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La présente invention se rapporte à un agent adsorbant du type à tamisage moléculaire et plus particulièrement à une forme cristalline syn- thétique de silicate de sodium et d'aluminium, à ses dérivés et aux procé- dés de fabrication et d'activation de ces adsorbants.
La présente invention se propose principalement de fournir un agent adsorbant du type à tamisage moléculaire possédant des propriétés adsorban- tes améliorées, et singulièrement un alumino-silicate métallique cristallisé, possédant de remarquables propriétés et une très grande capacité d'adsorp- tion, ainsi qu'un procédé commode et efficace de fabrication et d'activation de l'absorbant nouveau selon l'invention.
Les alumino-silicates métalliques hydratés naturels sont dénommés zéolites. Les absorbants synthétiques selon l'invention ont des compositions similaires à celles de certaines des zéolites naturelles, de sorte que le terme de "zéolite" semble s'appliquer de manière appropriée aux adsorbants selon l'invention. Il existe toutefois des différences nettes entre les ma- tières synthétiques et les matières naturelles. Pour distinguer les unes des autres, on désignera l'alumino-silicate de sodium cristallisé synthétique selon l'invention par le terme de "zéolite X".
Certains adsorbants, y compris la zéolite X, adsorbent sélectivement des molécules suivant leur grandeur et leur forme et sont dits des "tamis moléculaires". Les tamis moléculaires présentent une zone de sorption disponible à l'intérieur d'un grand nombre de pores de dimensions régulières d'ordre moléculaire. Avec un tel arrangement, les molécules d'une certaine dimension et d'une certaine forme pénètrent dans les pores et sont adsorbées, alors que les molécules plus grosses ou de forme différente sont exclues.
Tous les adsorbants ne se comportent pas comme des tamis moléculaires. Les adsorbants communs comme le charbon de bois et le gel de silice, par exemple, ne manifestent pas d'action de tamisage moléculaire.
La zéolite X consiste fondamentalement en un édifice à trois dimensions de tétraèdres de SiO4 à AlO4. Ces tétraèdres sont réticulés par par- tage des atomes d'oxygène de manière que le rapport des atomes d'oxygène au total des atomes d'aluminium et de silicium est égal à 2 ou O/(Al+Si) = 2.
L'électrovalence de chaque tétraèdre contenant de l'aluminium est équilibrée par l'inclusion dans le cristal d'un cation, par exemple un ion alcalin ou alcalino-terreux. Cet équilibre peut être exprimé par la formule : Al2 (Ca, Sr, Ba, Na2, K2) = le . On peut échanger un cation avec un autre par les techniques d'échange d'ions décrites ci-après. Les espaces existant entre les tétraèdres sont occupés par des molécules d'eau avant déshydratation.
La zéolite X peut être activée par chauffage de manière à éliminer l'eau d'hydratation. La déshydratation donne des cristaux entrelacés de canaux de dimensions moléculaires qui offrent une très grande surface pour l'adsorption des molécules étrangères. Les canaux interstitiels ont une dimension telle que, aux points les plus étroits, les molécules dont les dimensions maximum des sections transversales minimum projetées sont supérieures à celles de l'heptacosafluorotributylamine n'entrent pas dans les canaux.
Les facteurs influençant l'occlusion par les cristaux de zéolite activée X sont les dimensions et le pouvoir polarisant du cation interstitiel, la polarisabilité et la polarité des molécules occluses, les dimensions et la forme de la molécule adsorbée par rapport à celles des canaux, la durée et la sévérité de la déshydratation et de la désorption, et la présence de molécules étrangères dans les canaux interstitiels. Bien entendu, les caractéristiques de refus de la zéolite X sont tout aussi importantes que les caractéristiques d'adsorption ou d'adsorption positive. Par exemple, si l'on a à séparer le
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benzène de l'heptacosafluorotributylamine (C4H9)3N, il est aussi essentiel que les cristaux refusent l'heptacosafluorotributylamine qu'ils adsorbent le benzène.
Un caractère de l'invention est le procédé relativement simple de préparation de la zéolite X. Bien que nombre de cations puissent être présents dans la molécule de zéolite X, il est préférable de faire la synthèse de la forme sodique du cristal, attendu que les réactifs sont faciles à se procurer et solubles dans l'eau. Le sodium sous la forme sodique de la zéolite X peut être aisément échangé avec d'autres Traitons, comme on le verra. En principe, le procédé préféré comporte le chauffage d'un mélange approprié, en solution aqueuse, des oxydes ou des matières dont la composition chimique peut être complètement représentée comme des mélanges des oxydes Na2O, Al2O3, SiO2 et H2O, convenablement à une température d'environ 100 C. pendant une période allant jusqu'à 90 heures ou plus.
On sépare par filtration le produit qui cristallise du mélange chaud, on le lave au moyen d'eau distillée jusqu'à ce que l'eau de lavage en équilibre avec la zéolite ait un pH de 9 à 12. Après activation, par exemple par séchage, la matière est prête à fonctionner à titre de tamis moléculaire.
La demanderesse a trouvé qu'une température d'environ 100 C. était particulièrement avantageuse dans ce procédé. Cette température est facile à maintenir, assez élevée pour activer effectivement la réaction, tout en étant assez basse pour donner des cristaux de forte teneur en eau qui, après activation, possèdent une capacité d'adsorption élevée.
La zéolite X peut être distinguée des autres zéolites et silicates par son spectre de diffraction des rayons X effectué sur la poudre et par certaines de ses caractéristiques physiques. Le spectre de diffraction des rayons X de,'diverses formes à ions échangés de zéolite X sont décrites ci-dessous. La composition et la densité comptent parmi les caractéristiques qui se sont montrées les plus importantes pour identifier la zéolite X.
La formule fondamentale de toutes les zéolites cristallisées dans laquelle M est un métal et n sa valence peut être représentée comme suit M2O : Al2O3: X SiO2 : Y H2O. En général, une zéolite particulière cristal- n lisée possède des valeurs de X et de Y se trouvant dans une gamme déterminée.
La valeur de X pour une zéolite particulière varie quelque peu en raison de ce que les atomes d'aluminium et de silicium occupent essentiellement des positions équivalentes dans le réseau. De faibles variations dans les nombres relatifs de ces atomes ne modifient pas de manière sensible la structure cristalline ou les propriétés physiques de la zéolite. Pour la zéolite X, de nombreuses analyses ont montré qu'une valeur moyenne de X est d'environ 2,5 et généralement comprise entre 2,5 ¯ 0,5.
La valeur de Y n'est pas nécessairement invariable pour tous les échantillons de zéolite X, particulièrement dans le cas des diverses formes d'échange ionique de la zéolite X, ceci parce que les divers ions échangeables ont des dimensions différentes et que, comme il n'y a pas de changement important dans les dimensions du réseau cristallin à la suite de l'échange des ions, il existe plus ou moins*d'espace disponible dans les pores de la zéolite X pour accueillir le molécules d'eau.
La valeur moyenne de Y déterminée par chauffage de la zéolite sodique complètement hydratée à 500 C. sous une pression d'environ 0,1 mm. est de 6,2. La zéolite X partiellement échangée avec du lithium et la zéolite
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sodique X partiellement échangée avec du magnésium donnent une valeur de Y supérieure, qui est d'environ 7,2 pour la forme complètement hydratée. On peut obtenir une valeur de Y de 8 environ pour une zéolite X à échange com- plet avec le magnésium ou le lithium. Les zéolites X à échange partiel avec le calcium et le baryum possèdent respectivement des valeurs de Y d'environ
6,4 et 6,2 et, si l'échange est complet, de 7 environ.
Dans la zéolite X obtenue par synthèse conformément au procédé préféré, le rapport Na2O/Al2O3 doit être égal à 1. Si la totalité de l'ex- cès de base présente dans la liqueur-mère n'est pas éliminée par lavage du produit précipité, l'analyse peut montrer un rapport supérieur à 1, et si le lavage est poussé trop loin, il peut se produire un certain échange du sodium avec des ions hydrogène, le rapport devenant alors inférieur à 1.
On a constaté qu'en raison de la facilité avec laquelle s'opère l'échange avec l'hydrogène, le rapport est, pour la zéolite X, de :
M2O n =0,9 0,2, Al2O3 = 0,9 ¯ 0,2, M représentant un métal et n sa valence. Une composition typique de la zéo- lite sodique X exprimée en oxydes est de 0,9 Na2O/Al2O3/2,5 SiO2/ 6,1 H2O.
Ainsi, la formule pour la zéolite X peut être écrite de la maniè- re suivante : ( 0, 9 ¯ 09,2)M2O :Al2O3:(2,5 + 0,5)SiO2: Y H2O n
Dans cette formule M représente un métal, n sa valence et Y peut avoir une valeur quelconque allant jusqu'à 8, suivant l'identité du métal et le degré d'hydratation du cristal.
Les pores de la zéolite X sont normalement remplis d'eau et, dans ce cas, la formule ci-dessus représente la composition chimique de la zéo- lite X. Quand il existe dans les pores d'autres matières que l'eau, l'ana- lyse chimique accuse une valeur inférieure de Y et la présente d'autres ad- sorbats. La présence dans le réseau cristallin de matières volatiles à des températures inférieures à 600 C. environ ne modifie pas sensiblement la va- leur utile de la zéolite X en tant qu'adsorbant, les pores étant habituelle- ment exempts de ces matières après activation par chauffage.
Les densités apparentes des échantillons complètement hydratés des diverses formes de zéolite X sont déterminées par flottage des cristaux sur des liquides de densités appropriées. La technique et les liquides appli- qués sont exposés dans un article intitulé "Density of Liquid Mixture", pa- ru dans "Acta Crystal lographica", 1951, vol. 4, p. 565. Ces densités, en grammes par centimètre cube, sont les suivantes zéolite sodique X, 1,93: zéolite de lithium X, 1,89 ; zéolite de rubidium X, 2,15 ; zéolite magné- sienne X, 1,95 ; zéolite calcique X, 1,96 ; zéolite de baryum X, 2,31 ; zéo- lite de cérium X, 2,15. La précision de ces mesures est de 4 0,1 g./cc.
Les réactifs représentatifs appliqués à la fabrication de la for- me sodique de la zéolite X sont le gel de silice, l'acide silicique, la si-- lice colloïdale ou le silicate de sodium comme source de silice. L'alumine peut être fournie par de l'alumine activée, de l'alumine gamma, de l'alumine
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trihydratée ou de l'aluminate de sodium. L'ion sodium peut être fourni par de l'hydroxyde de sodium, celui-ci facilitant par ailleurs le réglage du pH. Il est préférable que les réactifs soient solubles dans l'eau. On place dans un récipient, convenablement en verre ou en métal, une solution des réactifs dans les proportions appropriées. On ferme le récipient pour éviter les pertes d'eau et on chauffe les réactifs pendant le temps voulu.
Un procédé commode et préféré de préparation du mélange de réactifs consiste à faire une solution aqueuse contenant l'aluminate de sodium et l'hydroxyde de sodium et à l'ajouter, de préférence en agitant, à une solution aqueuse de silicate de sodium. On agite le système jusqu'à homogénéisation ou dispersion à l'état presque homogène du gel éventuellement formé. On peut arrêter l'agitation après ce mélange, car il est inutile d'agiter la masse réactionnelle au cours de la formation et de la cristallisation de la zéolite. Le mélange initial des ingrédients est commodément effectué à la température ambiante, mais ceci n'est pas essentiel.
La demanderesse a trouvé qu'une température de cristallisation d'environ 100 C. était particulièrement avantageuse dans ce procédé. Cette température est facile à entretenir. Elle est assez élevée pour faciliter la réaction et assez basse pour donner des cristaux à forte teneur en eau qui, après activation, possèdent une capacité d'adsorption élevée. On a obtenu des résultats satisfaisants avec des températures de réaction ne dépassant pas environ 21 C. et atteignant environ 120 C., sous la pression atmosphérique ou sous une pression correspondant au moins à la tension de vapeur de l'eau à l'équilibre avec le mélange à plus haute température. On peut se servir de tout appareil de chauffage approprié tel qu'une étuve, un bain de sable, un bain d'huile ou un autoclave à double paroi.
Pour des raisons de commodité, au laboratoire, on maintient plonges dans un bain d'eau bouillante donnant une température de 100 C. environ des récipients en verre contenant les réactifs. En production industrielle, les récipients à double paroi chauffés à la vapeur offrent un moyen commode de régler la température. Pour les températures comprises entre la température ambiante (21 C.) et 120 C. l'augmentation de la température augmente la vitesse de la réaction et en diminue la durée. Par exemple on obtient la zéolite sodique X en 88 heures à 50 C, en 6 heures environ ou moins à 100 C. et en une heure et demie environ à 120 .
Dès que les cristaux de zéolite ont été formés, ils conservent leur structure, et le maintien de la température de la réaction pendant un temps supérieur au temps nécessaire pour obtenir le rendement maximum en cristaux n'est pas nuisible jusqu'à 100 C. C'est ainsi que la zéolite X, qui peut être complètement cristallisée en six heures à 100 C., peut rester en contact avec la liqueur-mère à 100 C. pendant encore 50 à 100 heures,-sans changement apparent de rendement ou de structure des cristaux.
La période de réaction terminée, on sépare par filtration les cristaux de zéolite. On peut filtrer le magma réactionnel à la température de la réaction, si on le désire, mais il est préférable de le refroidir à la température ambiante avant filtration. Le filtrat ou liqueur-mre peut être réutilisé après rétablissement des quantités appropriées de réaptifs de manière à obtenir un mélange de réactifs convenablement proportionné. La masse de cristaux de zéolite est lavée, de préférence au moyen d'eau distillée et commodément sur filtre, jusqu'à ce que l'eau de lavage sortant en équilibre avec la zéolite ait un pH de 9 à 12.
Les cristaux sont ensuite séchés, commodément à l'étuve, à une température comprise entre 25 et 150 C. environ. Ce séchage est suffisant pour effectuer l'analyse aux rayons X et l'analyse chimique. Dans la pratique,
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il n'est pas nécessaire d'effectuer un séchage séparé, étant donné que celuici s'effectue en même temps que l'activation. Les cristaux individuels de zéolite X paraissent cubiques. La majeure partie de ces cristaux possède une dimension de 0,1 à 100 microns.
Pour la synthèse de la zéolite X, on a constaté que la composition du mélange réactionnel est critique. La température de cristallisation et sa durée constituent des variables importantes intervenant dans le rendement en matière cristallisée. Dans certaines conditions, par exemple une température trop basse et un temps trop court, il ne se produit pas de matière cristallisée. Des conditions extrêmes peuvent également donner naissance à des matières autres que la zéolite X.
Le tableau I qui suit donne des exemples particuliers de production de la forme sodique de la zéolite. Les mélanges et les traitements décrits donnent de la zéolite X cristallisée en principe pure, sauf dans l'opération 5 où l'on constate la présence de traces d'une autre forme cristalline d'alumino-silicate de sodium avec la zéolite X.
Dans le tableau, 7,'eg- pression de "solution A" désigne une solution aqueuse de silicate de sodium contenant environ 20% en poids de Na2O et 32% en poids de SiO2 : l'expres- sion de "solution B" désigne une solution aqueuse de silicate de sodium contenant environ 7,5 % en poids de Na2O et 25,8 % en poids de SiO2, et l'ex- pression de "solution C" une suspension colloïdale de silice dans l'eau contenant environ 29,5 % en poids de SiO2.
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TABLEAU I.
EMI6.1
<tb>
<tb>
Rapport <SEP> des <SEP> oxydes
<tb> Temp. <SEP> SiO <SEP> / <SEP> Na2O/ <SEP> H2O/
<tb>
EMI6.2
OP n Réactifs C. Durée A1263. Sl02. Na20 1 10 g. NaAlO + 32 g. sol. A + 5, 5 ge NAH + 135 ca. H20 100 z7 h. 3,0 1, 3 38 2 10 g. NaAl02 + 32 g. sol. A + 5i5 g. NaOH + I85 ce. H20 100 47 h. 3,0 1,3 50
EMI6.3
<tb>
<tb> 3 <SEP> 20 <SEP> g. <SEP> NaA102 <SEP> + <SEP> 64 <SEP> g. <SEP> sol. <SEP> A <SEP>
<tb>
EMI6.4
+ llg. NaOH + 3I0 cc. H20 60 65 h. 3,0 1,3 41
EMI6.5
<tb>
<tb> 4 <SEP> 50 <SEP> g. <SEP> NaAl02 <SEP> + <SEP> 160 <SEP> g. <SEP> sol. <SEP> A
<tb> + <SEP> 27,5 <SEP> g. <SEP> NaOH <SEP> + <SEP> 775 <SEP> ce. <SEP> H20 <SEP> 100 <SEP> 15 <SEP> h. <SEP> 3,0 <SEP> 1,3 <SEP> 41
<tb> 5 <SEP> 18,4 <SEP> g. <SEP> NaA102 <SEP> + <SEP> 278 <SEP> g. <SEP> sol.
<tb>
EMI6.6
B + 34,2 g. NaOH + 88 cc. H20 100 6 h. Il,4 0,72 18 6 15,9 g. A12 03 .3 H20 + 31 g.
EMI6.7
<tb>
<tb> sol. <SEP> B <SEP> + <SEP> 47,4 <SEP> g. <SEP> NaOH <SEP> + <SEP> 52
<tb> cc. <SEP> H2O <SEP> 100 <SEP> 24 <SEP> h. <SEP> 14,5 <SEP> 0,65 <SEP> 17
<tb> 7 <SEP> 5 <SEP> g. <SEP> NaA102, <SEP> 114 <SEP> g. <SEP> sol. <SEP> C-
<tb>
EMI6.8
+ 29, ' g. NaOH + 36 cc . H20 50 ll j . 20 0, 72 17
EMI6.9
<tb>
<tb> 8 <SEP> 10 <SEP> g. <SEP> NAAlO2 <SEP> + <SEP> 59 <SEP> g. <SEP> sol. <SEP> A
<tb> + <SEP> 94 <SEP> cc. <SEP> H2O <SEP> 100 <SEP> 47 <SEP> h. <SEP> 5, <SEP> 6 <SEP> 0,76 <SEP> 29
<tb> 9 <SEP> 20 <SEP> g. <SEP> NaA102 <SEP> + <SEP> 59 <SEP> g. <SEP> sol. <SEP> A
<tb>
EMI6.10
+ 11 g. NaOH + 270 g.
H20 120 lue5 h. 3,0 lu3 38 La forme sodique de la zéolite X a été produite à 100 C., sensible-
EMI6.11
ment exempte d'impuretés, à l'aide de mélanges réonnels dont les composi- tions, exprimées en mélanges d'oxydes,sont entre les limites suivantes :
EMI6.12
sio2 /Ai203 3 - 5 Na2O/sio2 1,2 - 1,5
H2O/Na2O 35 - 60
On a également produit de la zéolite X en mélange avec d'autres alumino-silicate sodiques cristallisés et de l'alumine cristallisée à partir de réactifs dans des proportions se trouvant en dehors de ces limites.
On a ainsi produit la zéolite X en mélange avec une forme cristallisée d'alu- mino-silicate de sodium en maintenant à 100 C. des mélanges réactionnels dont les compositions, exprimées en mélanges d'oxydes, se trouvent entre les limites suivantes :
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EMI7.1
Si02/Al203 2 - 40 Na20/Si02 0,6 - 6
H2O/Na2O 10 - 30
De même on peut obtenir de la zéolite X mélangée avec une autre forme encore d'alumino-silicate de sodium en maintenant à 100 0. des mélanges réactionnels dont les compositions, exprimées en rapports d'oxydes, sont comprises entre les limites suivantes :
EMI7.2
Si 2/Al 2 3 2,4 - 30 Na20/Si02 0,4 - 6,5
H2O/Na2O 10 - 90
On a de même produit de la zéolite X mélangée avec une autre forme cristalline d'alumino-silicate de sodium en maintenant à 100 C. des mélanges réactionnels dont les compositions, exprimées en rapport d'oxydes, sont comprises entre les limites suivantes
EMI7.3
Si 2/Al 203 3 - 15
Na2O/SiO2 4 - 7 H20/Na20 30 - 70
On a également produit de la zéolite X mélangée avec encore une autre forme cristalline d'alumino-silicate de sodium en maintenant à 100 C un mélange réactionnel de composition initiale :
EMI7.4
Si02/A1203 3,4 Na20/Si02 1,8 H20/Na20 28
Quand on a préparé de la zéolite X mélangée d'autres matières on peut reproduire le spectre de diffraction des rayons X du mélange par simple addition proportionnée des spectres des composants purs individuels.
D'autres propriétés, par exemple la sélectivité de tamisage moléculaire de la zéolite X, figurent parmi les propriétés du mélange dans la mesure où la zéolite X elle-même figure dans le mélange.
Les adsorbants visés ici comprennent non seulement la forme sodique de la zéolite X obtenue par synthèse à partir d'un système sodium-aluminium-silicate-eau avec le sodium à titre de cation échangeable, mais aussi les matières cristallisées obtenues par échange partiel ou complet du sodium par un autre cation. Les cations sodium peuvent être remplacés en totalité ou en partie par échange d'ions par d'autres cations monovalents, divalents ou trivalents. Les ions monovalents, qui sont à la fois plus petits que le sodium, tels que le lithium, et plus gros, tels que le potassium et l'ammonium, entrent librement dans la structure de la zéolite X et s'échangent avec les autres cations éventuellement présents. Il en est de même des ions divalents plus petits que le sodium, comme le magnésium, et plus gros, comme le strontium et le baryum.
Le cérium constitue un exemple d'ion trivalent entrant dans la structure de la zéolite X.
L'arrangement spatial des atomes d'aluminium, de silicium et d'o-
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xygène constituant le réseau fondamental du cristal de la zéolite reste en principe inchangé par le remplacement partiel ou complet de l'ion sodium par d'autres cations. Les spectres des rayons X des formes de zéolite dont les ions sont échangés montrent les mêmes lignes principales essentiellement aux mêmes positions, mais manifestent quelques différences quant aux intensités relatives des lignes obtenues aux rayonx X en raison de l'échange d'ions.
Parmi les formes de zéolite X obtenues par synthèse directe et échange d'ions figurent les formes sodium, lithium, potassium, hydrogène, argent, ammonium, magnésium, calcium, zinc, baryum, cérium et manganèse.
Pour des raisons de commodité, on indiquera ces matières par le symbole chimique du cation associé à la lettre X. La forme sodique est ainsi Na2X, la forme calcique CaX et la forme cérique Ce2X3.
L'échange d'ion de la forme sodique de zéolite X (Na2X) ou d'au- tres formes de zéolite X peut être effectué par les procédés classiques d'échange d'ions. procédé continu préféré consiste à tasser de la zéolite X dans une série"de colonnes verticales dont chacune porte à la base un support approprié; on fait passer successivement dans les lits une solution aqueuse d'un sel soluble du cation à introduire dans la zéolite et on change l'écoulement du premier lit dans le second quand la zéolite présente dans le premier lit a été modifiée par échange dans la proportion désirée.
Pour obtenir un échange avec l'hydrogène, on peut convenablement utiliser de l'eau ou une solution aqueuse d'acide comme l'acide chlorhydrique. Pour l'échange avec le sodium, on utilise une solution de chlorure de sodium. Voici d'autres réactifs convenables : pour l'échange avec le potassium, une solution aqueuse de chlorure de potassium ou une solution étendue d'hydroxyde de potassium; pour les échanges avec le lithium, le magnésium, le calcium, l'ammonium, le nickel ou le strontium, des solutions aqueu- ses des chlorures de ces éléments ; l'échange avec le zinc, l'argent ou le cérium, une solution aqueuse de leur nitrate, et pour le manganèse une solution d'un sel manganeux.
Bien que le plus commode soit de faire appel à des solutions aqueuses des composés d'échange de cations, on peut utiliser d'autres solutions contenant les cations ou les cations hydratés désirés.
Dans un cas type d'échange par opération séparée, on mélange dans un bécher 8 g. de zéolite sodique X(Na2X) et 380 cc. d'une solution aqueuse 0,05 M de chlorure de baryum. On agite le mélange pendant 2,5 minutes et on recueille les cristaux par filtration. Le spectre des rayons X des cristaux est caractéristique de la zéolite X et l'analyse montre que 55% des ions sodium ont été remplacés par des ions baryum suivant le rapport d'un ion baryum pour deux ions sodium.
Si l'on refait une opération d'échange en poussant la durée de l'agitation à 4,5 minutes avant filtration, le degré de remplacement des ions sodium par des ions baryum est porté à 64%.
Dans un autre cas, on mélange 15 g. de zéolite sodique X et 500 cc. d'eau distillée contenant 34,7 g. de chlorure de baryum et on chauffe à 100 C. pendant une heure, puis on filtre. On traite les cristaux ainsi obtenus de nouveau de la même manière et on obtient une zéolite de baryum X dans laquelle 93% des ions sodium présents à l'origine ont été remplacés par des ions baryum.
On garnit sans tasser une colonne d'échange en verre, jusqu'à 70 cm. de hauteur de 37 g. de zéolite sodique X en comprimés. On fait passer dans la colonne en l'espace d'un peu plus de cinq heures 2,75 litres d'une solution aqueuse 0,05 M de nitrate de zïnc. L'analyse chimique de la zéolite ainsi échangée indique un remplacement de 47% des ions sodium par
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des ions zinc, dans le rapport d'un atome de zinc pour deux de sodium. En faisant varier la concentration du zinc ou autre ion d'échange, ou la tempé- rature, on peut procéder à un échange d!ions atteignant presque 100% des ions sodium.
Parmi les manières d'identifier la zéolite X et de distinguer cette zéolite des autres zéolites et autres substances cristallines, le spectre de diffraction des rayons X s'est montré un moyen intéressant. L'ob- tention du spectre de diffraction des rayons X (sur poudre) se fait au moyen des techniques normales. La radiation est le doublet K u du cuivre; on utilise un spectrophotomètre enregistreur à compteur de Geiger. Les hauteurs des maximum I et les positions en fonction de 2 0 dans laquelle 0 est l'angle de Bragg, sont lues sur le graphique du spectrophotomètre. On calcule par ce moyen les intensités relatives 100 1 où 10 est l'intensité
1 0 de la ligne la plus forte ou maximum, et d(obs) l'espace interplanaire en angstrôms correspondant aux lignes enregistrées.
La tableau A donne les valeurs relatives aux spectres de diffraction (sur poudre) des rayons X de la zéolite sodique X(Na2X), de la zéolite calcique CaX à 89% d'échange, de la zéolite d'argent X(Ag2X) à 85% d'échange, de la zéolite cérique X (Ce2X3) à 77 % d'échange, de la zéolite lithi- que X (Li2X) à 59% d'échange, de la zéolite ammonique X [(NH4)2X] à 81 % d'échange et de la zéolite barytique X(BaX) à 93% d'échange. Ce tableau donne les valeurs 100 1 et d(obs) en angstrôms pour les lignes observées
1 pour les différentes formes de zéolites X à ions échangés différents.
Le spectre des rayons X indique une cellule cubique de dimensions de 24,5 ang- strôms à 25,5 angstrôms. Une colonne séparée indique la somme des carrés des indices de Miller (h2+k2+I2) pour une cellule cubique, correspondant aux lignes observées dans les spectres de diffraction des rayons X. Les valeurs ao de chaque zéolite particulière sont également indiquées.
Les intensités relatives et les positions des lignes ne diffèrent que peu dans les diverses formes échangées de zéolites X. Les spectres montrent tous sensiblement les mêmes lignes et tous satisfont à ce qu'exige une cellule cubique d'à-peu-près les mêmes dimensions. L'arrangement spatial des atomes de silicium, d'oxygène et d'aluminium, c'est-à-dire l'arrangement des tétraèdres de AlO4 et SiO4, est essentiellement identique pour toutes les formes de zéolite X. L'apparition de quelques lignes moins importantes de la disparition des autres, d'une forme de zéolite X à l'autre, est attribuable aux dimensions différentes et aux nombres différents de cations présents dans les diverses formes, ces différences provoquant une certaine dilatation ou une certaine contraction des cristaux.
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TABLEAU A
EMI10.1
<tb>
<tb> CaX <SEP> Ag2CX <SEP> BaX <SEP> Ce2X3
<tb> (h2+k2+12) <SEP> 100 <SEP> d(obs) <SEP> 100 <SEP> d(obs) <SEP> 100 <SEP> d(obs) <SEP> 100 <SEP> d(obs)
<tb> 1/10 <SEP> angst. <SEP> 1/10 <SEP> angst. <SEP> 1/10 <SEP> ang. <SEP> 1/10 <SEP> ang.
<tb>
3 <SEP> 100 <SEP> 14,37 <SEP> 100 <SEP> 14,37 <SEP> 100 <SEP> 14,43 <SEP> 100 <SEP> 14,42
<tb> 8 <SEP> 9 <SEP> 8,79 <SEP> 2 <SEP> 8, <SEP> 82 <SEP> 7 <SEP> 8,84 <SEP> 2 <SEP> 8,81
<tb> 11 <SEP> 4 <SEP> 7,51 <SEP> 6 <SEP> 7,54 <SEP> 81
<tb> 12 <SEP> 29 <SEP> 7,21
<tb> 16 <SEP> 16 <SEP> 6,23 <SEP> 13 <SEP> 6,25 <SEP> 4 <SEP> 6,24
<tb> 19 <SEP> 16 <SEP> 5,71 <SEP> 27 <SEP> 5,73 <SEP> 18 <SEP> 5, <SEP> 72 <SEP>
<tb> 27 <SEP> 5 <SEP> 4,79 <SEP> 2 <SEP> 4,80 <SEP> 6 <SEP> 4,80 <SEP> 7 <SEP> 4,80
<tb> 32 <SEP> 11 <SEP> 4,40 <SEP> 6 <SEP> 4,41 <SEP> 4, <SEP> 42 <SEP> 4 <SEP> 4,41
<tb> 35 <SEP> 3 <SEP> 4,22
<tb> 36 <SEP> 3 <SEP> 4,16
<tb> 40 <SEP> 2 <SEP> 3,936 <SEP> 10 <SEP> 3,948
<tb> 43 <SEP> 20 <SEP> 3,8 <SEP> 9 <SEP> 3,805 <SEP> 45 <SEP> 3,810 <SEP> 38 <SEP> 3,808
<tb> 44 <SEP> 2 <SEP> 3,754 <SEP> 11 <SEP> 3,760 <SEP> 89 <SEP> 3,767 <SEP> 4 <SEP> 3,767
<tb> 48 <SEP> 2 <SEP> 3,
593 <SEP> 5 <SEP> 3,603 <SEP> 7 <SEP> 3,606
<tb> 51 <SEP> 2 <SEP> 3,486 <SEP> 3 <SEP> 3,494 <SEP> 9 <SEP> 3,499 <SEP> 4 <SEP> 3,499
<tb> 56 <SEP> 12 <SEP> 3,328 <SEP> 11 <SEP> 3,335 <SEP> 28 <SEP> 3,339 <SEP> 18 <SEP> 3,339
<tb> 59 <SEP> 3 <SEP> 3,241 <SEP> 6 <SEP> 3,250 <SEP> 11 <SEP> 3,253 <SEP> 3 <SEP> 3,253
<tb> 67 <SEP> 4 <SEP> 3,041 <SEP> 10 <SEP> 3,051
<tb> 68 <SEP> 2 <SEP> 3,027
<tb> 72 <SEP> 8 <SEP> 2,934 <SEP> 7 <SEP> 2,941 <SEP> 14 <SEP> 2,944 <SEP> 10 <SEP> 2,944
<tb> 75 <SEP> 6 <SEP> 2,875 <SEP> 12 <SEP> 2,882 <SEP> 19 <SEP> 2,887 <SEP> 13 <SEP> 2,886
<tb> 76 <SEP> 17 <SEP> 2,869
<tb> 80 <SEP> 7 <SEP> 2,783 <SEP> 25 <SEP> 2,792 <SEP> 68 <SEP> 2,795 <SEP> 13 <SEP> 2,794
<tb> 83 <SEP> 4 <SEP> 2,732 <SEP> 4 <SEP> 2,739 <SEP> 13 <SEP> 2,742 <SEP> 4 <SEP> 2,744
<tb> 88 <SEP> 6 <SEP> 2,653 <SEP> 5 <SEP> 2,662 <SEP> 10 <SEP> 2,663 <SEP> 8 <SEP> 2,663
<tb> 91 <SEP> 4 <SEP> 2,
610 <SEP> 9 <SEP> 2,617 <SEP> 7 <SEP> 2,620 <SEP> 7 <SEP> 2,620
<tb> 96 <SEP> 12 <SEP> 2,549 <SEP> 24 <SEP> 2,551 <SEP> 4 <SEP> 2,552
<tb> 99 <SEP> 5 <SEP> 2,512
<tb> 104 <SEP> 1 <SEP> 2,440 <SEP> 3 <SEP> 2,451
<tb> 107 <SEP> 20 <SEP> 2,418
<tb> 108 <SEP> 5 <SEP> 2,396 <SEP> 9 <SEP> 2,207 <SEP> 26 <SEP> 2,406
<tb> 115 <SEP> 6 <SEP> 2,182 <SEP> 7 <SEP> 2,331
<tb> 116 <SEP> 4 <SEP> 2,140 <SEP> 4 <SEP> 2,323
<tb> 128 <SEP> 3 <SEP> 2,202 <SEP> 2 <SEP> 2,119 <SEP> 27 <SEP> 2,210 <SEP> 10 <SEP> 2,210
<tb> 131 <SEP> 2 <SEP> 2,175 <SEP> 5 <SEP> 2,184
<tb> 136 <SEP> 3 <SEP> 2,139 <SEP> 12 <SEP> 2,140 <SEP> 7 <SEP> 2,140
<tb> 138 <SEP> 2 <SEP> 2,112 <SEP> 5 <SEP> 2,121
<tb> 140 <SEP> 25 <SEP> 2,113
<tb> 144 <SEP> 1 <SEP> 2,074
<tb> 155 <SEP> 1 <SEP> 2,000
<tb> 160 <SEP> 2 <SEP> 1,975
<tb> 163 <SEP> 3 <SEP> 1,954 <SEP> 3 <SEP> 1,956
<tb> 164 <SEP> 1 <SEP> 1,945
<tb> 168 <SEP> 1 <SEP> 1,
921
<tb> 172 <SEP> 6 <SEP> 1,908
<tb> 176 <SEP> 4 <SEP> 1,882 <SEP> 6 <SEP> 1,885
<tb> 179 <SEP> 1 <SEP> 1,859
<tb> 187 <SEP> 1 <SEP> 1,821 <SEP> 7 <SEP> 1,829
<tb> 195 <SEP> 1 <SEP> 1,784 <SEP> 3 <SEP> 1,790
<tb> 200 <SEP> 2 <SEP> 1,761 <SEP> 7 <SEP> 1,768 <SEP> 4 <SEP> 1,769
<tb> 204 <SEP> 6 <SEP> 1,751
<tb>
<Desc/Clms Page number 11>
EMI11.1
<tb>
<tb> 211 <SEP> 2 <SEP> 1,714
<tb> 236 <SEP> 8 <SEP> 1,628
<tb>
EMI11.2
243 3 1 ,597 3 1,60 po 11,604 3 1 , 604 0 0 0 0 ô = 24,90 A ao = 24, 96 A a 0 = 2q., 99 A a 0 = 24,99 A
EMI11.3
<tb>
<tb> (NH4)2X <SEP> Li2X <SEP> Na2X
<tb> h2+k2+12 <SEP> 100 <SEP> 1/10 <SEP> d(obs) <SEP> 100 <SEP> 1/1 <SEP> d <SEP> (obs) <SEP> 100 <SEP> 1/1 <SEP> d <SEP> (obs)
<tb> <SEP> angst. <SEP> angst.
<SEP> angströms
<tb> 3 <SEP> 100 <SEP> 14,41 <SEP> 100 <SEP> 14,37 <SEP> 100 <SEP> 14,47
<tb> 8 <SEP> 16 <SEP> 8,85 <SEP> 18 <SEP> 8,79 <SEP> 18 <SEP> 8,85
<tb> 11 <SEP> 10 <SEP> 7,53 <SEP> 14 <SEP> 7,49 <SEP> 12 <SEP> 7,54
<tb> 19 <SEP> 15 <SEP> 5,73 <SEP> 20 <SEP> 5,70 <SEP> 18 <SEP> 5,73
<tb> 27 <SEP> 6 <SEP> 4,81 <SEP> 7 <SEP> 4,79 <SEP> 5 <SEP> 4,81
<tb> 32 <SEP> 14 <SEP> 4,42 <SEP> 11 <SEP> 4,40 <SEP> 9 <SEP> 4,42
<tb> 35 <SEP> 1 <SEP> 4,23 <SEP> 1 <SEP> 4,21 <SEP> 1 <SEP> 4,23
<tb> 40 <SEP> 5 <SEP> 3,953 <SEP> 5 <SEP> 3,931 <SEP> 4 <SEP> 3,946
<tb> 43 <SEP> 19 <SEP> 3,813 <SEP> 23 <SEP> 3,794 <SEP> 21 <SEP> 3,808
<tb> 44 <SEP> 2 <SEP> 3,773 <SEP> 3 <SEP> 3,749 <SEP> 3 <SEP> 3,765
<tb> 48 <SEP> 2 <SEP> 3,610 <SEP> 1 <SEP> 3,590 <SEP> 1 <SEP> 3,609
<tb> 51 <SEP> 2 <SEP> 3,500 <SEP> 2 <SEP> 3,482 <SEP> 1 <SEP> 3,5
<tb> 56 <SEP> 17 <SEP> 3,341 <SEP> 22 <SEP> 3,
324 <SEP> 18 <SEP> 3,338
<tb> 59 <SEP> 2 <SEP> 3,257 <SEP> 2 <SEP> 3,239 <SEP> 1 <SEP> 3,253
<tb> 67 <SEP> 4 <SEP> 3,056 <SEP> 6 <SEP> 3,040 <SEP> 4 <SEP> 3,051
<tb> 72 <SEP> 10 <SEP> 2,948 <SEP> 10 <SEP> 2,933 <SEP> 9 <SEP> 2,944
<tb> 75 <SEP> 13 <SEP> 2,889 <SEP> 22 <SEP> 2,874 <SEP> 19 <SEP> 2,885
<tb> 80 <SEP> 11 <SEP> 2,797 <SEP> 9 <SEP> 2,782 <SEP> 8 <SEP> 2,794
<tb> 83 <SEP> 3 <SEP> 2,746 <SEP> 3 <SEP> 2,730 <SEP> 2 <SEP> 2,743
<tb> 88 <SEP> 9 <SEP> 2,667 <SEP> 9 <SEP> 2,653 <SEP> 8 <SEP> 2,663
<tb> 91 <SEP> 1 <SEP> 2,623 <SEP> 3 <SEP> 2,609 <SEP> 3 <SEP> 2,620
<tb> 96 <SEP> 1 <SEP> 2,553 <SEP> 1 <SEP> 2,542 <SEP> 1 <SEP> 2,550
<tb> 104 <SEP> 1 <SEP> 2,451
<tb> 108 <SEP> 4 <SEP> 2,407 <SEP> 6 <SEP> 2,395 <SEP> 5 <SEP> 2,404
<tb> 123 <SEP> 1 <SEP> 2,256 <SEP> 1 <SEP> 2,244 <SEP> 1 <SEP> 2,254
<tb> 128 <SEP> 4 <SEP> 2,210 <SEP> 3 <SEP> 2,200 <SEP> 3 <SEP> 2,
209
<tb> 131 <SEP> 2 <SEP> 2,183 <SEP> 2 <SEP> 2,175 <SEP> 3 <SEP> 2,182
<tb> 136 <SEP> 2 <SEP> 2,140 <SEP> 3 <SEP> 2,139 <SEP> 2 <SEP> 2,141
<tb>
EMI11.4
13 9 1 2,121 2 2,110 2 2,120
EMI11.5
<tb>
<tb> 144 <SEP> 2 <SEP> 2,084 <SEP> 2 <SEP> 2,074 <SEP> 1 <SEP> 2,083
<tb> 147 <SEP> 1 <SEP> 2,060
<tb> 155 <SEP> 1 <SEP> 2,007
<tb> 164 <SEP> 1 <SEP> 1,952 <SEP> 2 <SEP> 1,945 <SEP> 1 <SEP> 1,952
<tb> 168 <SEP> 1 <SEP> 1,929 <SEP> 2 <SEP> 1,920 <SEP> 1 <SEP> 1,928
<tb> 179 <SEP> 2 <SEP> 1,860
<tb> 184 <SEP> 1 <SEP> 1,842
<tb> 187 <SEP> 1 <SEP> 1,829 <SEP> 2 <SEP> 1,820
<tb> 195 <SEP> 1 <SEP> 1,790 <SEP> 1 <SEP> 1,789
<tb> 200 <SEP> 2 <SEP> 1,767 <SEP> 2 <SEP> 1,760 <SEP> 2 <SEP> 1,767
<tb> 211 <SEP> 3 <SEP> 1,721 <SEP> 5 <SEP> 1,713 <SEP> 3 <SEP> 1,721
<tb> 236 <SEP> 1 <SEP> 1,628 <SEP> 1 <SEP> 1,621
<tb> 243 <SEP> 3 <SEP> 1,604 <SEP> 5 <SEP> 1,596 <SEP> 3 <SEP> 1,
603
<tb>
<tb> ao <SEP> = <SEP> 25,01 <SEP> A <SEP> ao <SEP> = <SEP> 24,88 <SEP> A <SEP> ao <SEP> = <SEP> 24,99 <SEP> A
<tb>
<Desc/Clms Page number 12>
Les valeurs de d les plus significatives pour la zéolite X sont données dans le tableau B.
TABLEAU B.
Valeur d de réflexion en angströms
EMI12.1
<tb>
<tb> 14,42 <SEP> ¯ <SEP> 0,2
<tb> 8,82 <SEP> 0,1 <SEP>
<tb> 4,41 <SEP> ¯ <SEP> 0,05
<tb> 3,80 <SEP> ¯ <SEP> 0,05
<tb> 3,33 <SEP> ¯ <SEP> 0,05
<tb> 2,88 <SEP> ¯ <SEP> 0,05
<tb> 2,79 <SEP> ¯ <SEP> 0,05
<tb> 2,66 <SEP> ¯ <SEP> 0,05
<tb>
Occasionnellement apparaissent des lignes supplémentaires n'appartenant pas au spectre de la zéolite X en même temps que les lignes caractéristiques de la zéolite X. Ceci indique qu'il existe une ou plusieurs matières cristallines en mélange avec la zéolite X dans l'échantillon traité.
On peut souvent identifier des matières additionnelles comme figurant dans les réactifs initiaux dans la synthèse de la zéolite, ou comme étant d'autres substances cristallines. Quand on traite la zéolite X par la chaleur à des températures comprises entre 100 et 600 C. en présence- de vapeur d'eau ou ' d'autres gaz ou vapeurs, les intensités relatives des lignes présentes dans le spectre des rayons X peuvent être appréciablement modifiées par rapport à celles que l'on observe dans les spectres de la zéolite X non activée. De petits changements dans la position des lignes peuvent également se produire dans ces 'conditions. Ces changements ne nuisent nullement à l'identification de ces spectres des rayons X comme relatifs à la zéolite X.
La technique particulière et (ou) l'appareil utilisés, l'humidité, la température, l'orientation des cristaux de poudre et autres variables, comme 31 est bien connu des spécialistes de la cristallographie ou de la diffraction des rayons X, peuvent provoquer certaines variations dans lesintensités et les positions deslignes .
Ces changements, même dans les rares cas où ils sont importants, ne posent pas de problèmes quant à l'identification pour un spécialiste des rayons X. Ainsi '. les résultats donnés ici pour identifier le réseau de la zéolite X n'excluent pas les matières qui, en raison des variables mentionnées ou connues, ne montrent pas toutes les lignes ou montrent des lignes supplémentaires qui sont admissibles dans le système cubique de la zéolite X, ou montrent un léger déplacement de ces lignes de manière à donner un paramètre réticulaire légèrement plus grand ou plus petit.
Un essai simple décrit dans "American Mineralogist", vol. 28, p. 5451 1943, permet un contrôle rapide du rapport silicium/aluminium dans la zéolite X. Suivant la description de l'essai, les zéolites à réseau à trois dimensions contenant de l'aluminium et du silicium suivant un rapport atomique Al/Si = 0,67 ou plus donnent un gel quand on les traite par l'aci- de chlorhydrique. Les zéolites possédant des rapports aluminium/silicium plus petits se désagrègent en présence d'acide chlorhydrique et précipitent de la silice. Quand on mélange environ 0,2 g. de zéolite sodique X en poudre avec de l'eau et environ 2 ce. d'acide chlorhydrique concentré et quand on chauffe, il se forme un gel solide presque limpide.
Les zéolites envisagées ici manifestent des propriétés d'adsorp-
<Desc/Clms Page number 13>
tion exceptionnelles parmi les adsorbants connus. Les adsorbants communs, comme le charbon de bois et le gel de silice, manifestent des sélectivités d'adsorption fondées principalement sur le point d'ébullition ou la température critique des adsorbats. Au contraire, la zéolite activée X manifeste une sélectivité fondée sur la dimension et la forme de la molécule d'adsorbat. Parmi les molécules d'adsorbats dont la dimension et la forme sont telles qu'elles permettent l'adsorption par la zéolite X, celle-ci manifeste une forte préférence pour celles qui sont polaires, polarisables et nonsaturées.
Une autre propriété de la zéolite X qui contribue à sa position exceptionnelle parmi les adsorbants est celle d'adsorber de grandes quantités d'adsorbats même sous de très basses pressions, de très basses pressions partielles ou de très basses concentrations. Une de ces caractéristiques d'adsorption ou une association de plusieurs de ces caractéristiques ou d'autres peut rendre la zéolite X utile dans de nombreux processus de séparation de gaz ou de liquides qui ne comportent pas actuellement l'usage d'adsorbants. L'usage de la zéolite X permet de conduire d'une manière plus efficace et plus économique de nombreux procédés utilisant actuellement d'autres adsorbants.
Les adsorbants communs comme le gel de silice et le charbon de bois ne manifestent aucune action appréciable de tamisage moléculaire comme le font les diverses formes de zéolite X. Cette action de tamisage de la zéolite sodique X est montrée dans le tableau suivant dans lequel P représente la tension de vapeur de l'adsorbat à 25 C. Dans ce tableau, ainsi que d'autres figurant au cours de cette description, l'expression de "poids adsorbé %" se rapporte au pourcentage d'augmentation de poids de l'adsorbant. Les adsorbants sont activés par chauffage sous pression réduite de manière à enlever les matières adsorbées. Dans toute cette description, la température d'activation de la zéolite X est de 350 C. et la pression abso-' lue à laquelle on la chauffe est inférieure à environ 0,1 mm. de mercure, sauf indication contraire.
De même, la pression donnée pour chaque adsorption est la pression de l'adsorbat dans les conditions d'adsorption, sauf indications contraires.
EMI13.1
<tb>
<tb>
Adsorbat <SEP> Temp. <SEP> Pression <SEP> Poids <SEP> adsorbé <SEP> % <SEP>
<tb> C <SEP> mm. <SEP> Hg <SEP> sur <SEP> Na2X
<tb> Octane <SEP> 25 <SEP> 11 <SEP> 30,0
<tb> Benzène <SEP> 25 <SEP> 45 <SEP> 25,0
<tb> m-dichlorobenzène <SEP> 25 <SEP> P <SEP> 35,5
<tb> Heptacosafluorotri- <SEP> 23 <SEP> P <SEP> <SEP> 2,2
<tb> butylamine
<tb>
Ces résultats montrent que la structure poreuse de la zéolite sodique X permet le libre accès des molécules d'octane, de benzène et de dichlorobenzène, qui sont ainsi facilement adsorbées. Elle ne permet pas en revanche l'accès de l'heptacosafluorotributylamine. Ce comportement à l'adsorption permet de séparer des mélanges d'heptacosafluorotributylamine et de plus grosses molécules d'avec le benzène, le toluène, l'octane ou autres sortes de molécules assez petites pour être adsorbées.
Les mesures effectuées à l'aide de diverses formes d'échange de zéolite X montrent que la dimension des pores varie d'une forme à l'autre.
La zéolite de lithium X, la zéolite de sodium X et la zéolite de calcium X adsorbent toutes trois le diphénylméthane, mais les taux d'adsorption et les capacités d'adsorption à l'équilibre sont différents, comme il est montré cidessous.
<Desc/Clms Page number 14>
EMI14.1
<tb>
<tb> Adsorbant <SEP> Temp. <SEP> C. <SEP> Pression <SEP> Poids <SEP> % <SEP> de <SEP> diphénylméthane
<tb> adsorbé <SEP> en <SEP> 9 <SEP> heures
<tb>
EMI14.2
Na2X 25 Po ...
5,9
EMI14.3
<tb>
<tb> Li2X <SEP> 25 <SEP> Po <SEP> 11,1
<tb> CaX <SEP> 25 <SEP> Po <SEP> 15,7
<tb>
# Po est la tension de vapeur du diphénylméthane à 25 C,
Ces résultats montrent que le remplacement des ions sodium présents dans la zéolite originale sodique X par la moitié d'ions calcium d'environ la même dimension a ouvert suffisamment la structure poreuse pour permettre un accès plus libre du diphénylméthane. Un élargissement un peu moins prononcé des dimensions des pores s'obtient par remplacement d'un nombre d'ions sodium par un nombre étal de petits ions lithium.
Les propriétés d'adsorption de la zéolite X peuvent être modifiées par remplissage partiel des pores de la zéolite X au moyen 8* espèces moléculaires différentes de celle dont l'adsorption est à l'étude. Cet effet est montré par l'adsorption de l'acétylène sur Na2X complètement activée et sur des échantillons de Na2X partiellement chargés d'eau.
EMI14.4
<tb>
<tb>
Condition <SEP> de <SEP> Na2X <SEP> Poids <SEP> % <SEP> de <SEP> C2H2 <SEP> adsorbé <SEP> sur <SEP> Na2X
<tb>
EMI14.5
¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯ à 700 mm. îg et 25 C.
EMI14.6
<tb>
<tb> complètement <SEP> activée <SEP> 15
<tb> Chargée <SEP> d'eau <SEP> à <SEP> 5% <SEP> en <SEP> poids <SEP> 12,4
<tb> Chargée <SEP> d'eau <SEP> à <SEP> 15% <SEP> en <SEP> poids <SEP> 7,2
<tb>
Une autre propriété exceptionnelle de la zéolite X est sa préférence marquée pour les molécules polaires, polarisables et non-saturées, naturellement à la condition que ces molécules soient d'une dimension et d'une forme telles qu'elles puissent entrer dans le système des pores. Ceci est en opposition à ce qui se passe avec le charbon de bois et le gel de silice, dont la sélectivité est fondée sur la volatilité de l'adsorbat.
Le tableau suivant compare les adsorptions de l'eau, molécule polaire, de l'anhydride carbonique, molécule polarisable, et de l'acétylène, molécule nonsaturée, sur le charbon de bois, le gel de silice et la zéolite sodique X.
EMI14.7
<tb>
<tb>
Adsorbat <SEP> Temp. <SEP> Pression <SEP> ¯¯¯¯¯¯¯Poids <SEP> % <SEP> adsorbé
<tb> 0 C <SEP> mm. <SEP> Hg <SEP> Na2X <SEP> Gel <SEP> de <SEP> silice <SEP> Charbon <SEP> de <SEP> bois
<tb> Eau <SEP> 25 <SEP> 0,2 <SEP> 25,7 <SEP> 1,6 <SEP> 0,1
<tb> Acétylène <SEP> 25 <SEP> 50 <SEP> 10,6 <SEP> 2,1 <SEP> 2,5
<tb> Anh.carbonique <SEP> 25 <SEP> 50 <SEP> 15,7 <SEP> 1,3 <SEP> 2,2
<tb>
L'affinité de la zéolite X pour l'adsorbat est d'autant plus grande que le degré de polarité, de polarisabilité et¯de non-saturation est plus élevé. C'est ce que montrent les résultats suivants portant sur une série d'hydrocarbures en C2 et C3 adsorbés sur zéolite sodique.
<Desc/Clms Page number 15>
EMI15.1
<tb>
<tb>
Pression, <SEP> mm, <SEP> Hg. <SEP> Temp. C <SEP> Poids <SEP> % <SEP> adsorbé <SEP> sur <SEP> Na2X
<tb> C2H6 <SEP> C2H4 <SEP> C2H2
<tb> 5 <SEP> 25 <SEP> 0,2 <SEP> 1,4 <SEP> 6,6
<tb> 25 <SEP> 25 <SEP> 0,8 <SEP> 6,1 <SEP> 9,8
<tb> Poids <SEP> % <SEP> adsorbé <SEP> sur <SEP> Na2X
<tb> C3H8 <SEP> C3H6
<tb> 1 <SEP> 25 <SEP> 0,8 <SEP> 6,0
<tb> 5 <SEP> 25 <SEP> 3,1 <SEP> 10,6
<tb>
La sélectivité d'adsorption de la zéolite X pour les molécules polaires par rapport aux molécules non-polaires est montrée dans le tableau suivant qui compare l'oxyde de carbone, molécule polaire, avec l'argon, molécule non-polaire dont la dimension et la volatilité sont sensiblement les mêmes.
EMI15.2
<tb>
<tb>
Adsorbat <SEP> Temp <SEP> . C. <SEP> Pression, <SEP> mm. <SEP> Hg <SEP> Poids <SEP> % <SEP> adsorbé <SEP> sur
<tb> ¯¯¯¯¯¯¯ <SEP> ¯¯¯¯¯¯¯ <SEP> ¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯ <SEP> BaX
<tb> Argon <SEP> -75 <SEP> 500 <SEP> 5,0
<tb> Oxyde <SEP> de
<tb> carbone-75 <SEP> 500 <SEP> 10,0
<tb>
La sélectivité de la zéolite X pour un hydrocarbure aromatique non-saturé, le toluène, comparée à un hydrocarbure cyclique saturé, le cyclohexane, est illustrée par les résultats suivants:
EMI15.3
<tb>
<tb> Pression, <SEP> mm.Hg. <SEP> Temp. <SEP> C. <SEP> Poids <SEP> % <SEP> adsorbé <SEP> sur <SEP> Na2X
<tb> Toluène <SEP> cyclohexane
<tb> 0,05 <SEP> 25 <SEP> 13,0 <SEP> 7
<tb> 0,10 <SEP> 25 <SEP> 19,7 <SEP> 12,3
<tb>
Les composés organiques du soufre sont généralement plus polaires ou polarisables que leur contrepartie hydrocarburée, de sorte que les composés organiques sulfurés peuvent être adsorbés sélectivement dans des mélanges avec des hydrocarbures d'à pea près même composition et degré de non-saturation. C'est ainsi que le thiophène et le benzène ont à peu près la même volatilité et sont difficiles à séparer par distillation, alors que la zéolite X peut effectuer la séparation par adsorption sélective du thiophène.
A titre de démonstration, on place 6,6 g, de Na2X en poudre dans 12 g. d'un mélange contenant 24,3 % de thiophène et 75,7% de benzène. On secoue pendant un court instant et on observe que la concentration en thiophène du liquide surnageant est réduite à 21,4 %. Dans un autre essai, on fait passer des vapeurs contenant 0,44% de thiophène dans du benzène sur un lit de Na X; les vapeurs sortant ne contiennent que 0,19 % de thiophène.
La sélectivité pour une molécule donnée d'adsorbat est modifiée par échange d'ions dans la zéolite sodique X. C'est ainsi que, pour un adsorbat particulier, une des nombreuses formes cationiques de la zéolite X, comme la zéolite de baryum X , peut être un meilleur adsorbant que les autres cationiques de zéolite X. En outre, la sélectivité relative entre les diverses formes cationiques de zéolite X change avec la température ou avec
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la pression auxquelles les adsorptions 'sont effectuées. Voici diverses illustrations de ces effets.
EMI16.1
<tb>
<tb>
AdsorbatTemp. <SEP> Pression <SEP> Poids <SEP> % <SEP> adsorbé
<tb> C <SEP> mm.Hg. <SEP> Na2X <SEP> CaX <SEP> MgX <SEP> BaX <SEP> MnX <SEP> Li2X <SEP> Ce2X3
<tb>
EMI16.2
Eau 25 0,04 - 22, 9 - 20,1 1913 - 13,1
EMI16.3
<tb>
<tb> 25 <SEP> 4,5 <SEP> 29,3 <SEP> 33,3 <SEP> 34,2 <SEP> 25,8 <SEP> 31,9 <SEP> 31,8 <SEP> 27,1
<tb>
EMI16.4
Oxyde de ¯75 25 5,4 4,5 carbone 25 5,4 - 891 4,5 - ls8
EMI16.5
<tb>
<tb> 0 <SEP> 25- <SEP> 2,5 <SEP> - <SEP> 0,8 <SEP> 0,8 <SEP> - <SEP> 0,0
<tb> o <SEP> 750 <SEP> - <SEP> 5,1 <SEP> - <SEP> 6,8 <SEP> 4, <SEP> 2 <SEP> - <SEP> 1,9
<tb> Azote <SEP> -75 <SEP> 738 <SEP> - <SEP> 9,0 <SEP> - <SEP> 10,8 <SEP> 8,6 <SEP> @ <SEP> 5,3
<tb>
EMI16.6
n-hexane 25 20 1.9, 2 - 18, 3 15, 8 1 j, 9 tes 16,1 méthylcyclo-
EMI16.7
<tb>
<tb> hexane <SEP> 25 <SEP> 38 <SEP> 20,7 <SEP> - <SEP> 24,4 <SEP> 16,8 <SEP> 20,0 <SEP> 21,3 <SEP> 17,
6
<tb>
Le degré élevé de sélectivité manifesté par la zéolite X pour les molécules polaires, polarisables et non-saturées rend la zéolite X plus utile dans la séparation des molécules polaires des molécules moins polaires ou non-polaires, des molécules polarisables des molécules moins polarisables ou non-polarisables, et'des molécules non-saturées des molécules moins nonsaturées ou des molécules saturées.
La zéolite X montre une sélectivité pour les adsorbats,,à la condition qu'ils puissent entrer dans son réseau poreux d'après les points
EMI16.8
d'ébullition desdits adsorl3a-ts, ainsi-que leur polarité, leur pelarisabilité et leur degré de non-saturation. Par -'exemple, l'hydrogène n'est pas fortement adsorbé à la température ambiante car son point d'ébullition est trop bas. Une molécule saturée non-polaire d'éthane est un peu plus fortement adsorbée à la température ambiante que la molécule polaire d'oxyde de carbone en raison de ce que l'effet du point d'ébullition beaucoup plus bas de l'oxyde de carbone (-192 C) que celui de l'éthane (-88 C.) surpasse l'effet de la plus grande polarité de l'oxyde de carbone.
Une autre caractéristique importante de la zéolite X est sa propriété d'adsorber de grandes quantités d'adsorbats aux basses pressions, pressions partielles ou concentrations d'adsorbats. Cette propriété rend la zéolite X intéressante dans l'enlèvement des impurétés adsorbables des mélanges de gaz et de liquides car sa capacité d'adsorption est relativement élevée même quand la matière en cours d'adsorption se trouve à une thès faible concentration. Il est également possible de récupérer efficacemént des composés existant en très faibles proportions dans les mélanges, Le tableau suivant donne des exemples d'adsorption élevée aux basses pressions par la zéolite X, avec des résultats comparatifs pour le gel de silice et le charbon de bois.
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<tb>
<tb>
Adsorbat <SEP> Temp. <SEP> C <SEP> Pression <SEP> ¯¯¯¯¯¯Poids <SEP> % <SEP> adsorbé
<tb> mm. <SEP> Hg. <SEP> Na2H <SEP> Gel <SEP> silice <SEP> Charbon <SEP> de <SEP> b.
<tb>
Eau <SEP> 25 <SEP> 0,02 <SEP> 14,5 <SEP> 0,7 <SEP> 0,4
<tb>
EMI17.2
25 0,1 23,1 1,2 - 25 4,5 32,3 11,4 2,7 25 Po 39,5 42,9 24,1 co2 25 1,6 3,7 0,5 0,5
EMI17.3
<tb>
<tb> 25 <SEP> 80 <SEP> 18,0 <SEP> 0,6 <SEP> 2,3
<tb> 25 <SEP> 750 <SEP> 26,3 <SEP> 4,6 <SEP> 10,0
<tb> SO2 <SEP> 25 <SEP> 0,7 <SEP> 30,2 <SEP> - <SEP> 1,7
<tb> 25 <SEP> 12 <SEP> 38,1 <SEP> - <SEP> 10,7
<tb> 25 <SEP> 696 <SEP> 42,9 <SEP> - <SEP> 61,6
<tb> H2S <SEP> 25 <SEP> 0,5 <SEP> 115, <SEP> -
<tb> 25 <SEP> 11 <SEP> 22,6
<tb> 25 <SEP> 400 <SEP> 35,0
<tb> NH3 <SEP> 25 <SEP> 0,6 <SEP> 5,9 <SEP> 1,9 <SEP> 0,3
<tb> 25 <SEP> 9 <SEP> 12,7 <SEP> 5,9 <SEP> 0,4
<tb> 25 <SEP> 700 <SEP> 19,7 <SEP> 12,9 <SEP> 8,3
<tb> C2H2 <SEP> 25 <SEP> 4,9 <SEP> 6,6
<tb> 25 <SEP> 9,8 <SEP> 1,7 <SEP> 2,0
<tb> 200 <SEP> 13,3 <SEP> 2,2 <SEP> 4,0
<tb>
EMI17.4
740 14,7 2,2 4,9
EMI17.5
<tb>
<tb> C2H4 <SEP> 25 <SEP> 37 <SEP> 7,
1 <SEP> 2,1 <SEP> 4,4
<tb> 160 <SEP> 10,1 <SEP> 2,7 <SEP> 7,1
<tb> C2H6 <SEP> 25 <SEP> 25 <SEP> 0,8 <SEP> 0,0 <SEP> 3,3
<tb> 300 <SEP> 8,3 <SEP> 0,6 <SEP> 8,8
<tb> 700 <SEP> 10,2 <SEP> 1,4 <SEP> 11,4
<tb> C3H6 <SEP> 25 <SEP> 0,1 <SEP> 2,2 <SEP> 0,1
<tb> 2 <SEP> 8,5 <SEP> 0,3
<tb>
EMI17.6
48 14,9 3 1 11,6
EMI17.7
<tb>
<tb> C3H8 <SEP> 25 <SEP> 4 <SEP> 2,6 <SEP> 0,1
<tb> 3H8 <SEP> 25 <SEP> 11,1 <SEP> 0,8
<tb> 700 <SEP> 14,6 <SEP> 6,5 <SEP> i-C4H10 <SEP> 25 <SEP> 0,2 <SEP> 2,4 <SEP> 0,0 <SEP> -
<tb> 5,5 <SEP> 11,5 <SEP> 0,7 <SEP> 15,9
<tb> 400 <SEP> 18,4 <SEP> 11,8 <SEP> 27,2
<tb> C4H8-1 <SEP> 25 <SEP> 0,1 <SEP> 9,9 <SEP> 0,4 <SEP> -
<tb> 5 <SEP> 17,0 <SEP> 2,2 <SEP> 12,5
<tb>
EMI17.8
350 19,6 15,5 28,9
EMI17.9
<tb>
<tb> n-C6H14 <SEP> 25 <SEP> 0,18 <SEP> 4,8 <SEP> -
<tb> (hexane <SEP> n) <SEP> 0,22 <SEP> 10,2 <SEP> - <SEP> -
<tb> 20 <SEP> 19,
2 <SEP> - <SEP> Cyclohexane
<tb> C6H12 <SEP> 25 <SEP> 0,03 <SEP> 4,8 <SEP> -
<tb>
EMI17.10
0,18 17, 5 - -
EMI17.11
<tb>
<tb> 45 <SEP> 19,6
<tb> Toluène
<tb> C6H5CH3 <SEP> 25 <SEP> 0,03 <SEP> 7,5
<tb>
EMI17.12
0,08 18,0 - -
EMI17.13
<tb>
<tb> 27 <SEP> 26,8 <SEP> -
<tb>
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<tb>
<tb> Adsorbat <SEP> Temp. <SEP> C <SEP> Pression <SEP> Poids <SEP> % <SEP> adsorbé
<tb> mm. <SEP> Hg. <SEP> Na2X <SEP> Gel <SEP> silice <SEP> Charbon <SEP> de <SEP> b.
<tb>
CO <SEP> 0 <SEP> 50 <SEP> 0,8 <SEP> -
<tb> 298 <SEP> 3,2 <SEP> -
<tb> 750 <SEP> 5,1
<tb>
EMI18.2
CH30H 25 0,01 6,6 1,3 0,0
EMI18.3
<tb>
<tb> 0,08 <SEP> 14,5 <SEP> 3,8 <SEP> 0,3
<tb> 1,2 <SEP> 21,7 <SEP> 9,3 <SEP> 1,6
<tb> 90 <SEP> 24,1 <SEP> 28,4 <SEP> -
<tb>
EMI18.4
<tb>
<tb> Poids <SEP> % <SEP> adsorbé
<tb> Na2X <SEP> BaX <SEP> CaK <SEP> K2X
<tb> Azote <SEP> -196 <SEP> 5 <SEP> 24,8
<tb> Azote <SEP> -196 <SEP> 195 <SEP> 21,9 <SEP> 27,5
<tb> Oxygène <SEP> -196 <SEP> 56 <SEP> 34,0
<tb> Argon <SEP> -196 <SEP> 146 <SEP> 42,0 <SEP> 34,1 <SEP> 43,7
<tb> Krypton <SEP> -183 <SEP> 17 <SEP> 73
<tb> Hydrogène <SEP> -1 <SEP> 96 <SEP> 100 <SEP> < <SEP> 1
<tb> Hélium <SEP> -196 <SEP> 100 <SEP> < <SEP> 1
<tb> Oxyde <SEP> de
<tb> carbone <SEP> - <SEP> 75 <SEP> 500 <SEP> 15,8
<tb> Azote- <SEP> 75 <SEP> 500 <SEP> 9,6 <SEP> 10 <SEP> 10,0 <SEP> 7,
9
<tb> Oxygène <SEP> -75 <SEP> 500 <SEP> 5,2 <SEP> 6,5 <SEP> 6,5 <SEP> 5,8
<tb> Argon <SEP> -75 <SEP> 500 <SEP> 5,1 <SEP> 5,1 <SEP> 5,0
<tb> Oxygène <SEP> 25 <SEP> 500 <SEP> < <SEP> 1 <SEP>
<tb> Hydrogène <SEP> 25 <SEP> 500 <SEP> < <SEP> 1
<tb> Oxyde <SEP> de
<tb> carbone <SEP> 25 <SEP> 500 <SEP> 1,8
<tb> Méthane <SEP> 25 <SEP> 500 <SEP> < <SEP> 1
<tb> Azote <SEP> 25 <SEP> 500 <SEP> < <SEP> 1
<tb>
Ces résultats montrent que l'eau est plus fortement adsorbée qu'aucune des autres matières à des températures comparables et des pressions comparables, et illustrent un des principaux usages de la zéolite X, à savoir l'enlèvement de l'eau des mélanges en contenant.
Un exemple de l'application de cette propriété de forte adsorption aux basses pressions est le séchage d'un courant d'air ne contenant que de petites quantités d'eau initiales. Si par exemple de l'air contient de l'eau sous une pression partielle de 0,1 mm, de mercure, la zéolite X adsorbe environ 23 % en poids d'eau. Dans des conditions similaires, le gel de silice n'adsorbe qu'environ 1% en poids d'eau. On peut de même appliquer cette propriété à l'enlèvement de traces d'éthylène, d'acétylène, de propylène et d'autres gaz de sous-produits ou de courants de gaz usés.
Ce tableau démontre également la faible adsorbabilité de l'hydrogène et de l'hélium sur la zéolite X comparativement à celle de l'oxygène, de l'azote, de l'argon et du krypton et montre l'application de la zéolite X à la séparation des gaz très volatils comme l'hydrogène, l'hélium et le néon des gaz moins volatils comme l'oxygène, l'azote, l'argon, le krypton et le xénon,
Le tableau montre qu'à -75 C. l'azote est adsorbé plus fortement que l'oxygène et l'argon et l'oxygène plus fortement que l'argon, ce qui permet la séparation de l'azote des mélanges avec l'oxygène et l'argon et
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la séparation de l'oxygène de mélanges avec l'argon, au moyen de la zéolite X.
Le tableau montre également qu'à la même température (25 C. dans le tableau) l'acétylène est plus fortement adsorbé à une pression donnée que ne le sont l'oxygène, l'azote, l'hydrogène, l'oxyde de carbone, l'anhydride carbonique, le méthane et l'éthylène. Ainsi, l'acétylène peut être enlevé des mélanges comprenant ces gaz adsorbés moins fortement au moyen de zéolite X.
De même, l'éthylène est plus fortement adsorbé que l'oxygène, l'azote, l'hydrogène et l'oxyde de carbone, et la zéolite X peut être utilisée dans la séparation des mélanges d'éthylène de ses mélanges d'éthylène avec les autres gaz nommés.
On voit que l'oxyde de carbone est adsorbé sélectivement par rapport à l'hydrogène, l'azote, l'oxygène, l'argon et le méthane, ce qui démontre la possibilité de l'application de la zéolite X à la séparation de l'oxyde de carbone d'un quelconque de ces autres gaz.
L'anhydride carbonique est plus fortement adsorbé que l'hydrogène, l'hélium, l'azote, l'oxygène, le méthane, l'éthane et l'éthylène. De même, l'anhydride sulfureux est adsorbé sélectivement des mélanges avec l'hydro- gène, l'azote, l'oxygène, l'éthylène, l'oxyde de carbone et l'anhydride carbonique. Ceci s'applique également aux mélanges d'hydrogène sulfuré avec l'hydrogène, l'azote, l'oxygène, l'oxyde de carbone, l'anhydride carbonique, le méthane, l'éthylène, le propane, le butane et le pentane. L'ammoniac est plus fortement adsorbé que l'hydrogène, l'azote, l'oxygène, l'oxyde de carbone, l'anhydride carbonique, le méthane et l'éthane.
Un autre avantage de cette adsorption élevée aux basses pressions est la possibilité d'effectuer des processus d'adsorption à des températures plus élevées qu'on ne le fait généralement avec les adsorbants courants. Le pouvoir d'adsorption des adsorbants physiques diminue quand la température augmente de sorte qu'alors que la capacité d'adsorption d'un adsorbant quelconque peut être suffisante à une certaine température, elle peut être insuffisante à une température plus élevée. Au contraire la zéolite X fortement adsorbante conserve en principe sa capacité aux températures élevées.
Par exemple, le tableau ci-après donne les isothermes d'adsorption pour l'eau sur la zéolite calcique X à 25 et 100 C.et on voit que cette zéolite adsorbe plus d'eau à 100 C. que le gel de silice à 25 , dans la majeure partie de la gamme des pressions.
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<tb>
<tb>
Pression <SEP> Poids <SEP> % <SEP> adsorbé <SEP> à <SEP> 25 C <SEP> Pression <SEP> Poids <SEP> % <SEP> adsorbé <SEP> à <SEP> 100 C.
<tb> mm <SEP> Hg. <SEP> Gel <SEP> silice <SEP> NaX <SEP> mm <SEP> Hg <SEP> Gel <SEP> silice <SEP> Na2X
<tb> 0,1 <SEP> 1,2 <SEP> 23,1 <SEP> 0,6 <SEP> 0,2 <SEP> 9,6
<tb> 4,5 <SEP> 11,4 <SEP> 32,3 <SEP> 4,5 <SEP> 0,6 <SEP> 15,8
<tb> Po <SEP> 42,9 <SEP> 39,5 <SEP> Po <SEP> 15 <SEP> 20,9
<tb>
Po est la tension de vapeur de l'eau à 25 C.
Les procédés d'activation, de réactivation ou de régénération applicables avec la zéolite X diffèrent de ceux qui sont utilisés avec les adsorbants communs. La zéolite X peut être activée à l'origine par chauffage à l'air ou sous vide, ou au sein d'un autre gaz approprié. On a constaté que des températures d'environ 700 C étaient satisfaisantes pour l'activation. Dans des conditions similaires, la majeure partie des adsorbants sont partiellement ou totalement détruits par le chauffage ou oxydés par l'air.
Les conditions appliquées à la désorption d'un adsorbat de la zéoli-
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te X varient avec l'adsorbat, mais on utilise généralement un ou plusieurs moyens tels que l'élévation de température et la réduction de la pression, de la pression partielle ou de la concentration de l'adsorbat en contact avec l'adsorbant. Un autre procédé consiste à déplacer l'adsorbat par adsorption d'un autre adsorbat plus fortement retenu. On peut ainsi déplacer l'acétylène adsorbé sur un lit de zéolite X par adsorption d'eau.
La zéolite X peut être utilisée comme adsorbant aux fins ci-dessus sous une forme quelconque convenable. C'est ainsi qu'une colonne de matière cristallisée en poudre donne d'excellents résultats, ainsi qu'une colonne de granules obtenus par pression d'un mélange de zéolite X avec un agent liant convenable tel que l'argile.
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The present invention relates to an adsorbent of the molecular sieving type and more particularly to a synthetic crystalline form of sodium aluminum silicate, to its derivatives and to the processes for the manufacture and activation of these adsorbents. .
The main object of the present invention is to provide an adsorbent of the molecular sieving type having improved adsorbing properties, and particularly a crystallized metallic alumino-silicate, possessing remarkable properties and a very high adsorption capacity, as well as a convenient and efficient method of making and activating the novel absorbent according to the invention.
The naturally occurring hydrated metal aluminosilicates are referred to as zeolites. Synthetic absorbents according to the invention have compositions similar to those of some of the natural zeolites, so that the term "zeolite" seems to apply appropriately to the adsorbents according to the invention. However, there are clear differences between synthetic and natural materials. In order to distinguish one from the other, the synthetic crystallized sodium aluminosilicate according to the invention will be designated by the term “zeolite X”.
Some adsorbents, including zeolite X, selectively adsorb molecules depending on their size and shape and are referred to as "molecular sieves". Molecular sieves have an available sorption zone within a large number of regularly sized pores of molecular order. With such an arrangement, molecules of a certain size and shape enter the pores and are adsorbed, while molecules that are larger or differently shaped are excluded.
Not all adsorbents behave like molecular sieves. Common adsorbents like charcoal and silica gel, for example, do not exhibit molecular sieving action.
Zeolite X basically consists of a three-dimensional edifice of tetrahedra from SiO4 to AlO4. These tetrahedra are crosslinked by sharing oxygen atoms so that the ratio of oxygen atoms to the total of aluminum and silicon atoms is equal to 2 or O / (Al + Si) = 2.
The electrovalence of each tetrahedron containing aluminum is balanced by the inclusion in the crystal of a cation, for example an alkali or alkaline earth ion. This balance can be expressed by the formula: Al2 (Ca, Sr, Ba, Na2, K2) = le. One cation can be exchanged for another by the ion exchange techniques described below. The spaces between the tetrahedra are occupied by water molecules before dehydration.
Zeolite X can be activated by heating so as to remove water of hydration. Dehydration results in crystals interwoven with channels of molecular dimensions which provide a very large surface area for adsorption of foreign molecules. The interstitial channels have a dimension such that, at the narrowest points, molecules whose maximum dimensions of the projected minimum cross-sections are greater than those of heptacosafluorotributylamine do not enter the channels.
Factors influencing the occlusion by crystals of activated zeolite X are the size and polarizing power of the interstitial cation, the polarizability and polarity of the occluded molecules, the size and shape of the adsorbed molecule relative to those of the channels, the duration and severity of dehydration and desorption, and the presence of foreign molecules in the interstitial channels. Of course, the rejection characteristics of zeolite X are just as important as the adsorption or positive adsorption characteristics. For example, if we have to separate the
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benzene from heptacosafluorotributylamine (C4H9) 3N, it is also essential that the crystals refuse heptacosafluorotributylamine as they adsorb benzene.
One feature of the invention is the relatively simple process for preparing zeolite X. Although many cations can be present in the zeolite X molecule, it is preferable to synthesize the sodium form of the crystal, since reagents are readily available and soluble in water. Sodium in the sodium form of zeolite X can be readily exchanged with other treatments, as will be seen. In principle, the preferred process involves heating a suitable mixture, in aqueous solution, of the oxides or materials whose chemical composition can be fully represented as mixtures of the oxides Na2O, Al2O3, SiO2 and H2O, suitably to a temperature of d. 'approximately 100 C. for a period of up to 90 hours or more.
The product which crystallizes from the hot mixture is filtered off, washed with distilled water until the washing water in equilibrium with the zeolite has a pH of 9 to 12. After activation, for example by drying, the material is ready to operate as a molecular sieve.
The Applicant has found that a temperature of about 100 ° C. is particularly advantageous in this process. This temperature is easy to maintain, high enough to actually activate the reaction, while being low enough to give crystals of high water content which, after activation, have a high adsorption capacity.
Zeolite X can be distinguished from other zeolites and silicates by its X-ray diffraction spectrum carried out on the powder and by some of its physical characteristics. The X-ray diffraction spectrum of various ion-exchanged forms of X zeolite are described below. Composition and density are among the characteristics that have been shown to be the most important in identifying zeolite X.
The basic formula of all crystallized zeolites in which M is a metal and n its valence can be represented as M2O: Al2O3: X SiO2: Y H2O. In general, a particular crystallized zeolite has values of X and Y within a specified range.
The value of X for a particular zeolite varies somewhat due to the aluminum and silicon atoms occupying essentially equivalent positions in the lattice. Small variations in the relative numbers of these atoms do not significantly change the crystal structure or the physical properties of the zeolite. For zeolite X, numerous analyzes have shown that an average value of X is about 2.5 and generally between 2.5 ¯ 0.5.
The value of Y is not necessarily invariable for all samples of zeolite X, particularly in the case of the various forms of ion exchange of zeolite X, this because the various exchangeable ions have different dimensions and, since they there is no significant change in the dimensions of the crystal lattice as a result of the ion exchange, there is more or less * space available in the pores of the zeolite X to accommodate the water molecules.
The average value of Y determined by heating the fully hydrated sodium zeolite to 500 ° C. under a pressure of about 0.1 mm. is 6.2. Zeolite X partially exchanged with lithium and zeolite
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Sodium X partially exchanged with magnesium gives a higher Y value, which is about 7.2 for the fully hydrated form. A Y value of about 8 can be obtained for an X zeolite fully exchanged with magnesium or lithium. The partially exchanged X zeolites with calcium and barium have Y values of approximately
6.4 and 6.2 and, if the exchange is complete, about 7.
In the zeolite X obtained by synthesis according to the preferred process, the ratio Na2O / Al2O3 should be equal to 1. If all of the excess base present in the mother liquor is not removed by washing the precipitated product , the analysis may show a ratio greater than 1, and if the washing is carried too far, some exchange of sodium with hydrogen ions may occur, the ratio then becoming less than 1.
It has been found that due to the ease with which the exchange with hydrogen takes place, the ratio is, for zeolite X, of:
M2O n = 0.9 0.2, Al2O3 = 0.9 ¯ 0.2, M representing a metal and n its valence. A typical composition of sodium X zeolite expressed as oxides is 0.9 Na2O / Al2O3 / 2.5 SiO2 / 6.1 H2O.
Thus, the formula for zeolite X can be written as follows: (0, 9 ¯ 09.2) M2O: Al2O3: (2.5 + 0.5) SiO2: Y H2O n
In this formula M represents a metal, n its valence and Y can have any value up to 8, depending on the identity of the metal and the degree of hydration of the crystal.
The pores of zeolite X are normally filled with water, and in this case the above formula represents the chemical composition of zeolite X. When there is material in the pores other than water, l The chemical analysis shows a lower value of Y and presents it with other adsorbates. The presence in the crystal lattice of volatile material at temperatures below about 600 ° C. does not appreciably alter the useful value of zeolite X as an adsorbent, the pores usually being free of these materials after activation by heater.
The bulk densities of the fully hydrated samples of the various forms of zeolite X are determined by floating the crystals on liquids of appropriate densities. The technique and liquids applied are set forth in an article entitled "Density of Liquid Mixture", published in "Acta Crystal lographica", 1951, vol. 4, p. 565. These densities, in grams per cubic centimeter, are as follows: sodium zeolite X, 1.93: lithium zeolite X, 1.89; Rubidium X zeolite, 2.15; Magnesium zeolite X, 1.95; Calcium zeolite X, 1.96; Barium zeolite X, 2.31; Cerium X zeolite, 2.15. The accuracy of these measurements is 41.1 g./cc.
Representative reagents applied in the manufacture of the sodium form of zeolite X are silica gel, silicic acid, colloidal silica or sodium silicate as a source of silica. Alumina can be supplied by activated alumina, gamma alumina, alumina
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sodium trihydrate or aluminate. The sodium ion can be supplied by sodium hydroxide, which also aids in pH adjustment. It is preferable that the reagents are soluble in water. A solution of the reagents in the appropriate proportions is placed in a container, suitably made of glass or metal. The container is closed to prevent water loss and the reagents are heated for the desired time.
A convenient and preferred method of preparing the mixture of reagents is to make an aqueous solution containing sodium aluminate and sodium hydroxide and add it, preferably with stirring, to an aqueous solution of sodium silicate. The system is stirred until homogenization or dispersion in the almost homogeneous state of the gel possibly formed. Stirring can be stopped after this mixing, since there is no need to stir the reaction mass during the formation and crystallization of the zeolite. The initial mixing of the ingredients is conveniently done at room temperature, but this is not essential.
The Applicant has found that a crystallization temperature of about 100 ° C. is particularly advantageous in this process. This temperature is easy to maintain. It is high enough to facilitate the reaction and low enough to give crystals with a high water content which, after activation, have a high adsorption capacity. Satisfactory results have been obtained with reaction temperatures not exceeding about 21 ° C. and reaching about 120 ° C., at atmospheric pressure or at a pressure corresponding at least to the vapor pressure of water at equilibrium with mixing at higher temperature. Any suitable heating device such as an oven, sand bath, oil bath or double wall autoclave can be used.
For reasons of convenience, in the laboratory, glass containers containing the reagents are kept immersed in a boiling water bath giving a temperature of about 100 C. In industrial production, double-walled steam-heated containers provide a convenient way to control the temperature. For temperatures between room temperature (21 C.) and 120 C. increasing the temperature increases the speed of the reaction and decreases its duration. For example, sodium zeolite X is obtained in 88 hours at 50 ° C., in approximately 6 hours or less at 100 C. and in approximately one and a half hours at 120.
Once the zeolite crystals have been formed, they retain their structure, and maintaining the reaction temperature for a time longer than the time required to obtain the maximum yield of crystals is not detrimental up to 100 C. C Thus, zeolite X, which can be completely crystallized in six hours at 100 ° C., can remain in contact with the mother liquor at 100 ° C. for another 50 to 100 hours, without apparent change in yield or structure. crystals.
When the reaction period is complete, the zeolite crystals are filtered off. The reaction magma can be filtered at reaction temperature, if desired, but it is preferable to cool it to room temperature before filtration. The filtrate or mother liquor can be reused after re-establishing the appropriate amounts of reagents so as to obtain a suitably proportioned mixture of reagents. The mass of zeolite crystals is washed, preferably with distilled water and conveniently on a filter, until the wash water coming out in equilibrium with the zeolite has a pH of 9 to 12.
The crystals are then dried, conveniently in an oven, at a temperature of between 25 and 150 ° C. approximately. This drying is sufficient to perform X-ray analysis and chemical analysis. In practice,
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it is not necessary to carry out a separate drying, since this takes place at the same time as the activation. Individual crystals of zeolite X appear cubic. Most of these crystals have a size of 0.1 to 100 microns.
For the synthesis of zeolite X, it has been found that the composition of the reaction mixture is critical. The crystallization temperature and its duration are important variables involved in the yield of crystallized material. Under certain conditions, for example too low a temperature and too short a time, no crystalline material occurs. Extreme conditions can also give rise to materials other than zeolite X.
Table I which follows gives specific examples of the production of the sodium form of zeolite. The mixtures and the treatments described give zeolite X crystallized in principle pure, except in operation 5 where the presence of traces of another crystalline form of sodium aluminosilicate with zeolite X is observed.
In Table 7, the pressure of "solution A" denotes an aqueous solution of sodium silicate containing about 20% by weight of Na2O and 32% by weight of SiO2: the expression "solution B" denotes an aqueous solution of sodium silicate containing about 7.5% by weight Na2O and 25.8% by weight SiO2, and the expression "solution C" is a colloidal suspension of silica in water containing about 29 , 5% by weight of SiO2.
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TABLE I.
EMI6.1
<tb>
<tb>
Oxide <SEP> ratio
<tb> Temp. <SEP> SiO <SEP> / <SEP> Na2O / <SEP> H2O /
<tb>
EMI6.2
OP n Reagents C. Duration A1263. S102. Na20 1 10 g. NaAlO + 32 g. ground. A + 5, 5 ge NAH + 135 ca. H20 100 z7 h. 3.0 1, 3 38 2 10 g. NaAlO2 + 32g. ground. A + 5i5 g. NaOH + 185 cc. H20 100 47 h. 3.0 1.3 50
EMI6.3
<tb>
<tb> 3 <SEP> 20 <SEP> g. <SEP> NaA102 <SEP> + <SEP> 64 <SEP> g. <SEP> ground. <SEP> A <SEP>
<tb>
EMI6.4
+ llg. NaOH + 310 cc. H20 60 65 h. 3.0 1.3 41
EMI6.5
<tb>
<tb> 4 <SEP> 50 <SEP> g. <SEP> NaAl02 <SEP> + <SEP> 160 <SEP> g. <SEP> ground. <SEP> A
<tb> + <SEP> 27.5 <SEP> g. <SEP> NaOH <SEP> + <SEP> 775 <SEP> ce. <SEP> H20 <SEP> 100 <SEP> 15 <SEP> h. <SEP> 3.0 <SEP> 1.3 <SEP> 41
<tb> 5 <SEP> 18.4 <SEP> g. <SEP> NaA102 <SEP> + <SEP> 278 <SEP> g. <SEP> ground.
<tb>
EMI6.6
B + 34.2 g. NaOH + 88 cc. H2O 100 6 hrs. II, 4 0.72 18 6 15.9 g. A12 03 .3 H2O + 31 g.
EMI6.7
<tb>
<tb> ground. <SEP> B <SEP> + <SEP> 47.4 <SEP> g. <SEP> NaOH <SEP> + <SEP> 52
<tb> cc. <SEP> H2O <SEP> 100 <SEP> 24 <SEP> h. <SEP> 14.5 <SEP> 0.65 <SEP> 17
<tb> 7 <SEP> 5 <SEP> g. <SEP> NaA102, <SEP> 114 <SEP> g. <SEP> ground. <SEP> C-
<tb>
EMI6.8
+ 29, 'g. NaOH + 36 cc. H20 50 ll j. 20 0, 72 17
EMI6.9
<tb>
<tb> 8 <SEP> 10 <SEP> g. <SEP> NAAlO2 <SEP> + <SEP> 59 <SEP> g. <SEP> ground. <SEP> A
<tb> + <SEP> 94 <SEP> cc. <SEP> H2O <SEP> 100 <SEP> 47 <SEP> h. <SEP> 5, <SEP> 6 <SEP> 0.76 <SEP> 29
<tb> 9 <SEP> 20 <SEP> g. <SEP> NaA102 <SEP> + <SEP> 59 <SEP> g. <SEP> ground. <SEP> A
<tb>
EMI6.10
+ 11 g. NaOH + 270 g.
H20 120 read 5 h. 3.0 lu3 38 The sodium form of zeolite X was produced at 100 ° C., sensitive
EMI6.11
ment free of impurities, using actual mixtures the compositions of which, expressed as mixtures of oxides, are between the following limits:
EMI6.12
sio2 / Ai203 3 - 5 Na2O / sio2 1.2 - 1.5
H2O / Na2O 35 - 60
Zeolite X has also been produced in admixture with other crystallized sodium aluminosilicates and crystallized alumina from reactants in proportions outside these limits.
Zeolite X was thus produced as a mixture with a crystalline form of sodium aluminum silicate while maintaining reaction mixtures at 100 ° C., the compositions of which, expressed as mixtures of oxides, are between the following limits:
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EMI7.1
Si02 / Al203 2 - 40 Na20 / Si02 0.6 - 6
H2O / Na2O 10 - 30
Likewise, zeolite X mixed with yet another form of sodium aluminosilicate can be obtained by maintaining reaction mixtures at 100 0, the compositions of which, expressed as oxide ratios, are between the following limits:
EMI7.2
Si 2 / Al 2 3 2.4 - 30 Na20 / Si02 0.4 - 6.5
H2O / Na2O 10 - 90
Zeolite X mixed with another crystalline form of sodium aluminosilicate was likewise produced by maintaining reaction mixtures at 100 ° C. whose compositions, expressed as oxide ratio, are between the following limits
EMI7.3
Si 2 / Al 203 3 - 15
Na2O / SiO2 4 - 7 H20 / Na20 30 - 70
Zeolite X mixed with yet another crystalline form of sodium aluminosilicate was also produced by maintaining at 100 ° C. a reaction mixture of initial composition:
EMI7.4
Si02 / A1203 3.4 Na20 / Si02 1.8 H20 / Na20 28
When X zeolite mixed with other materials has been prepared, the X-ray diffraction spectrum of the mixture can be reproduced by simple proportionate addition of the spectra of the individual pure components.
Other properties, for example the molecular sieve selectivity of zeolite X, are among the properties of the mixture as long as zeolite X itself is in the mixture.
The adsorbents referred to here include not only the sodium form of zeolite X obtained by synthesis from a sodium-aluminum-silicate-water system with sodium as the exchangeable cation, but also crystalline materials obtained by partial or complete exchange. sodium by another cation. The sodium cations can be replaced in whole or in part by ion exchange with other monovalent, divalent or trivalent cations. Monovalent ions, which are both smaller than sodium, such as lithium, and larger, such as potassium and ammonium, freely enter the structure of zeolite X and exchange with other cations possibly present. The same is true of divalent ions smaller than sodium, such as magnesium, and larger, such as strontium and barium.
Cerium is an example of a trivalent ion entering into the structure of zeolite X.
The spatial arrangement of atoms of aluminum, silicon and o-
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xygen constituting the fundamental lattice of the zeolite crystal remains in principle unchanged by the partial or complete replacement of the sodium ion by other cations. X-ray spectra of the ion-exchanged zeolite forms show the same major lines at essentially the same positions, but show some differences in the relative intensities of the x-ray lines obtained due to the ion exchange.
Among the forms of zeolite X obtained by direct synthesis and ion exchange are the sodium, lithium, potassium, hydrogen, silver, ammonium, magnesium, calcium, zinc, barium, cerium and manganese forms.
For convenience, these materials will be indicated by the chemical symbol of the cation associated with the letter X. The sodium form is thus Na2X, the calcium form CaX and the ceric form Ce2X3.
Ion exchange of the sodium form of zeolite X (Na2X) or other forms of zeolite X can be accomplished by conventional ion exchange methods. The preferred continuous process consists of packing zeolite X into a series of vertical columns each of which bears a suitable support at the base; an aqueous solution of a soluble salt of the cation to be introduced into the zeolite is passed successively through the beds and the flow from the first bed is changed into the second when the zeolite present in the first bed has been changed by exchange in the desired proportion.
In order to obtain an exchange with hydrogen, water or an aqueous acid solution such as hydrochloric acid can conveniently be used. For the exchange with sodium, a solution of sodium chloride is used. Other suitable reagents are: for exchange with potassium, an aqueous solution of potassium chloride or an extended solution of potassium hydroxide; for exchanges with lithium, magnesium, calcium, ammonium, nickel or strontium, aqueous solutions of the chlorides of these elements; exchange with zinc, silver or cerium, an aqueous solution of their nitrate, and for manganese a solution of a manganous salt.
Although the most convenient is to use aqueous solutions of the cation exchange compounds, other solutions containing the desired cations or hydrated cations can be used.
In a typical case of exchange by separate operation, 8 g are mixed in a beaker. of sodium zeolite X (Na2X) and 380 cc. of a 0.05 M aqueous solution of barium chloride. The mixture is stirred for 2.5 minutes and the crystals are collected by filtration. The X-ray spectrum of the crystals is characteristic of the X zeolite and analysis shows that 55% of the sodium ions have been replaced by barium ions at the ratio of one barium ion to two sodium ions.
If an exchange operation is repeated by increasing the stirring time to 4.5 minutes before filtration, the degree of replacement of the sodium ions by barium ions is brought to 64%.
In another case, 15 g are mixed. of sodium zeolite X and 500 cc. of distilled water containing 34.7 g. of barium chloride and heated at 100 ° C. for one hour, then filtered. The crystals thus obtained are treated again in the same manner and a barium X zeolite is obtained in which 93% of the sodium ions originally present have been replaced by barium ions.
A glass exchange column is packed without tamping, up to 70 cm. in height of 37 g. of sodium zeolite X in tablets. 2.75 liters of a 0.05 M aqueous solution of zinc nitrate are passed through the column over a period of a little over five hours. The chemical analysis of the zeolite thus exchanged indicates a replacement of 47% of the sodium ions by
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zinc ions, in the ratio of one atom of zinc to two of sodium. By varying the concentration of zinc or other exchange ion, or the temperature, ion exchange up to almost 100% of the sodium ions can be achieved.
Among the ways to identify zeolite X and to distinguish this zeolite from other zeolites and other crystalline substances, the X-ray diffraction spectrum has proved to be an interesting means. The X-ray diffraction spectrum (powder) is obtained by standard techniques. The radiation is the doublet K u of copper; a Geiger counter recording spectrophotometer is used. The heights of the maxima I and the positions as a function of 20 where 0 is the Bragg angle are read from the spectrophotometer graph. We calculate by this means the relative intensities 100 1 where 10 is the intensity
1 0 of the strongest or maximum line, and d (obs) the interplanar space in angstroms corresponding to the recorded lines.
Table A gives the values relating to the X-ray diffraction spectra (on powder) of sodium X zeolite (Na2X), of calcium zeolite CaX at 89% exchange, of silver zeolite X (Ag2X) at 85% exchange, ceric zeolite X (Ce2X3) at 77% exchange, lithic zeolite X (Li2X) at 59% exchange, ammonium zeolite X [(NH4) 2X] 81% exchange and barite zeolite X (BaX) at 93% exchange. This table gives the values 100 1 and d (obs) in angstroms for the observed lines
1 for the different forms of X zeolites with different ions exchanged.
The X-ray spectrum indicates a cubic cell with dimensions of 24.5 angstroms to 25.5 angstroms. A separate column shows the sum of the squares of the Miller indices (h2 + k2 + I2) for a cubic cell, corresponding to the lines observed in the X-ray diffraction spectra. The ao values of each particular zeolite are also shown.
The relative intensities and line positions differ only slightly in the various exchanged forms of X zeolites. The spectra all show substantially the same lines and all meet the requirements of a cubic cell of approximately the same size. . The spatial arrangement of the atoms of silicon, oxygen and aluminum, i.e. the arrangement of the tetrahedra of AlO4 and SiO4, is essentially the same for all forms of zeolite X. The appearance of a few less important lines of disappearance of others, from one form of zeolite X to another, is attributable to the different dimensions and different numbers of cations present in the various forms, these differences causing some expansion or contraction of the crystals .
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TABLE A
EMI10.1
<tb>
<tb> CaX <SEP> Ag2CX <SEP> BaX <SEP> Ce2X3
<tb> (h2 + k2 + 12) <SEP> 100 <SEP> d (obs) <SEP> 100 <SEP> d (obs) <SEP> 100 <SEP> d (obs) <SEP> 100 <SEP> d (obs)
<tb> 1/10 <SEP> angst. <SEP> 1/10 <SEP> angst. <SEP> 1/10 <SEP> ang. <SEP> 1/10 <SEP> ang.
<tb>
3 <SEP> 100 <SEP> 14.37 <SEP> 100 <SEP> 14.37 <SEP> 100 <SEP> 14.43 <SEP> 100 <SEP> 14.42
<tb> 8 <SEP> 9 <SEP> 8.79 <SEP> 2 <SEP> 8, <SEP> 82 <SEP> 7 <SEP> 8.84 <SEP> 2 <SEP> 8.81
<tb> 11 <SEP> 4 <SEP> 7.51 <SEP> 6 <SEP> 7.54 <SEP> 81
<tb> 12 <SEP> 29 <SEP> 7.21
<tb> 16 <SEP> 16 <SEP> 6.23 <SEP> 13 <SEP> 6.25 <SEP> 4 <SEP> 6.24
<tb> 19 <SEP> 16 <SEP> 5.71 <SEP> 27 <SEP> 5.73 <SEP> 18 <SEP> 5, <SEP> 72 <SEP>
<tb> 27 <SEP> 5 <SEP> 4.79 <SEP> 2 <SEP> 4.80 <SEP> 6 <SEP> 4.80 <SEP> 7 <SEP> 4.80
<tb> 32 <SEP> 11 <SEP> 4.40 <SEP> 6 <SEP> 4.41 <SEP> 4, <SEP> 42 <SEP> 4 <SEP> 4.41
<tb> 35 <SEP> 3 <SEP> 4.22
<tb> 36 <SEP> 3 <SEP> 4.16
<tb> 40 <SEP> 2 <SEP> 3,936 <SEP> 10 <SEP> 3,948
<tb> 43 <SEP> 20 <SEP> 3.8 <SEP> 9 <SEP> 3.805 <SEP> 45 <SEP> 3.810 <SEP> 38 <SEP> 3.808
<tb> 44 <SEP> 2 <SEP> 3,754 <SEP> 11 <SEP> 3,760 <SEP> 89 <SEP> 3,767 <SEP> 4 <SEP> 3,767
<tb> 48 <SEP> 2 <SEP> 3,
593 <SEP> 5 <SEP> 3,603 <SEP> 7 <SEP> 3,606
<tb> 51 <SEP> 2 <SEP> 3,486 <SEP> 3 <SEP> 3,494 <SEP> 9 <SEP> 3,499 <SEP> 4 <SEP> 3,499
<tb> 56 <SEP> 12 <SEP> 3.328 <SEP> 11 <SEP> 3.335 <SEP> 28 <SEP> 3.339 <SEP> 18 <SEP> 3.339
<tb> 59 <SEP> 3 <SEP> 3,241 <SEP> 6 <SEP> 3,250 <SEP> 11 <SEP> 3,253 <SEP> 3 <SEP> 3,253
<tb> 67 <SEP> 4 <SEP> 3.041 <SEP> 10 <SEP> 3.051
<tb> 68 <SEP> 2 <SEP> 3.027
<tb> 72 <SEP> 8 <SEP> 2,934 <SEP> 7 <SEP> 2,941 <SEP> 14 <SEP> 2,944 <SEP> 10 <SEP> 2,944
<tb> 75 <SEP> 6 <SEP> 2.875 <SEP> 12 <SEP> 2.882 <SEP> 19 <SEP> 2.887 <SEP> 13 <SEP> 2.886
<tb> 76 <SEP> 17 <SEP> 2,869
<tb> 80 <SEP> 7 <SEP> 2,783 <SEP> 25 <SEP> 2,792 <SEP> 68 <SEP> 2,795 <SEP> 13 <SEP> 2,794
<tb> 83 <SEP> 4 <SEP> 2,732 <SEP> 4 <SEP> 2,739 <SEP> 13 <SEP> 2,742 <SEP> 4 <SEP> 2,744
<tb> 88 <SEP> 6 <SEP> 2,653 <SEP> 5 <SEP> 2,662 <SEP> 10 <SEP> 2,663 <SEP> 8 <SEP> 2,663
<tb> 91 <SEP> 4 <SEP> 2,
610 <SEP> 9 <SEP> 2,617 <SEP> 7 <SEP> 2,620 <SEP> 7 <SEP> 2,620
<tb> 96 <SEP> 12 <SEP> 2,549 <SEP> 24 <SEP> 2,551 <SEP> 4 <SEP> 2,552
<tb> 99 <SEP> 5 <SEP> 2.512
<tb> 104 <SEP> 1 <SEP> 2,440 <SEP> 3 <SEP> 2,451
<tb> 107 <SEP> 20 <SEP> 2,418
<tb> 108 <SEP> 5 <SEP> 2,396 <SEP> 9 <SEP> 2,207 <SEP> 26 <SEP> 2,406
<tb> 115 <SEP> 6 <SEP> 2.182 <SEP> 7 <SEP> 2.331
<tb> 116 <SEP> 4 <SEP> 2,140 <SEP> 4 <SEP> 2,323
<tb> 128 <SEP> 3 <SEP> 2,202 <SEP> 2 <SEP> 2,119 <SEP> 27 <SEP> 2,210 <SEP> 10 <SEP> 2,210
<tb> 131 <SEP> 2 <SEP> 2.175 <SEP> 5 <SEP> 2.184
<tb> 136 <SEP> 3 <SEP> 2,139 <SEP> 12 <SEP> 2,140 <SEP> 7 <SEP> 2,140
<tb> 138 <SEP> 2 <SEP> 2,112 <SEP> 5 <SEP> 2,121
<tb> 140 <SEP> 25 <SEP> 2,113
<tb> 144 <SEP> 1 <SEP> 2.074
<tb> 155 <SEP> 1 <SEP> 2,000
<tb> 160 <SEP> 2 <SEP> 1.975
<tb> 163 <SEP> 3 <SEP> 1.954 <SEP> 3 <SEP> 1.956
<tb> 164 <SEP> 1 <SEP> 1.945
<tb> 168 <SEP> 1 <SEP> 1,
921
<tb> 172 <SEP> 6 <SEP> 1,908
<tb> 176 <SEP> 4 <SEP> 1.882 <SEP> 6 <SEP> 1.885
<tb> 179 <SEP> 1 <SEP> 1.859
<tb> 187 <SEP> 1 <SEP> 1,821 <SEP> 7 <SEP> 1,829
<tb> 195 <SEP> 1 <SEP> 1,784 <SEP> 3 <SEP> 1,790
<tb> 200 <SEP> 2 <SEP> 1,761 <SEP> 7 <SEP> 1,768 <SEP> 4 <SEP> 1,769
<tb> 204 <SEP> 6 <SEP> 1,751
<tb>
<Desc / Clms Page number 11>
EMI11.1
<tb>
<tb> 211 <SEP> 2 <SEP> 1,714
<tb> 236 <SEP> 8 <SEP> 1,628
<tb>
EMI11.2
243 3 1, 597 3 1.60 in 11.604 3 1, 604 0 0 0 0 ô = 24.90 A ao = 24.96 A a 0 = 2q., 99 A a 0 = 24.99 A
EMI11.3
<tb>
<tb> (NH4) 2X <SEP> Li2X <SEP> Na2X
<tb> h2 + k2 + 12 <SEP> 100 <SEP> 1/10 <SEP> d (obs) <SEP> 100 <SEP> 1/1 <SEP> d <SEP> (obs) <SEP> 100 < SEP> 1/1 <SEP> d <SEP> (obs)
<tb> <SEP> angst. <SEP> angst.
<SEP> angstroms
<tb> 3 <SEP> 100 <SEP> 14.41 <SEP> 100 <SEP> 14.37 <SEP> 100 <SEP> 14.47
<tb> 8 <SEP> 16 <SEP> 8.85 <SEP> 18 <SEP> 8.79 <SEP> 18 <SEP> 8.85
<tb> 11 <SEP> 10 <SEP> 7.53 <SEP> 14 <SEP> 7.49 <SEP> 12 <SEP> 7.54
<tb> 19 <SEP> 15 <SEP> 5.73 <SEP> 20 <SEP> 5.70 <SEP> 18 <SEP> 5.73
<tb> 27 <SEP> 6 <SEP> 4.81 <SEP> 7 <SEP> 4.79 <SEP> 5 <SEP> 4.81
<tb> 32 <SEP> 14 <SEP> 4.42 <SEP> 11 <SEP> 4.40 <SEP> 9 <SEP> 4.42
<tb> 35 <SEP> 1 <SEP> 4.23 <SEP> 1 <SEP> 4.21 <SEP> 1 <SEP> 4.23
<tb> 40 <SEP> 5 <SEP> 3,953 <SEP> 5 <SEP> 3,931 <SEP> 4 <SEP> 3,946
<tb> 43 <SEP> 19 <SEP> 3,813 <SEP> 23 <SEP> 3,794 <SEP> 21 <SEP> 3,808
<tb> 44 <SEP> 2 <SEP> 3,773 <SEP> 3 <SEP> 3,749 <SEP> 3 <SEP> 3,765
<tb> 48 <SEP> 2 <SEP> 3,610 <SEP> 1 <SEP> 3,590 <SEP> 1 <SEP> 3,609
<tb> 51 <SEP> 2 <SEP> 3,500 <SEP> 2 <SEP> 3,482 <SEP> 1 <SEP> 3,5
<tb> 56 <SEP> 17 <SEP> 3.341 <SEP> 22 <SEP> 3,
324 <SEP> 18 <SEP> 3.338
<tb> 59 <SEP> 2 <SEP> 3,257 <SEP> 2 <SEP> 3,239 <SEP> 1 <SEP> 3,253
<tb> 67 <SEP> 4 <SEP> 3.056 <SEP> 6 <SEP> 3.040 <SEP> 4 <SEP> 3.051
<tb> 72 <SEP> 10 <SEP> 2,948 <SEP> 10 <SEP> 2,933 <SEP> 9 <SEP> 2,944
<tb> 75 <SEP> 13 <SEP> 2,889 <SEP> 22 <SEP> 2,874 <SEP> 19 <SEP> 2,885
<tb> 80 <SEP> 11 <SEP> 2,797 <SEP> 9 <SEP> 2,782 <SEP> 8 <SEP> 2,794
<tb> 83 <SEP> 3 <SEP> 2,746 <SEP> 3 <SEP> 2,730 <SEP> 2 <SEP> 2,743
<tb> 88 <SEP> 9 <SEP> 2,667 <SEP> 9 <SEP> 2,653 <SEP> 8 <SEP> 2,663
<tb> 91 <SEP> 1 <SEP> 2,623 <SEP> 3 <SEP> 2,609 <SEP> 3 <SEP> 2,620
<tb> 96 <SEP> 1 <SEP> 2,553 <SEP> 1 <SEP> 2,542 <SEP> 1 <SEP> 2,550
<tb> 104 <SEP> 1 <SEP> 2.451
<tb> 108 <SEP> 4 <SEP> 2.407 <SEP> 6 <SEP> 2.395 <SEP> 5 <SEP> 2.404
<tb> 123 <SEP> 1 <SEP> 2,256 <SEP> 1 <SEP> 2,244 <SEP> 1 <SEP> 2,254
<tb> 128 <SEP> 4 <SEP> 2,210 <SEP> 3 <SEP> 2,200 <SEP> 3 <SEP> 2,
209
<tb> 131 <SEP> 2 <SEP> 2,183 <SEP> 2 <SEP> 2,175 <SEP> 3 <SEP> 2,182
<tb> 136 <SEP> 2 <SEP> 2,140 <SEP> 3 <SEP> 2,139 <SEP> 2 <SEP> 2,141
<tb>
EMI11.4
13 9 1 2.121 2 2.110 2 2.120
EMI11.5
<tb>
<tb> 144 <SEP> 2 <SEP> 2,084 <SEP> 2 <SEP> 2,074 <SEP> 1 <SEP> 2,083
<tb> 147 <SEP> 1 <SEP> 2,060
<tb> 155 <SEP> 1 <SEP> 2.007
<tb> 164 <SEP> 1 <SEP> 1.952 <SEP> 2 <SEP> 1.945 <SEP> 1 <SEP> 1.952
<tb> 168 <SEP> 1 <SEP> 1,929 <SEP> 2 <SEP> 1,920 <SEP> 1 <SEP> 1,928
<tb> 179 <SEP> 2 <SEP> 1,860
<tb> 184 <SEP> 1 <SEP> 1,842
<tb> 187 <SEP> 1 <SEP> 1,829 <SEP> 2 <SEP> 1,820
<tb> 195 <SEP> 1 <SEP> 1,790 <SEP> 1 <SEP> 1,789
<tb> 200 <SEP> 2 <SEP> 1,767 <SEP> 2 <SEP> 1,760 <SEP> 2 <SEP> 1,767
<tb> 211 <SEP> 3 <SEP> 1,721 <SEP> 5 <SEP> 1,713 <SEP> 3 <SEP> 1,721
<tb> 236 <SEP> 1 <SEP> 1,628 <SEP> 1 <SEP> 1,621
<tb> 243 <SEP> 3 <SEP> 1,604 <SEP> 5 <SEP> 1,596 <SEP> 3 <SEP> 1,
603
<tb>
<tb> ao <SEP> = <SEP> 25.01 <SEP> A <SEP> ao <SEP> = <SEP> 24.88 <SEP> A <SEP> ao <SEP> = <SEP> 24.99 <SEP> A
<tb>
<Desc / Clms Page number 12>
The most significant values of d for zeolite X are given in Table B.
TABLE B.
D-value of reflection in angstroms
EMI12.1
<tb>
<tb> 14.42 <SEP> ¯ <SEP> 0.2
<tb> 8.82 <SEP> 0.1 <SEP>
<tb> 4.41 <SEP> ¯ <SEP> 0.05
<tb> 3.80 <SEP> ¯ <SEP> 0.05
<tb> 3.33 <SEP> ¯ <SEP> 0.05
<tb> 2.88 <SEP> ¯ <SEP> 0.05
<tb> 2.79 <SEP> ¯ <SEP> 0.05
<tb> 2.66 <SEP> ¯ <SEP> 0.05
<tb>
Occasionally, additional lines not belonging to the spectrum of zeolite X appear together with the characteristic lines of zeolite X. This indicates that there is one or more crystalline materials in admixture with zeolite X in the treated sample.
Additional materials can often be identified as being in the initial reagents in the synthesis of the zeolite, or as other crystalline substances. When the X zeolite is heat treated at temperatures between 100 and 600 C. in the presence of water vapor or other gases or vapors, the relative intensities of the lines present in the X-ray spectrum may be. appreciably altered from those observed in the spectra of the unactivated X zeolite. Small changes in the position of the lines can also occur under these conditions. These changes in no way affect the identification of these X-ray spectra as relating to the X zeolite.
The particular technique and / or apparatus used, humidity, temperature, orientation of powder crystals, and other variables, as is well known to those skilled in crystallography or X-ray diffraction, can cause certain variations in the currents and positions of the lines.
These changes, even in the rare cases where they are significant, do not pose identification problems for an x-ray specialist. Thus'. the results given here to identify the zeolite X lattice do not exclude those materials which, due to the mentioned or known variables, do not show all the lines or show additional lines which are admissible in the cubic system of the zeolite X , or show a slight displacement of these lines so as to give a slightly larger or smaller reticular parameter.
A simple test described in "American Mineralogist", vol. 28, p. 5451 1943, allows rapid control of the silicon / aluminum ratio in zeolite X. According to the description of the test, the three-dimensional lattice zeolites containing aluminum and silicon in an Al / Si atomic ratio = 0, 67 or more give a gel when treated with hydrochloric acid. Zeolites with smaller aluminum / silicon ratios break down in the presence of hydrochloric acid and precipitate silica. When mixing about 0.2 g. powdered sodium zeolite X with water and about 2 cc. of concentrated hydrochloric acid and when heated, a solid, almost clear gel forms.
The zeolites contemplated here exhibit adsorption properties.
<Desc / Clms Page number 13>
exceptional tion among the known adsorbents. Common adsorbents, such as charcoal and silica gel, exhibit adsorption selectivities based primarily on the boiling point or critical temperature of the adsorbates. In contrast, the activated zeolite X exhibits selectivity based on the size and shape of the adsorbate molecule. Among the molecules of adsorbates whose size and shape are such as to allow adsorption by zeolite X, the latter shows a strong preference for those which are polar, polarizable and non-saturated.
Another property of zeolite X which contributes to its exceptional position among adsorbents is that of adsorbing large amounts of adsorbates even at very low pressures, very low partial pressures or very low concentrations. One of these adsorption characteristics or a combination of several of these characteristics or others can make zeolite X useful in many gas or liquid separation processes which do not currently involve the use of adsorbents. The use of zeolite X makes it possible to carry out in a more efficient and more economical manner many processes currently using other adsorbents.
Common adsorbents like silica gel and charcoal do not show any appreciable molecular sieving action as do the various forms of zeolite X. This sieving action of sodium zeolite X is shown in the following table in which P represents the vapor pressure of the adsorbate at 25 C. In this table, as well as others appearing during this description, the expression "adsorbed weight%" refers to the percentage increase in weight of the adsorbent . The adsorbents are activated by heating under reduced pressure so as to remove the adsorbed material. Throughout this specification, the activation temperature of zeolite X is 350 ° C. and the absolute pressure to which it is heated is less than about 0.1 mm. of mercury, unless otherwise specified.
Likewise, the pressure given for each adsorption is the pressure of the adsorbate under the adsorption conditions, unless otherwise indicated.
EMI13.1
<tb>
<tb>
Adsorbat <SEP> Temp. <SEP> Pressure <SEP> Weight <SEP> adsorbed <SEP>% <SEP>
<tb> C <SEP> mm. <SEP> Hg <SEP> on <SEP> Na2X
<tb> Octane <SEP> 25 <SEP> 11 <SEP> 30.0
<tb> Benzene <SEP> 25 <SEP> 45 <SEP> 25.0
<tb> m-dichlorobenzene <SEP> 25 <SEP> P <SEP> 35.5
<tb> Heptacosafluorotri- <SEP> 23 <SEP> P <SEP> <SEP> 2,2
<tb> butylamine
<tb>
These results show that the porous structure of sodium zeolite X allows free access for molecules of octane, benzene and dichlorobenzene, which are thus easily adsorbed. On the other hand, it does not allow access to heptacosafluorotributylamine. This adsorption behavior makes it possible to separate mixtures of heptacosafluorotributylamine and larger molecules with benzene, toluene, octane or other kinds of molecules small enough to be adsorbed.
Measurements made using various forms of zeolite X exchange show that the pore size varies from one form to another.
Lithium X zeolite, sodium zeolite X, and calcium zeolite X all adsorb diphenylmethane, but the adsorption rates and equilibrium adsorption capacities are different, as shown below.
<Desc / Clms Page number 14>
EMI14.1
<tb>
<tb> Adsorbent <SEP> Temp. <SEP> C. <SEP> Pressure <SEP> Weight <SEP>% <SEP> of <SEP> diphenylmethane
<tb> adsorbed <SEP> in <SEP> 9 <SEP> hours
<tb>
EMI14.2
Na2X 25 Po ...
5.9
EMI14.3
<tb>
<tb> Li2X <SEP> 25 <SEP> Po <SEP> 11.1
<tb> CaX <SEP> 25 <SEP> Po <SEP> 15.7
<tb>
# Po is the vapor pressure of diphenylmethane at 25 C,
These results show that replacing the sodium ions present in the original sodium X zeolite with half the calcium ions of about the same size opened the pore structure sufficiently to allow freer access of the diphenylmethane. A slightly less pronounced enlargement of the dimensions of the pores is obtained by replacing a number of sodium ions by a standard number of small lithium ions.
The adsorption properties of zeolite X can be modified by partially filling the pores of zeolite X with 8 * molecular species different from that of which the adsorption is being studied. This effect is shown by the adsorption of acetylene on fully activated Na2X and on Na2X samples partially loaded with water.
EMI14.4
<tb>
<tb>
Condition <SEP> of <SEP> Na2X <SEP> Weight <SEP>% <SEP> of <SEP> C2H2 <SEP> adsorbed <SEP> on <SEP> Na2X
<tb>
EMI14.5
¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯ to 700 mm. îg and 25 C.
EMI14.6
<tb>
<tb> completely <SEP> enabled <SEP> 15
<tb> Charged <SEP> with water <SEP> to <SEP> 5% <SEP> in <SEP> weight <SEP> 12.4
<tb> Charged <SEP> with water <SEP> to <SEP> 15% <SEP> in <SEP> weight <SEP> 7.2
<tb>
Another exceptional property of zeolite X is its marked preference for polar, polarizable and unsaturated molecules, of course provided that these molecules are of such a size and shape that they can enter the system. pores. This is in contrast to what happens with charcoal and silica gel, the selectivity of which is based on the volatility of the adsorbate.
The following table compares the adsorptions of water, a polar molecule, of carbon dioxide, a polarizable molecule, and acetylene, a non-saturated molecule, on charcoal, silica gel and sodium zeolite X.
EMI14.7
<tb>
<tb>
Adsorbat <SEP> Temp. <SEP> Pressure <SEP> ¯¯¯¯¯¯¯ Weight <SEP>% <SEP> adsorbed
<tb> 0 C <SEP> mm. <SEP> Hg <SEP> Na2X <SEP> Gel <SEP> of <SEP> silica <SEP> Charcoal <SEP> of <SEP> wood
<tb> Water <SEP> 25 <SEP> 0.2 <SEP> 25.7 <SEP> 1.6 <SEP> 0.1
<tb> Acetylene <SEP> 25 <SEP> 50 <SEP> 10.6 <SEP> 2.1 <SEP> 2.5
<tb> Carbonless <SEP> 25 <SEP> 50 <SEP> 15.7 <SEP> 1.3 <SEP> 2.2
<tb>
The affinity of zeolite X for the adsorbate is all the greater as the degree of polarity, polarizability and unsaturation is higher. This is shown by the following results relating to a series of C2 and C3 hydrocarbons adsorbed on sodium zeolite.
<Desc / Clms Page number 15>
EMI15.1
<tb>
<tb>
Pressure, <SEP> mm, <SEP> Hg. <SEP> Temp. C <SEP> Weight <SEP>% <SEP> adsorbed <SEP> on <SEP> Na2X
<tb> C2H6 <SEP> C2H4 <SEP> C2H2
<tb> 5 <SEP> 25 <SEP> 0.2 <SEP> 1.4 <SEP> 6.6
<tb> 25 <SEP> 25 <SEP> 0.8 <SEP> 6.1 <SEP> 9.8
<tb> Weight <SEP>% <SEP> adsorbed <SEP> on <SEP> Na2X
<tb> C3H8 <SEP> C3H6
<tb> 1 <SEP> 25 <SEP> 0.8 <SEP> 6.0
<tb> 5 <SEP> 25 <SEP> 3.1 <SEP> 10.6
<tb>
The adsorption selectivity of zeolite X for polar molecules relative to non-polar molecules is shown in the following table which compares carbon monoxide, a polar molecule, with argon, a non-polar molecule whose dimension and volatility are much the same.
EMI15.2
<tb>
<tb>
Adsorbat <SEP> Temp <SEP>. C. <SEP> Pressure, <SEP> mm. <SEP> Hg <SEP> Weight <SEP>% <SEP> adsorbed <SEP> on
<tb> ¯¯¯¯¯¯¯ <SEP> ¯¯¯¯¯¯¯ <SEP> ¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯ <SEP> BaX
<tb> Argon <SEP> -75 <SEP> 500 <SEP> 5.0
<tb> Oxide <SEP> of
<tb> carbon-75 <SEP> 500 <SEP> 10.0
<tb>
The selectivity of zeolite X for an unsaturated aromatic hydrocarbon, toluene, compared to a saturated cyclic hydrocarbon, cyclohexane, is illustrated by the following results:
EMI15.3
<tb>
<tb> Pressure, <SEP> mm.Hg. <SEP> Temp. <SEP> C. <SEP> Weight <SEP>% <SEP> adsorbed <SEP> on <SEP> Na2X
<tb> Toluene <SEP> cyclohexane
<tb> 0.05 <SEP> 25 <SEP> 13.0 <SEP> 7
<tb> 0.10 <SEP> 25 <SEP> 19.7 <SEP> 12.3
<tb>
Organic sulfur compounds are generally more polar or polarizable than their hydrocarbon counterpart, so that organic sulfur compounds can be selectively adsorbed in mixtures with hydrocarbons of approximately the same composition and degree of unsaturation. Thus, thiophene and benzene have about the same volatility and are difficult to separate by distillation, whereas zeolite X can effect the separation by selective adsorption of thiophene.
As a demonstration, 6.6 g of powdered Na2X are placed in 12 g. of a mixture containing 24.3% thiophene and 75.7% benzene. It is shaken for a short time and it is observed that the thiophene concentration of the supernatant liquid is reduced to 21.4%. In another test, vapors containing 0.44% thiophene are passed in benzene over a bed of Na X; the outgoing vapors contain only 0.19% thiophene.
The selectivity for a given adsorbate molecule is modified by ion exchange in sodium zeolite X. Thus, for a particular adsorbate, one of the many cationic forms of zeolite X, such as barium zeolite X, may be a better adsorbent than other cationics of zeolite X. Furthermore, the relative selectivity between the various cationic forms of zeolite X changes with temperature or with increasing frequency.
<Desc / Clms Page number 16>
the pressure at which the adsorptions are effected. Here are various illustrations of these effects.
EMI16.1
<tb>
<tb>
AdsorbatTemp. <SEP> Pressure <SEP> Weight <SEP>% <SEP> adsorbed
<tb> C <SEP> mm.Hg. <SEP> Na2X <SEP> CaX <SEP> MgX <SEP> BaX <SEP> MnX <SEP> Li2X <SEP> Ce2X3
<tb>
EMI16.2
Water 25 0.04 - 22.9 - 20.1 1913 - 13.1
EMI16.3
<tb>
<tb> 25 <SEP> 4.5 <SEP> 29.3 <SEP> 33.3 <SEP> 34.2 <SEP> 25.8 <SEP> 31.9 <SEP> 31.8 <SEP> 27 , 1
<tb>
EMI16.4
Oxide of ¯75 25 5.4 4.5 carbon 25 5.4 - 891 4.5 - ls8
EMI16.5
<tb>
<tb> 0 <SEP> 25- <SEP> 2.5 <SEP> - <SEP> 0.8 <SEP> 0.8 <SEP> - <SEP> 0.0
<tb> o <SEP> 750 <SEP> - <SEP> 5,1 <SEP> - <SEP> 6,8 <SEP> 4, <SEP> 2 <SEP> - <SEP> 1,9
<tb> Nitrogen <SEP> -75 <SEP> 738 <SEP> - <SEP> 9.0 <SEP> - <SEP> 10.8 <SEP> 8.6 <SEP> @ <SEP> 5.3
<tb>
EMI16.6
n-hexane 25 20 1.9, 2 - 18, 3 15, 8 1 d, 9 tes 16.1 methylcyclo-
EMI16.7
<tb>
<tb> hexane <SEP> 25 <SEP> 38 <SEP> 20.7 <SEP> - <SEP> 24.4 <SEP> 16.8 <SEP> 20.0 <SEP> 21.3 <SEP> 17 ,
6
<tb>
The high degree of selectivity exhibited by zeolite X for polar, polarizable and unsaturated molecules makes zeolite X more useful in separating polar molecules from less polar or non-polar molecules, polarizable molecules from less polarizable or non-polarized molecules. -polarisables, and 'unsaturated molecules less non-saturated molecules or saturated molecules.
Zeolite X shows selectivity for adsorbates, provided that they can enter its porous network according to the points
EMI16.8
boiling point of said adsorl3a-ts, as well as their polarity, their peelability and their degree of unsaturation. For example, hydrogen is not strongly adsorbed at room temperature because its boiling point is too low. A non-polar saturated molecule of ethane adsorbs somewhat more strongly at room temperature than the polar carbon monoxide molecule because of the much lower boiling point effect of carbon monoxide. (-192 C) than that of ethane (-88 C.) outweighs the effect of the higher polarity of carbon monoxide.
Another important characteristic of zeolite X is its property of adsorbing large amounts of adsorbates at low pressures, partial pressures or concentrations of adsorbates. This property makes zeolite X useful in removing adsorbable impurities from gas and liquid mixtures because its adsorption capacity is relatively high even when the material being adsorbed is at a low concentration. It is also possible to efficiently recover compounds existing in very low proportions in the mixtures. The following table gives examples of high adsorption at low pressures by zeolite X, with comparative results for silica gel and charcoal. .
<Desc / Clms Page number 17>
EMI17.1
<tb>
<tb>
Adsorbat <SEP> Temp. <SEP> C <SEP> Pressure <SEP> ¯¯¯¯¯¯ Weight <SEP>% <SEP> adsorbed
<tb> mm. <SEP> Hg. <SEP> Na2H <SEP> Gel <SEP> silica <SEP> Carbon <SEP> of <SEP> b.
<tb>
Water <SEP> 25 <SEP> 0.02 <SEP> 14.5 <SEP> 0.7 <SEP> 0.4
<tb>
EMI17.2
25 0.1 23.1 1.2 - 25 4.5 32.3 11.4 2.7 25 Po 39.5 42.9 24.1 co2 25 1.6 3.7 0.5 0.5
EMI17.3
<tb>
<tb> 25 <SEP> 80 <SEP> 18.0 <SEP> 0.6 <SEP> 2.3
<tb> 25 <SEP> 750 <SEP> 26.3 <SEP> 4.6 <SEP> 10.0
<tb> SO2 <SEP> 25 <SEP> 0.7 <SEP> 30.2 <SEP> - <SEP> 1.7
<tb> 25 <SEP> 12 <SEP> 38.1 <SEP> - <SEP> 10.7
<tb> 25 <SEP> 696 <SEP> 42.9 <SEP> - <SEP> 61.6
<tb> H2S <SEP> 25 <SEP> 0.5 <SEP> 115, <SEP> -
<tb> 25 <SEP> 11 <SEP> 22.6
<tb> 25 <SEP> 400 <SEP> 35.0
<tb> NH3 <SEP> 25 <SEP> 0.6 <SEP> 5.9 <SEP> 1.9 <SEP> 0.3
<tb> 25 <SEP> 9 <SEP> 12.7 <SEP> 5.9 <SEP> 0.4
<tb> 25 <SEP> 700 <SEP> 19.7 <SEP> 12.9 <SEP> 8.3
<tb> C2H2 <SEP> 25 <SEP> 4.9 <SEP> 6.6
<tb> 25 <SEP> 9.8 <SEP> 1.7 <SEP> 2.0
<tb> 200 <SEP> 13.3 <SEP> 2.2 <SEP> 4.0
<tb>
EMI17.4
740 14.7 2.2 4.9
EMI17.5
<tb>
<tb> C2H4 <SEP> 25 <SEP> 37 <SEP> 7,
1 <SEP> 2.1 <SEP> 4.4
<tb> 160 <SEP> 10.1 <SEP> 2.7 <SEP> 7.1
<tb> C2H6 <SEP> 25 <SEP> 25 <SEP> 0.8 <SEP> 0.0 <SEP> 3.3
<tb> 300 <SEP> 8.3 <SEP> 0.6 <SEP> 8.8
<tb> 700 <SEP> 10.2 <SEP> 1.4 <SEP> 11.4
<tb> C3H6 <SEP> 25 <SEP> 0.1 <SEP> 2.2 <SEP> 0.1
<tb> 2 <SEP> 8.5 <SEP> 0.3
<tb>
EMI17.6
48 14.9 3 1 11.6
EMI17.7
<tb>
<tb> C3H8 <SEP> 25 <SEP> 4 <SEP> 2.6 <SEP> 0.1
<tb> 3H8 <SEP> 25 <SEP> 11.1 <SEP> 0.8
<tb> 700 <SEP> 14.6 <SEP> 6.5 <SEP> i-C4H10 <SEP> 25 <SEP> 0.2 <SEP> 2.4 <SEP> 0.0 <SEP> -
<tb> 5.5 <SEP> 11.5 <SEP> 0.7 <SEP> 15.9
<tb> 400 <SEP> 18.4 <SEP> 11.8 <SEP> 27.2
<tb> C4H8-1 <SEP> 25 <SEP> 0.1 <SEP> 9.9 <SEP> 0.4 <SEP> -
<tb> 5 <SEP> 17.0 <SEP> 2.2 <SEP> 12.5
<tb>
EMI17.8
350 19.6 15.5 28.9
EMI17.9
<tb>
<tb> n-C6H14 <SEP> 25 <SEP> 0.18 <SEP> 4.8 <SEP> -
<tb> (hexane <SEP> n) <SEP> 0.22 <SEP> 10.2 <SEP> - <SEP> -
<tb> 20 <SEP> 19,
2 <SEP> - <SEP> Cyclohexane
<tb> C6H12 <SEP> 25 <SEP> 0.03 <SEP> 4.8 <SEP> -
<tb>
EMI17.10
0.18 17.5 - -
EMI17.11
<tb>
<tb> 45 <SEP> 19.6
<tb> Toluene
<tb> C6H5CH3 <SEP> 25 <SEP> 0.03 <SEP> 7.5
<tb>
EMI17.12
0.08 18.0 - -
EMI17.13
<tb>
<tb> 27 <SEP> 26.8 <SEP> -
<tb>
<Desc / Clms Page number 18>
EMI18.1
<tb>
<tb> Adsorbat <SEP> Temp. <SEP> C <SEP> Pressure <SEP> Weight <SEP>% <SEP> adsorbed
<tb> mm. <SEP> Hg. <SEP> Na2X <SEP> Gel <SEP> silica <SEP> Carbon <SEP> of <SEP> b.
<tb>
CO <SEP> 0 <SEP> 50 <SEP> 0.8 <SEP> -
<tb> 298 <SEP> 3.2 <SEP> -
<tb> 750 <SEP> 5.1
<tb>
EMI18.2
CH30H 25 0.01 6.6 1.3 0.0
EMI18.3
<tb>
<tb> 0.08 <SEP> 14.5 <SEP> 3.8 <SEP> 0.3
<tb> 1.2 <SEP> 21.7 <SEP> 9.3 <SEP> 1.6
<tb> 90 <SEP> 24.1 <SEP> 28.4 <SEP> -
<tb>
EMI18.4
<tb>
<tb> Weight <SEP>% <SEP> adsorbed
<tb> Na2X <SEP> BaX <SEP> CaK <SEP> K2X
<tb> Nitrogen <SEP> -196 <SEP> 5 <SEP> 24.8
<tb> Nitrogen <SEP> -196 <SEP> 195 <SEP> 21.9 <SEP> 27.5
<tb> Oxygen <SEP> -196 <SEP> 56 <SEP> 34.0
<tb> Argon <SEP> -196 <SEP> 146 <SEP> 42.0 <SEP> 34.1 <SEP> 43.7
<tb> Krypton <SEP> -183 <SEP> 17 <SEP> 73
<tb> Hydrogen <SEP> -1 <SEP> 96 <SEP> 100 <SEP> <<SEP> 1
<tb> Helium <SEP> -196 <SEP> 100 <SEP> <<SEP> 1
<tb> Oxide <SEP> of
<tb> carbon <SEP> - <SEP> 75 <SEP> 500 <SEP> 15.8
<tb> Nitrogen- <SEP> 75 <SEP> 500 <SEP> 9.6 <SEP> 10 <SEP> 10.0 <SEP> 7,
9
<tb> Oxygen <SEP> -75 <SEP> 500 <SEP> 5.2 <SEP> 6.5 <SEP> 6.5 <SEP> 5.8
<tb> Argon <SEP> -75 <SEP> 500 <SEP> 5.1 <SEP> 5.1 <SEP> 5.0
<tb> Oxygen <SEP> 25 <SEP> 500 <SEP> <<SEP> 1 <SEP>
<tb> Hydrogen <SEP> 25 <SEP> 500 <SEP> <<SEP> 1
<tb> Oxide <SEP> of
<tb> carbon <SEP> 25 <SEP> 500 <SEP> 1.8
<tb> Methane <SEP> 25 <SEP> 500 <SEP> <<SEP> 1
<tb> Nitrogen <SEP> 25 <SEP> 500 <SEP> <<SEP> 1
<tb>
These results show that water is more strongly adsorbed than any of the other materials at comparable temperatures and pressures, and illustrate one of the main uses of zeolite X, namely the removal of water from mixtures containing it. .
An example of the application of this property of strong adsorption at low pressures is the drying of an air stream containing only small initial amounts of water. If, for example, air contains water under a partial pressure of 0.1 mm, of mercury, the zeolite X adsorbs about 23% by weight of water. Under similar conditions, silica gel adsorbs only about 1% by weight of water. This property can also be applied to the removal of traces of ethylene, acetylene, propylene and other by-product gases or waste gas streams.
This table also demonstrates the low adsorbability of hydrogen and helium on zeolite X compared to that of oxygen, nitrogen, argon and krypton and shows the application of zeolite X to the separation of very volatile gases such as hydrogen, helium and neon from less volatile gases such as oxygen, nitrogen, argon, krypton and xenon,
The table shows that at -75 C. nitrogen is adsorbed more strongly than oxygen and argon and oxygen more strongly than argon, which allows the separation of nitrogen from mixtures with the oxygen and argon and
<Desc / Clms Page number 19>
the separation of oxygen from mixtures with argon, using zeolite X.
The table also shows that at the same temperature (25 C. in the table) acetylene is more strongly adsorbed at a given pressure than are oxygen, nitrogen, hydrogen, carbon monoxide. , carbon dioxide, methane and ethylene. Thus, acetylene can be removed from mixtures comprising these less strongly adsorbed gases by means of zeolite X.
Likewise, ethylene is more strongly adsorbed than oxygen, nitrogen, hydrogen and carbon monoxide, and zeolite X can be used in the separation of ethylene mixtures from its ethylene mixtures. with the other named gases.
It is seen that carbon monoxide is adsorbed selectively with respect to hydrogen, nitrogen, oxygen, argon and methane, demonstrating the possibility of the application of zeolite X to the separation of carbon monoxide from any of these other gases.
Carbon dioxide is more strongly adsorbed than hydrogen, helium, nitrogen, oxygen, methane, ethane and ethylene. Likewise, sulfur dioxide is selectively adsorbed from mixtures with hydrogen, nitrogen, oxygen, ethylene, carbon monoxide, and carbon dioxide. This also applies to mixtures of hydrogen sulfide with hydrogen, nitrogen, oxygen, carbon monoxide, carbon dioxide, methane, ethylene, propane, butane and pentane . Ammonia is more strongly adsorbed than hydrogen, nitrogen, oxygen, carbon monoxide, carbon dioxide, methane, and ethane.
Another advantage of this high adsorption at low pressures is the possibility of carrying out adsorption processes at higher temperatures than is generally done with common adsorbents. The adsorptive power of physical adsorbents decreases with increasing temperature so that while the adsorption capacity of any adsorbent may be sufficient at a certain temperature, it may be insufficient at a higher temperature. On the contrary, the strongly adsorbent X zeolite in principle retains its capacity at high temperatures.
For example, the table below gives the adsorption isotherms for water on calcium zeolite X at 25 and 100 C. and it is seen that this zeolite adsorbs more water at 100 C. than silica gel at 25, in most of the pressure range.
EMI19.1
<tb>
<tb>
Pressure <SEP> Weight <SEP>% <SEP> adsorbed <SEP> to <SEP> 25 C <SEP> Pressure <SEP> Weight <SEP>% <SEP> adsorbed <SEP> to <SEP> 100 C.
<tb> mm <SEP> Hg. <SEP> Gel <SEP> silica <SEP> NaX <SEP> mm <SEP> Hg <SEP> Gel <SEP> silica <SEP> Na2X
<tb> 0.1 <SEP> 1.2 <SEP> 23.1 <SEP> 0.6 <SEP> 0.2 <SEP> 9.6
<tb> 4.5 <SEP> 11.4 <SEP> 32.3 <SEP> 4.5 <SEP> 0.6 <SEP> 15.8
<tb> Po <SEP> 42.9 <SEP> 39.5 <SEP> Po <SEP> 15 <SEP> 20.9
<tb>
Po is the vapor pressure of water at 25 C.
The activation, reactivation or regeneration methods applicable with zeolite X differ from those used with common adsorbents. Zeolite X can be activated initially by heating in air or vacuum, or in another suitable gas. Temperatures of about 700 ° C were found to be satisfactory for activation. Under similar conditions, most of the adsorbents are partially or totally destroyed by heating or oxidized by air.
The conditions applied to the desorption of an adsorbate of zeoli-
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te X vary with the adsorbate, but usually one or more means such as raising the temperature and reducing the pressure, partial pressure or concentration of the adsorbate in contact with the adsorbent are used. Another method is to displace the adsorbate by adsorption of another more strongly retained adsorbate. It is thus possible to displace the acetylene adsorbed on a bed of zeolite X by adsorption of water.
Zeolite X can be used as an adsorbent for the above purposes in any suitable form. Thus, a column of crystallized material in powder gives excellent results, as well as a column of granules obtained by pressing a mixture of zeolite X with a suitable binding agent such as clay.