日科学家：特殊沸石可将废油转为有用化学物质

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來源:大紀元



沸石，示意图。（Shutterstock）

【大纪元2024年10月04日讯】（大纪元专题部记者吴瑞昌编译报导）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。