เมื่อไม่นานมานี้ คณะนักวิจัยจากสถาบันพลังงานชีวภาพและกระบวนการชีวภาพชิงเต่า แห่งสถาบันวิทยาศาสตร์จีน (QIBEBT) ได้พัฒนาแร่ซีโอไลต์อะลูมิโนซิลิเกตชนิดใหม่ที่มีความก้าวล้ำชื่อว่า ZMQ-1 ซึ่งสามารถแก้ปัญหาที่ซีโอไลต์แบบดั้งเดิมประสบในการจัดการกับโมเลกุลขนาดใหญ่ เช่น ข้อจำกัดของขนาดรูพรุน ความเสถียร และประสิทธิภาพในการเร่งปฏิกิริยา การค้นพบนี้ถือเป็นความก้าวหน้าครั้งสำคัญต่อกระบวนการเร่งปฏิกิริยาในอุตสาหกรรมปิโตรเคมี งานวิจัยชิ้นนี้ได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร Nature โดยระบุว่า ZMQ-1 เป็นซีโอไลต์อะลูมิโนซิลิเกตชนิดแรกที่มีโครงสร้างรูพรุนแบบวงแหวน 28 อะตอมที่เชื่อมโยงกันภายในอย่างเป็นระบบ
สารบัญ
โครงสร้างและการออกแบบเชิงนวัตกรรมของ ZMQ-1
ซิโอลิต คือแร่ซิลิเกตของอะลูมิเนียมที่มีโครงสร้างผลึกแบบมีรูพรุนขนาดเล็กและมีโมเลกุลของน้ำอยู่ในโครงข่าย สามารถดูดซับหรือกรองโมเลกุลของสารอื่นได้ จึงมักถูกเรียกว่า “ตะแกรงโมเลกุล” (Molecular sieve) ซิโอลิตถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในด้านการแลกเปลี่ยนไอออน การดูดซับ และตัวเร่งปฏิกิริยา ในชีวิตประจำวันสามารถใช้เป็นสารดูดซับและสารดูดความชื้น ตัวเร่งปฏิกิริยา หรือสารช่วยเร่งปฏิกิริยา สารซักฟอก และวัสดุก่อสร้าง อย่างไรก็ตาม ซิโอลิตแบบดั้งเดิมมีขนาดรูพรุนเล็กกว่า 2 นาโนเมตร ซึ่งทำให้เกิดข้อจำกัดเมื่อใช้งานกับโมเลกุลขนาดใหญ่
ที่ผ่านมา นักวิจัยเคยพยายามปรับเปลี่ยนโครงสร้างของซิโอลิตด้วยวิธีหลังการสังเคราะห์ เช่น การกัดกร่อนด้วยกรดหรือด่าง เพื่อสร้างรูพรุนขนาดกลาง (2–50 นาโนเมตร) หรือรูพรุนขนาดใหญ่ (>50 นาโนเมตร) ซึ่งได้วัสดุที่มีโครงสร้างรูพรุนหลายระดับ หรือที่เรียกว่า “โมเลกุลาร์ซีกหลายระดับ (hierarchical molecular sieve)” อย่างไรก็ตาม รูพรุนที่สร้างขึ้นภายหลังมักมีขนาดไม่สม่ำเสมอ ส่งผลให้ระดับผลึก ความเสถียรของโครงสร้าง และความแรงของความเป็นกรดของวัสดุลดลง จึงยังไม่สามารถตอบสนองความต้องการในระดับการใช้งานทางอุตสาหกรรมได้อย่างมีประสิทธิภาพ
ZMQ-1 ได้ฝ่าทะลุคอขวดนี้ได้และมีระบบช่องครอสเมโซพอร์ที่มีเอกลักษณ์เฉพาะซึ่งประกอบด้วยวงแหวนที่มีขนาด 28×10×10 เหลี่ยม ขนาดรูพรุนของเมโซพอร์ที่มี 28 วงแหวนมีขนาดถึง 22.32×11.84 อังสตรอม ซึ่งเข้าสู่ช่วงเมโซพอร์ ทีมวิจัยได้ใช้เทคนิคการเลี้ยวเบนอิเล็กตรอนสามมิติ (3D ED) และกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด (STEM) เพื่อวิเคราะห์โครงสร้างของ ZMQ-1 ผลการทดลองแสดงให้เห็นว่ามีรูพรุนขนาดเมโซที่มี 28 วงแหวนเชื่อมต่อกันผ่านหน้าต่างรูพรุนขนาดไมโครที่มี 10 วงแหวนเพื่อสร้างระบบช่องทางที่มีประสิทธิภาพ ซึ่งช่วยให้โมเลกุลทั้งขนาดใหญ่และเล็กแพร่กระจายได้อย่างราบรื่น จึงช่วยแก้ปัญหาข้อจำกัดในการแพร่กระจายของซีโอไลต์แบบดั้งเดิมได้
กลยุทธ์การสังเคราะห์และการเพิ่มความเสถียร
การสังเคราะห์ ZMQ-1 ที่ประสบความสำเร็จนั้นเป็นผลมาจากสารควบคุมโครงสร้างอินทรีย์ที่มีพื้นฐานจากฟอสฟอรัส (OSDA) เมื่อเทียบกับ OSDA ที่ใช้แอมโมเนียมแบบดั้งเดิมแล้ว OSDA ที่ใช้ฟอสฟอรัสจะมีประจุบวกที่แข็งแกร่งกว่าและมีเสถียรภาพสูงกว่า ซึ่งสามารถส่งเสริมการก่อตัวของโครงสร้างพรุนมีโซที่มีเสถียรภาพได้ นอกจากนี้ การตกผลึกของ ZMQ-1 ยังทำได้โดยการสังเคราะห์ไฮโดรเทอร์มอลด้วยอัตราส่วนซิลิกอน-อะลูมิเนียม (Si/Al) ที่ปรับได้ ทำให้ปรับแต่งให้เหมาะกับการใช้งานเฉพาะได้
ศาสตราจารย์ลู่เผิงกล่าวว่า “ZMQ-1 เป็นซีโอไลต์อะลูมิโนซิลิเกตตัวแรกที่มีระบบช่องทางเมโสพรอสในตัว ซึ่งแตกต่างจากวัสดุเมโสพรอสรุ่นก่อนๆ ที่มีโครงสร้างเสียหายได้ง่ายหลังจากกำจัดแม่แบบอินทรีย์ ช่องที่เชื่อมต่อกัน 28 วงแหวนของ ZMQ-1 ถือเป็นความก้าวหน้าครั้งสำคัญในการออกแบบซีโอไลต์”
ข้อได้เปรียบของ ZMQ-1 ในการประยุกต์ใช้ด้านการเร่งปฏิกิริยา
ซีโอไลต์แบบดั้งเดิมนั้นยากที่จะประมวลผลโมเลกุลขนาดใหญ่ได้อย่างมีประสิทธิภาพในระหว่างการแตกร้าวด้วยตัวเร่งปฏิกิริยาของน้ำมันหนักเนื่องจากข้อจำกัดด้านรูพรุนขนาดเล็ก ในขณะที่ ZMQ-1 แสดงให้เห็นประสิทธิภาพในการเร่งปฏิกิริยาที่ยอดเยี่ยม เมื่อเปรียบเทียบกับตัวเร่งปฏิกิริยาซีโอไลต์เชิงพาณิชย์แล้ว ซีโอไลต์ ZMQ-1 ที่ประกอบด้วยฟอสฟอรัสจะแสดงให้เห็นถึงการเลือกสรรที่สูงกว่าสำหรับเชื้อเพลิงเบา (เช่น น้ำมันเบนซินและดีเซล) ในปฏิกิริยาการแตกตัวเร่งปฏิกิริยาของน้ำมันหนัก และผลิตผลพลอยได้ เช่น โค้ก ก๊าซปิโตรเลียมเหลว และก๊าซแห้ง น้อยกว่า
นอกจากนี้ ZMQ-1 ยังมีความเสถียรทางความร้อนและความร้อนใต้พิภพที่สูงขึ้น จึงมั่นใจได้ว่าสามารถรักษาประสิทธิภาพการทำงานภายใต้สภาวะอุตสาหกรรมที่รุนแรงได้ โครงสร้างมีรูพรุนขนาดเมโสที่เป็นเอกลักษณ์เฉพาะและคุณสมบัติทางเคมีที่เสถียรทำให้มีศักยภาพในการนำไปประยุกต์ใช้ในด้านการแปลงโมเลกุลขนาดใหญ่โดยเร่งปฏิกิริยา การแยกการดูดซับ ฯลฯ
สรุปแล้ว
ZMQ-1 ซึ่งเป็นอะลูมิโนซิลิเกตซีโอไลต์ประเภทใหม่ มีโครงสร้างช่องที่มีรูพรุนระดับเมโสะในตัวซึ่งสามารถแก้ปัญหาข้อจำกัดของขนาดรูพรุนของซีโอไลต์แบบดั้งเดิมได้สำเร็จ และยังแสดงคุณสมบัติในการเร่งปฏิกิริยาและความเสถียรที่ยอดเยี่ยมอีกด้วย ความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีนี้จะไม่เพียงแต่ส่งเสริมการพัฒนาของกระบวนการเร่งปฏิกิริยาในอุตสาหกรรมปิโตรเคมีเท่านั้น แต่ยังจะสร้างโอกาสใหม่ๆ ให้กับการประยุกต์ใช้การแยกน้ำมันหนักและการแปลงพลังงานสีเขียว และเปิดโอกาสใหม่ๆ ให้กับการออกแบบและการประยุกต์ใช้ของวัสดุซีโอไลต์ที่มีฟังก์ชันในอนาคตอีกด้วย
อ้างอิง:
- ตะแกรงโมเลกุลซีโอไลต์ใหม่ที่ล้ำสมัยสามารถแปลงน้ำมันหนักให้เป็นเชื้อเพลิงมูลค่าสูงได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น
- Breakthrough New Material Transforms Heavy Oil Into High-Value Fuels
- Peng Lu, Jiaoyan Xu, Yiqing Sun, Rémy Guillet-Nicolas, Tom Willhammar, Mohammad Fahda, Eddy Dib, Bo Wang, Zhengxing Qin, Hongyi Xu, Jung Cho, Zhaopeng Liu, Haijun Yu, Xiaobo Yang, Qiaolin Lang, Svetlana Mintova, Xiaodong Zou & Valentin Valtchev.(2024) A stable zeolite with atomically ordered and interconnected mesopore channel, Nature, 636, 368–373. DOI: 10.1038/s41586-024-08206-1
แหล่งที่มาของภาพแรก: วารสาร Nature
สำหรับการบด เรามีการปรับแต่งตามความต้องการในการประมวลผล เพื่อให้มีประสิทธิภาพสูงสุด
ยินดีต้อนรับที่จะติดต่อเรา เราจะมีคนที่จะตอบคำถามของคุณ
หากคุณต้องการใบเสนอราคาแบบกำหนดเองโปรดติดต่อเรา
เวลาทำการฝ่ายบริการลูกค้า : จันทร์ – ศุกร์ 09:00~18:00 น.
โทร : 07 223 1058
หากมีข้อสงสัยหรือคำถามที่ไม่ชัดเจนทางโทรศัพท์ โปรดอย่าลังเลที่จะส่งข้อความส่วนตัวถึงฉันทาง Facebook ~~
เฟซบุ๊ก HonWay: https://www.facebook.com/honwaygroup
คุณอาจสนใจ…
- คำศัพท์และคำจำกัดความเกี่ยวกับความหยาบของพื้นผิว
- “ซุปเปอร์แซฟไฟร์” ถือกำเนิดแล้ว! มหาวิทยาลัยเท็กซัสได้พัฒนาวัสดุป้องกันฝุ่น ป้องกันหมอก และป้องกันแสงสะท้อนชนิดใหม่เพื่อปฏิวัติเทคโนโลยีแห่งอนาคต
- ปรับปรุงประสิทธิภาพการประมวลผลของวัสดุที่ตัดยาก – การแต่งต่อเนื่อง การตัดลึก และการบดแบบป้อนช้า
- อัญมณีเปลี่ยนสี – ไดอาสปอร์Diaspore
- เส้นใยนาโนที่รวมกับเปปไทด์ กระดาษกันน้ำนวัตกรรมใหม่สามารถปฏิวัติวงการบรรจุภัณฑ์และทดแทนพลาสติกได้
