zeolit katalizörlerini karşılaştırarak mikrodalgalarla etkili bir biçimde etkileşen ve iyi katalitik performans sağlayanları incelediler. Hem teorik hem de deneysel veriler neticesinde Na-ZSM-5‘in en etkili sonuç verdiğini gözlemlediler. Mikrodalga ısıtmasının geleneksel ısıtmaya kıyasla daha etkili bir yöntem olduğunu kanıtlamak için araştırmacılar metil oleat üzerinde katalitik dönüşüm gerçekleştirdiler. Na-ZSM-5’in mikrodalga ısıtması sonucunda diğer katalizörlerden daha iyi performans gösterdiği ve yağ asidi esterlerinin yüksek seçicilikle olefinlere dönüştürülmesinde yüksek bir verimlilik elde ettiği gözlemlediler. Ayrıca süreç sonucunda karbondioksit üretimi büyük ölçüde baskılanmış ve hiç karbon monoksit üretilmemiştir.

Mikrodalga ısıtmasının avantajı, Na-ZSM-5’in 500 °C’ye kadar ısıtılması sırasında geleneksel depolamayla karşılaştırıldığında dört kat daha fazla olefin üretilmesi olmuştur.³ Mikrodalga ısıtması, zeolitin iç yapısında lokalize yüksek sıcaklıklar oluşturulur ve bu sıcaklıklar olefin üretimini hızlandırdığı gözlemlenmiştir. Mikrodalga ısıtmanın bir diğer önemli avantajı, zeolit ​​kafesinde 1000 °C’nin üzerinde lokal sıcaklıklar oluşurken, malzeme genel sıcaklığı 500 °C’de kalmasıdır. Bu aşırı sıcaklıklar, büyük olasılıkla olefinlerin üretimi için seçici olarak artırmaktan sorumludur.

Sonuç olarak, Na-ZSM-5 zeolitinin mikrodalga ile ısıtılması, biyokütle bazlı olefin üretiminin önemli ölçüde artırılmasına ve aynı zamanda kimya sektörünün de sürdürülebilirliğine katkı sağlamaktadır. Bu yöntem, daha verimli, temiz ve enerji tasarruflu bir kimyasal üretim süreci sunarak endüstriyel kimyanın da geleceğine yön verebilecek bir potansiyele sahiptir.²

Araştırmacılar, mikrodalga kullanarak katalitik süreçleri daha da geliştirmeyi, kapasitelerini artırırken verimi ve enerji verimliliğini iyileştirmeyi planlıyorlar. Çabalarının sürdürülebilir kimyasal üretimde yeni bir dönem açabileceğine inanıyorlar.

Kaynaklar

1. Wang, P., Yang, M., Liao, H., Xu, K., Zong, X., Xie, Z., … & Tan, L. (2023). Restructured zeolites anchoring singly dispersed bimetallic platinum and zinc catalysts for propane dehydrogenation. Cell Reports Physical Science, 4(3).
2. https://phys.org/news/2024-09-zeolite-catalyst-method-microwaves-cooking.html
3. Ota, S., Fukushima, J., Kimijima, K. I., Kimura, M., Igura, N., Tezuka, N., … & Tsubaki, S. (2024). Microwave-enhanced catalytic conversion of fatty acid ester to olefins by Na-ZSM-5. Chemical Engineering Journal, 497, 154737.
4. Shao, H., He, Q., Wang, D., Zhang, Y., Jiang, T., & Guo, X. (2022). The active sites and catalytic properties of CrOx/Zn-Al2O3 catalysts for propane dehydrogenation. Applied Catalysis A: General, 637, 118610.
5. Yin, H., Wang, W., Li, Y., Wen, H., Chen, S., Jiang, N. (2024). An eco-friendly method for the scale-up synthesis of ZSM-5 Zeolite. Microporous and Mesoporous Materials, 365, 122907.

Gamze Özel