圖1  ZSM-5分子篩的結構

ZSM是Zeolites Socony Mobil的縮寫，ZSM-5沸石分子篩則是20世紀七十年代美國Mobil石油公司開發成功的一系列新型的高硅鋁比沸石分子篩中其中的一種。它有著獨特的交叉孔道結構，都是10氧環組成，其直筒型孔道呈橢圓形，橫向孔道截面近似于圓形，孔口尺寸稍有區別。一組為平行于單胞的a軸，呈“Z”字形具有近似于圓形的開孔，其尺寸為0.54×0.56nm;另一組平行于單胞的b軸，為直通道，但為橢圓開口，其尺寸為0.51×0.57nm。ZSM-5晶體屬于理想的斜方晶系，其結構參數為a=20.1，b=19.9，c=13.4。

沸石分子篩按其尺寸的大小又可分為納米沸石分子篩和微米沸石分子篩，它們具有完全相同的孔道結構(如圖1)。但是微米ZSM-5分子篩的擇形催化技術存在局限性，主要是由于ZSM-5沸石分子篩孔道較長，構型擴散阻力太大，導致內表面的利用率較低，并且微米ZSM-5沸石分子篩抗積碳能力差，使得催化劑本身在反應過程中失活快，單程反應周期短，不利于工業化應用。

ZSM-5分子篩的主要特點有：熱穩定性、耐酸性、水蒸汽穩定性、憎水性、不易積炭、優異的擇形選擇性等。

1．熱穩定性

ZSM-5沸石的熱穩定性很高。這是由骨架中有結構穩定的五元環和高硅鋁比所造成。比如，將試樣在850℃左右焙燒2小時后，其晶體結構不變。甚至可經受1100℃的高溫。到目前為止，ZSM-5是己知沸石中熱溫定性最高者之一。所以將它用于高溫過程是特別適宜的。例如用它作為烴類裂解催化劑，可經受住再生催化劑時的高溫。

2．耐酸性

ZSM-5沸石具有良好的耐酸性，它能耐除氫氟酸以外的各種酸。

3.水蒸汽穩定性

Wang，IKai等的研究表明，當其他沸石受到水蒸汽和熱時，它們的結構一般被破壞，導致不可逆失活。而Mobil公司用ZSM-5作為甲醇轉化(水是主要產品之一)的催化劑。這表明ZSM-5對水蒸汽有良好的穩定性。540℃下用分壓為22mmHg柱的水蒸汽處理HZSM-5和HY沸石24小時后，HZSM-5的結晶度約為新鮮催化劑的70%，可是在同樣條件下，HY沸石的骨架幾乎全部被破壞。

4.憎水性

ZSM-5具有高硅鋁比，其表面電荷密度較小。而水是極性較強的分子，所以不易為ZSM-5所吸附。盡管水分子的直徑小于正己烷，但ZSM-5對正己烷的吸附量一般大于水。       

       5.不易積炭

       ZSM-5孔口的有效形伏、大小及孔道的彎曲，阻止了龐大的縮合物的形成和積累。同時，ZSM-5骨架中無大于孔道的空腔(籠)存在，所以限制了來副反應的大縮合分子的形成。從而使ZSM-5催化劑積炭的可能性減少。ZSM-5對烷基芳烴進入孔道形成障礙，因而反應過程中它不能在較小的孔道中繼續反應，最后縮聚形成焦。所以ZSM-5比Y型及絲光沸石的積炭速率慢得多，幾乎相差兩個數量級。

      6.優異的擇形選擇性

      以沸石分子篩作為催化劑，只有比晶孔小的分子可以出入催化反應的進行受著沸石晶孔大小的控制，沸石催化劑對反應物和產物分子的大小和形狀表現出極大的選擇性。ZSM-5沸石十元環構成的孔道體系具有中等大小孔口直徑，使它具有很好的擇形選擇性。

ZSM-5分子篩在國內外已有廣泛的用途，作為吸附材料廣泛應用于工業生產與環境治理中的分離與凈化、干燥等領域；又可作為催化材料而廣泛應用于石油加工、石油化工、煤化工、煤制油及有機合成等領域，如催化裂化、柴油降凝、催化脫蠟、擇形催化、直餾汽油提高辛烷值的芳構化、甲苯歧化、二甲苯異構化、甲醇轉化制汽油、甲醇脫水制二甲醚及低碳烴芳構化、C3-C4餾分疊合制汽油等方面；也可作為離子交換材料而應用于洗滌劑工業、水質凈化和污水處理、放射性廢料處理等領域。

ZSM-5分子篩的典型應用如下：

1.二甲苯異構化

對二甲苯是聚脂纖維的重要原料，二甲苯異構化是生產對二甲苯的重要方法之一。在二甲苯異構化反應中，大晶粒ZSM-5對于對二甲苯具有更好的選擇性，可是催化活性比同結構的小晶粒低。在NiHZSM-5上進行二甲苯異構化，通過用NH₃對導致脫烷基和歧化反應的酸中心選擇性中毒，可抑制C₈芳烴的損失及提高對和鄰二甲苯的產率。異構化也可在Ni-ZSM-5和含Pt的ZSM-5催化劑上進行。ZSM-5(沸石-硅鋁比≥10)-Pt-Sn用于二甲苯異構化，反應溫度250-550 ℃，催化劑中的S n抑制苯環加氫。

2.從甲醇合成汽油

用ZSM-5作催化劑，可使甲醇轉化為汽油，所得汽油產品的辛烷值高，為優質汽油產品中不含C₁₀以上的烴類，烴類產品中汽油餾分約占88%，轉化率達到10%。含B₂O₃的ZSM-5結構型沸石可用于甲醇轉化為汽油的催化劑。文獻報道，ZSM-5沸石(SiO₂/Al₂O₃=27～84)用于甲醇轉化為汽油，表現出自催化性質。把反應溫度從80℃提高到300℃，烴類產量急據增加。

3 .選擇重整

ZSM-5作催化劑采用類似于選擇重整的工藝，可以增產芳烴，提高重整汽油的辛烷值。且液體產物中芳烴濃度達90%，無需溶劑萃取即可獲得化工級芳烴。與載有不同金屬的ZSM-5產生芳烴的能力對比，發現載鋅的ZSM-5效果較好。ZSM-5中鋅的存在顯著地改善了它的芳構化作用。

4．苯和乙烯烷基化制乙苯

用HZSM-5或P-HZSM-5作催化劑，可使苯與乙烯進行氣相烷基化反應生產乙苯。在HZSM-5中加入含磷化合物改性后可以提高乙苯的選擇性及降低催化劑的老化速度。

5．甲苯和甲醇的烷基化制取對二甲苯

未經改性的ZSM-5催化劑，在甲苯與甲醇的燒基化反應中，一般給出接近平衡的二甲苯混合物。采用大晶粒ZSM-5得到的對二甲苯占所生成的全部二甲苯的46%。烷基化反應中，對二甲苯選擇性一般隨溫度升高而增加。

6．柴油加氫降凝

我國大部分原油屬于石蠟基或中間基原油，蠟含量較高，導致餾分油凝點也高。從我國2005年柴油產需情況看，柴油供應仍不能滿足要求。柴油加氫降凝技術不但可以滿足寒冷地區對低凝點柴油的需要，而且也是增產柴油的有效手段。

柴油加氫降凝工藝的技術關鍵是加氫降凝催化劑。最初的加氫降凝催化劑是用有機模板劑合成的ZSM-5分子篩為基質制備的，缺點是價格昂貴，起始反應溫度高，且存在環境問題。中國石化撫順石油化工研究院以直接法合成的ZSM-5分子篩為基質，采用無機酸處理、浸漬活性金屬鎳和高溫水蒸汽處理等改性工藝，得到價廉、無胺污染和反應性能穩定的加氫降凝催化劑，最早實現工業化的是FDW-1(工業牌號3881)催化劑，現己在國內煉油廠廣泛應用，FDW-1加氫降凝催化劑在哈爾濱煉油廠的應用結果表明，原料通過臨氫降凝催化劑的擇形裂化作用，凝點由1℃降到-55℃，柴油收率92.5%，汽油收4.0%，液體總收率可達98.5%。

中國石撫順石油化工研究院研究開發出新一代FDW-3加氫降凝催化劑，其催化性能優于3881催化劑，且不但可用于柴油餾分的催化脫蠟，還可用于生產潤滑油化基礎油的催化脫蠟工藝。

7.潤滑油催化脫蠟

潤滑油催化脫蠟工藝是利用ZSM-5分子篩擇形裂化的特性，將原料中的蠟分子轉化成C3~C4氣體和石腦油，再經蒸餾從潤滑油中脫除，而達到降低傾點的目的。

分子篩屬于高硅沸石，其酸性中心主要來源于和骨架鋁結合的羥基。由于ZSM-5沸石的硅鋁比可從10直至純硅（si1ica1ite-1)，其固態酸的類型、強度與分布都可調控，故被廣泛應用于煉油工業中，尤其是在柴油降凝、潤滑油催化脫蠟和汽油改質中得到廣泛的應用。