Universiẗat-Gesamthochsch., Diss.--Paderborn, 1997.

Diese Arbeit befasst sich mit der katalytischen Umsetzung von oxygenierten Kohlenwasserstoffen in einem Strömungsrohrreaktor bei 500 °C an mikroporösem Alumosilicat ZSM-5, an dem mesoporösem Alumosilicat Al-MCM-41 sowie an deren Mischphasen. Anhand der katalytischen Untersuchungen ist es möglich, für verschiedene Anforderungen an das Produktspektrum Empfehlungen an die Eigenschaften des zu verwendeten Katalysatorsystems zu formulieren. Hierfür wurden Untersuchungen zum Einfluss relevanter Syntheseprozessparameter auf die Zusammensetzung von Al-MCM-41/ZSM-5-Mischphasen vorgenommen. Die Synthese solcher Mischphasen wurde über einen 'Zwei-Template/Ein-Schritt“-Ansatz durchgeführt, der es erlaubte, die an das Katalysatorsystem gestellten Anforderungen durch eine geeignete Wahl der Syntheseparameter zu genügen. Während der Synthese der Al-MCM-41/ZSM-5-Mischphasen beobachtet man drei sich gegenseitig beeinflussenden Vorgänge, die durch, in der wässrigen Syntheselösung vorliegende, alumosilicatische Komponenten miteinander verknüpft sind: Die Auflösung und anschließende Restrukturierung einer nicht-porösen amorphen Phase, die Auflösung und Restrukturierung einer mesoporösen Al-MCM-41-Phase und die Kristallisation einer mikroporösen ZSM-5-Phase. Durch die Erhöhung des Al-Anteils im Synthesegel werden die ZSM-5-Kristallisation verlangsamt und der Schwerpunkt des Gleichgewichts dieser drei Vorgänge für einen gegebenen Reaktionszeitpunkt in Richtung der Bildung der mesoporösen Al-MCM-41-Phase verlagert. Der Einfluss des, in das jeweilige Katalysatorsystem eingebauten Aluminiums auf die katalytische Umsetzung von Oxygenaten manifestiert sich für die beiden Alumosilicate ZSM¬ 5 und Al MCM-41 auf verschiedene Weise. Eine Erhöhung des Al-Anteils in einem mikroporösen ZSM-5-Katalysatorsystem begünstigt den Verlauf von bimolekularen Reaktionen. Dies äußert sich in einem verstärkten Auftreten von Paraffin-bildenden Raktionen wie die Wasserstoff-Transfer-Reaktionen und/oder die Carboniumionen-Spaltung sowie in einer Dominanz von Aromaten-bildenen Reaktionen wie die Cyclisierung mit anschließender Dehydrierung und Aromatisierung. Dieser Effekt kann bei einer Erhöhung des Al-Anteils in einem mesoporösen Al-MCM-41-Katalysatorsystem nur im geringen Maße beobachtet werden. Jedoch nimmt mit sinkendem Si/Al-Verhältnis in beiden Katalysatorsystemen der Anteil an Produkten mit drei oder vier Kohlenstoffatomen zu. Zudem kann dabei eine beginnende Unabhängigkeit des gebildeten Produktspektrums von der Kettenlänge und der funktionellen Gruppe des umgesetzten Oxygenats beobachtet werden.:Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung und Problemstellung 1 2 Grundlagen 4 2.1 Hydrothermale Synthese von Alumosilicaten 4 2.1.1 WÄSSRIGE CHEMIE UND HYDROTHERMALE BEHANDLUNG VON ALUMOSILICATEN 4 2.1.2 STRUKTUR UND BILDUNGSMECHANISMUS VON AL-MCM-41 5 2.1.3 STRUKTUR UND BILDUNGSMECHANISMUS VON ZSM-5 6 2.2 Katalytische Spaltung von Kohlenwasserstoffen an Alumosilicaten 9 2.2.1 NATUR UND LOKALISIERUNG VON SÄUREZENTREN 9 2.2.2 KOHLENWASSERSTOFF-POOL-MECHANISMUS UND VERKOKUNG 10 3 Experimentelles Vorgehen und analytische Messverfahren 14 3.1 Syntheseroute zur Herstellung von Al MCM 41/ZSM 5-Mischphasen, Al MCM 41 und ZSM-5 14 3.1.1 AL MCM 41/ZSM 5 MISCHPHASEN 14 3.1.2 AL-MCM-41 17 3.1.3 ZSM-5 17 3.2 Datenerhebung und -auswertung relevanter physikalisch-chemischer und festkörperanalytischer Charakterisierungsmethoden 17 3.2.1 PULVER-RÖNTGENDIFFRAKTOMETRIE 17 3.2.2 N2-PHYSISORPTION 19 3.2.3 TEMPERATUR-PROGRAMMIERTE AMMONIAK-DESORPTION 21 3.2.4 ELEMENTARANALYSE 23 3.2.5 27AL MAS NMR 24 3.2.6 THERMOGRAVIMETRISCHE ANALYSE 25 3.3 Katalytische Austestung und Analyse der Messdaten 26 3.3.1 VERSUCHSDURCHFÜHRUNG 26 3.3.2 ANALYSE UND AUSWERTUNG KATALYTISCHER MESSDATEN 27 3.3.3 DURCHGEFÜHRTE KATALYTISCHE TESTMESSUNGEN 29 4 Untersuchungen zum Bildungsmechanismus von Al MCM 41/ZSM 5-Mischphasen 33 4.1 Mechanistische Deutung 33 4.1.1 VORBETRACHTUNG 33 4.1.2 REAKTIONSABLAUF 34 4.1.3 UNTERSUCHUNG DER MESOPOROSITÄT 39 4.1.4 MORPHOLOGISCHE BETRACHTUNG 43 4.2 Wechselwirkungen der „Beeinflussungsfaktoren“ 45 4.2.1 EFFEKT VERSCHIEDENER AUTOKLAV-TYPEN 45 4.2.2 EFFEKT DES AL-ANTEILS IM SYNTHESEGEL 48 4.2.3 SYMBIOTISCHE EINFLUSSNAHME VON ALUMINIUM UND TENSIDEN 50 5 Charakterisierung verwendeter Katalysatormaterialien 52 5.1 ZSM-5 52 5.2 Al-MCM-41 57 5.3 Physikalische Mischungen aus Al-MCM-41 und ZSM-5 60 6 Katalytisches Spalten von Oxygenaten an ZSM 5 64 6.1 Katalytisches Spalten von Alkohol-Oxygenaten an ZSM 5 in Abhängigkeit des Si/Al Verhältnisses 64 6.1.1 PRODUKTANALYSE ANHAND DER KOHLENSTOFFANZAHL IM PRODUKTMOLEKÜL 65 6.1.2 PRODUKTANALYSE ANHAND EINZELNER STOFFGRUPPEN 68 6.2 Katalytisches Spalten von Carbonyl-Oxygenaten an ZSM 5 in Abhängigkeit des Si/Al Verhältnisses 71 6.2.1 PRODUKTANALYSE ANHAND DER KOHLENSTOFFANZAHL IM PRODUKTMOLEKÜL 72 6.2.2 PRODUKTANALYSE ANHAND EINZELNER STOFFGRUPPEN 76 6.3 Ableitung eines Kohlenwasserstoff-Pool Mechanismus zur Beschreibung des katalytischen Spaltens von Oxygenaten an ZSM 5 80 6.3.1 VEREINHEITLICHUNG DES OXYGENAT FEEDS ÜBER DESSEN DEOXYGENIERUNG 81 6.3.2 ASSIMILATION KURZKETTIGER OLEFINE DURCH EINEN KATALYTISCH AKTIVEN BEREICH 83 6.3.3 EINFLUSS DES PORENSYSTEMS UND AL-ANTEILS IM KATALYSATORSYSTEMS 85 6.3.4 BESCHREIBUNG DER PRODUKTBILDUNG EINZELNER STOFFGRUPPEN IN ABHÄNGIGKEIT WESENTLICHER REAKTIONSBEDINGUNGEN 87 7 Katalytisches Spalten von Triacylglyceriden an Al MCM 41 und physikalischen Mischungen aus Al-MCM-41 und ZSM-5 92 7.1 Gegenüberstellung des katalytischen Spaltens von Ethyloctanoat an Al MCM 41 und ZSM 5 in Abhängigkeit des Si/Al Verhältnisses 92 7.2 Anwendung des Kohlenwasserstoff-Pool Mechanismus zur Beschreibung des katalytischen Spaltens von Triacylglyceriden an physikalischen Mischungen aus Al MCM-41 und ZSM-5 97 7.3 Synthese-Struktur-Wirkungsprinzip 103 8 Zusammenfassung und Ausblick 106 Literatur 112 Abbildungsverzeichnis 127 Tabellenverzeichnis 139 Abkürzungsverzeichnis 141 Anhang 142 Veröffentlichungen 165 Eidesstattliche Erklärung 168