โครงสร้างพื้นผิวและสมบัติตัวเร่งปฏิกิริยา
ของตัวเร่งปฏิกิริยาปิโตรเคมี
จำรัส ลิ้มตระกูล 1 สุภา หารหนองบัว 1 จรุงศักดิ์ ย้อยนวล 1 อุษา อ้นทอง 1
ปิติ ตรีสุกล 1 ลักขณา หล่อตระกูล 1 พรพรรณ พื่งโพธิ์ 1
สะหรี ยูดา 1 มะยูโซ๊ะ กูโน 1 และคมภัทร สาทิตโกวิทชัย 1
ซีโอไลต์ เป็นสารที่มีความสำคัญในด้านอุตสาหกรรม การเกษตร รวมทั้งในด้านสิ่งแวดล้อม ในปัจจุบันนักเคมี สามารถทำการสังเคราะห์ซีโอไลต์แบบต่างๆ ที่มีสมบัติแตกต่างกันขึ้นอยู่กับโครงสร้างและองค์ประกอบของสาร จึงได้มีการศึกษาอิทธิพลต่างๆ ที่มีผลต่อสมบัติของซีโอไลต์ เพื่อนำเอาผลที่ได้ไปใช้ในการพัฒนาและสังเคราะห์สาร ซีโอไลต์ให้มีสมบัติตรงตามจุดประสงค์ที่ต้องการ
Zeolite Models แบบจำลองที่ใช้ในการศึกษาคุณสมบัติต่างๆ ของซีโอไลต์ ประกอบด้วยแบบจำลองดังรูป ก-ง เมื่อเปรียบเทียบโครงสร้างในแบบจำลองข้างต้นกับผลการทดลอง (NMR และ X-ray) สรุปได้ว่า แบบจำลองที่ใช้สามารถ นำไปใช้อธิบายสมบัติที่สำคัญของซีโอไลต์ได้เป็นอย่างดี
Adsorption of simple molecular probes on zeolites กระบวนการดูดซับบนตัวเร่งปฏิกิริยานั้นเป็นกระบวนการที่สำคัญในอุตสาหกรรมเคมี เช่น กระบวนการเปลี่ยนแปลง Methanol เป็นสาร Hydrocarbon (MTO, MTG) เราได้ทำการศึกษากระบวนการดูดซับของ แอมโมเนีย น้ำ และ เมธานอล บนซีโอไลต์ด้วย Model ข้างต้นที่ได้รับการทดสอบถึงความน่าเชื่อถือในการอธิบายลักษณะของซีโอไลต์แล้ว
เราสามารถศึกษาการเปลี่ยนแปลงโครงสร้าง พลังงาน IR-Frequency และ ปฏิกิริยาการดูดซับ ของ adsorbate (adsorbed species) และ adsorbent (zeolite) Potential Energy Function ที่ได้จากแบบจำลองสามารถนำ ไปใช้ศึกษา โครงสร้าง กระบวนการแพร่ กระบวนการดูดซับ และ ทำนายสมบัติที่ยังไม่สามารถทำการทดลองได้
จากผลงานของปฏิบัติการคอมพิวเตอร์และเคมีประยุกต์ มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ ซึ่งได้ทำการศึกษาการดูดซับของกลุ่ม MeOH บนตัวเร่งปฏิกิริยาซีโอไลต์ ทำให้ Prof. C.R.A. Catlow และคณะ (The Royal Institue of Great Britain) และ G.D. Gale (Imperial College, University of London) ได้นำผลการวิจัยจากห้องปฏิบัติการเคมีคอมพิวเตอร์และเคมีประยุกต์เป็นข้อมูลแล้วเสนอกลไกของ Surface Methylation เป็นชนิด SN2 (ดังรูปข้างล่าง) ซึ่งเกี่ยวข้องกับ MeOH จำนวน 2 โมเลกุล ทั้งนี้ เพราะว่าโมเลกุลของ MeOH ตัวที่สองจะมีผลทำให้ Activation Energy ต่ำลง
Structure 1 (Physisorbed)
ZOH + 2MeOH
Structure 4
ZOMe + H2O + MeOH
SN2 Pathways for surface methylation involving methanols
CAMD , Computational Chemistry and Parallel Synthesis of Modified Zeolite and Molecular Sieves
การวิจัยมุ่งเน้นการพัฒนาองค์ความรู้ใหม่ทางด้านซีโอไลต์และโมเลคิวลาซีฟ ที่มีสมบัติเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาเพื่อนำมาเป็นโครงสร้างต้นแบบของตัวเร่งปฏิกิริยา (Catalyst prototype) เป็นสารโครงสร้างนำ ในการพัฒนา Catalysis เพื่อให้เหมาะสมกับปฏิกิริยาเคมีที่ต้องการ โดยเฉพาะปฏิกิริยาเคมีที่มีความสำคัญในอุตสาหกรรมเคมี
ห้องปฏิบัติการวิจัยเคมีฯ ได้อาศัยกระบวนการ CAMD (Computer-Aided Molecular Design) และ Computational Chemistry ในการศึกษาโครงสร้างต้นแบบเพื่อช่วยลดขั้นตอนในการสังเคราะห์และ Characterization ของโมเลกุลที่ได้
รูป
A =สารละลาย Na2SiO3.5H2O B =สารละลาย T2(SO4)3.16H2O และ TPABr
C =สารละลาย NaCl และ NaOH T = B, Al, Ga, Fe และ V
TPABr = Tetrapropylammonium bromide [ N(C3H7)4Br ]
Quantitative Relations of the batch Composition and the Si/Al ratio in Zeolite Production
องค์ประกอบหลักที่ทำให้ซีโอไลต์มีสมบัติแตกต่างกัน คืออัตราส่วนของ Si/Al การเปลี่ยนอัตราส่วนของ Si/Al นั้นมีผลก่อให้เกิดการเปลี่ยนแปลงต่อ catalytic activity และความเสถียรของโครงสร้างซีโอไลต์ การแทนที่ธาตุ Si หรือ Al ด้วยธาตุอื่น เช่น Ge, Ga, P, B และ Fe ในโครงสร้างซีโอไลต์ทำให้เกิด acidic hydroxyl (Al-OH-Ge, Si-OH-Ga, Si-OH-B ) ซึ่งก่อให้เกิดการเปลี่ยนแปลง polarity และความเป็นกรดของซีโอไลต์จากความสัมพันธ์ของ O-H stretching ((OH) กับ อัตราส่วนของ Si/Al ที่คำนวณได้ทำให้เราสามารถหาอัตราส่วน Si/Al ของซีโอไลต์ที่สังเคราะห์ได้ พร้อมทั้งสมบัติที่สำคัญ ของซีโอไลต์
ขอขอบคุณ
สำนักงานกองทุนสนับสนุนการวิจัย (The Thailand Researce Fund) สถาบันวิจัยและพัฒนา
มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ (KURDI) และภาควิชาเคมี คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์
1 ภาควิชาเคมี คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์
