ES2228271B1 - Metodo para la preparacion de nanozeolita zsm-5 de elevada superficie externa por cristalizacion de nucleos sililados. - Google Patents

Metodo para la preparacion de nanozeolita zsm-5 de elevada superficie externa por cristalizacion de nucleos sililados.

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Abstract

Método para la preparación de nanozeolita ZSM-5 de elevada superficie externa por cristalización de núcleos sililados.
Un procedimiento de preparación de nanozeolita ZSM-5 de elevada superficie externa, mediante cristalización de núcleos sililados, que comprende las etapas de preparar una mezcla de síntesis con una composición precursora de zeolita ZSM-5, sililar por adición y reacción con un agente sililante en una proporción entre 0,1 a 15% molar con respecto al contenido de silicio y aluminio total, cristalizar a 70-200ºC y separar el sólido por centrifugación, filtración o evaporación del disolvente.

Description

Método para la preparación de nanozeolita ZSM-5 de elevada superficie externa por cristalización de núcleos sililados.
Campo de la invención
La invención se refiere a un procedimiento de preparación de nanozeolita ZSM-5 de elevada superficie externa, que comprende las etapas de preparar una mezcla de síntesis con una composición precursora de zeolita ZSM-5, sililar por adición y reacción con un agente sililante en una proporción entre 0,1 a 15% molar con respecto al contenido de silicio y aluminio total, cristalizar a 70-200ºC y separar el sólido por centrifugación, filtración o evaporación del disolvente.
Estado de la técnica
Las zeolitas son aluminosilicatos cristalinos microporosos cuya fórmula general es la siguiente:
Me_{2/n}O; Al_{2}O_{3}; x SiO_{2}; y H_{2}O (Me= catión metálico; n= valencia del catión metálico; x>2; y>1).
Las zeolitas presentan una estructura tridimensional formada por tetraedros de SiO_{4} y AlO_{4}, con el átomo de silicio o aluminio situado en su centro (átomo T). Los tetraedros se unen entre sí mediante los átomos de oxígeno, formando uniones T - O - T. Estos se agrupan a su vez para formar las unidades secundarias, que constituyen los pilares básicos de las zeolitas. Las diferentes formas de organizarse los tetraedros y unidades secundarias conducen a los distintos tipos de cavidades y canales, oscilando el tamaño de los últimos entre 0,3 - 0,9 nm, según la estructura zeolítica considerada. En este sentido, las zeolitas se consideran tamices moleculares, ya que pueden discriminar entre diferentes especies en función de sus dimensiones moleculares, propiedad denominada selectividad de forma. Asimismo, la presencia de aluminio en su estructura les confiere carácter ácido, variable según la estructura y la cantidad incorporada. La adecuada combinación de "selectividad de forma" y acidez es responsable de numerosas aplicaciones industriales de las zeolitas en catálisis y adsorción. Por otra parte, las zeolitas pueden incorporar diferentes heteroátomos en su estructura tales como Ti, V, Fe, Cr, etc. sustituyendo parcial o totalmente a los átomos de aluminio, que les confieren propiedades rédox o permiten ajustar su acidez.
Sin embargo, una de las limitaciones principales de las zeolitas radica precisamente en su tamaño de poro, que impide o ralentiza el acceso hacia los centros activos internos cuando se emplean como reaccionantes sustratos voluminosos, de dimensiones próximas o superiores a las del tamaño de poro. Este fenómeno adquiere mayor importancia si se considera que las zeolitas se sintetizan habitualmente en forma de cristales con un tamaño dentro del intervalo
1 - 100 \mum. En consecuencia, los centros activos accesibles a moléculas voluminosas serían principalmente los situados sobre la superficie externa, y dados los tamaños de partícula citados, representarían únicamente un porcentaje inferior al 1% del total. El caso más conocido es el craqueo de fracciones pesadas de hidrocarburos en los reactores de FCC de refinería, en donde se utiliza un catalizador compuesto por una matriz amorfa de sílice-alúmina y una zeolita de tipo Y. En el catalizador de sílice-alúmina se lleva a cabo un precraqueo de las moléculas más pesadas, que son posteriormente reformadas en la fase zeolítica ["Introduction to Zeolite Science and Practice". H. Van Bekkum, E. M. Flanigen, P. A. Jacobs, J. C. Jansen (Editors), Elsevier, 2001].
Ya en el pasado se trató de mejorar esta situación desarrollando una estructura mesoporosa secundaria en los cristales de zeolita Y mediante tratamiento con vapor de agua. No obstante, la estructura mesoporosa generada carecía de uniformidad y el método provocaba un importante deterioro de la estructura zeolítica.
En los últimos tiempos, se han desarrollado nuevas estrategias para solventar esta circunstancia. Una consiste en utilizar nanozeolitas, que poseen tamaños de partícula dentro del intervalo (10 - 200 nm), y elevadas superficie externas, completamente accesibles a los sustratos voluminosos. Sin embargo, la preparación de nanozeolitas presenta importantes limitaciones. Por un lado, dadas las condiciones habituales de preparación, los rendimientos son reducidos y requieren de tiempos de síntesis prolongados. Además, su separación es compleja, siendo necesario el uso de ultracentrifugación. Por otra parte, las nanozeolitas, al ser preparadas a temperatura reducidas (<100ºC), no suelen ser completamente cristalinas y presentan una menor estabilidad que una zeolita de tamaño convencional.
Una estrategia distinta ha consistido en utilizar nanozeolitas como partículas primarias y bloques de construcción de estructuras microporosas y/o mesoporosas, con una elevada accesibilidad y fáciles de separar del medio de síntesis por su mayor tamaño de partícula (del orden de micras). En el procedimiento descrito por Pinnavaia y col. [Pinnavia, T. J.; Zhang, W.; Liu, Y. "Ultraestable porous aluminosilicate structures and compositions derived therefrom", US Patent 20020131930, September 19 2002] se adicionan conjuntamente al medio de síntesis precursores de nanozeolitas y moléculas surfactantes (que actúan como templates habituales en la preparación de materiales mesoporosos tipo MCM-41, MSU, etc.), obteniéndose materiales meso - microporosos con paredes cristalinas formadas por estructuras pseudozeolíticas. Por un procedimiento similar, consistente en la preparación de nanopartículas de dimensiones
1.3 x 4 x 4 nm (nanoslabs) y su fusión posterior en presencia de un surfactante, Kremer et al. [S. P. B. Kremer, C. E. A. Kirschhock, M. Tielen, F. Collignon, P. J. Grobet, P. A. Jacobs, J. A. Martens, "Silicalite-1 Zeogrid: A New Silica Molecular Sieve with Super and Ultra-Micropores", Adv. Funct. Mater. 2002, 12(4), 286] consigue un material con una doble estructura microporosa (Silicalite-1 zeogrid). En ambos casos, los materiales son macroscópicamente amorfos dada la ausencia de señal de difracción de rayos X en ángulos altos.
Otras estrategias descritas en bibliografía consisten en la preparación de zeolitas deslaminadas [Corma, A.; Forres, V.; Diaz, U. "Microporous acidic oxide with catalytic properties ITQ-18", EP Patent 1 211 224 (05/06/2002)], si bien este método no es general para la totalidad de estructuras zeolíticas, y la síntesis de nanozeolitas en espacios confinados dentro de carbones [Madsen, C.; Jacobsen, C. J. H. "Nanosized zeolite crystals-convenient control of crystal size distribution by confined space synthesis". Chem. Commun. 1999, 673]. Este último método sí conduce a la formación de nanozeolitas de 8 - 30 nm de tamaño de cristal con señales nítidas de difracción de rayos X. El material presenta igualmente una estructura mesoporosa secundaria con un diámetro medio de 15 nm, resultante del empaquetamiento entre nanozeolitas. También se describe un procedimiento similar utilizando carbones pero en esta ocasión, se emplean nanotubos de carbón en lugar de moléculas surfactantes como moldes con el objeto de preparar zeolitas mesoporosas con canales rectos [Jacobsen, C. J. H.; konrad, H.; Schmidt, I.; Pehrson, S.; Soren, D. "Method of preparing zeolite single crystals with straight mesopores" EP 1284237 (15/08/2001)].
Por lo tanto, existía la necesidad de encontrar un procedimiento alternativo para producir nanozeolitas, que fueran cristalinas, fáciles de separar y con un elevado rendimiento.
Descripción de la invención
Esta necesidad se resuelve ahora mediante un procedimiento alternativo para producir nanozeolita ZSM-5, con un tamaño de cristal aproximado entre 5 - 20 nm, mediante la adición de un agente sililante al medio de síntesis, el cual reacciona con los grupos hidroxilos superficiales de los núcleos de nanozeolita, dando lugar a la formación de superficies parcialmente sililadas. Los núcleos de nanozeolitas sililados se unen entre si por las zonas no impedidas estéricamente, dando lugar a la formación de aglomerados de tamaño controlado dentro del intervalo de 100 - 500 nm. La presencia del grupo sililante impide el crecimiento cristalino bloqueando la aglomeración y fusión de las partículas nanozeolíticas primarias hacia partículas de mayor tamaño. De esta forma, se puede conseguir la cristalización completa de las nanozeolitas mediante tratamiento hidrotérmico a las temperaturas habituales de síntesis de cualquier estructura zeolítica (70 - 200ºC). Asimismo, el tamaño de los agregados nanozeolíticos obtenidos permite su fácil separación por centrifugación, consiguiéndose rendimientos de síntesis muy elevados (> 75%). Finalmente, tras la calcinación, se produce la eliminación del agente sililante, dejando tras de sí una estructura microporosa primaria (canales presentes en el interior de las partículas nanozeolíticas primarias) y micro-mesoporosa secundaria (espacios interparticulares, liberados tras la combustión del agente sililante). La nanozeolita así obtenida se caracteriza por presentar a su vez una superficie externa muy elevada, superior a 100 m^{2} g^{-1}, dependiendo del tipo y cantidad de agente sililante empleado.
De acuerdo con lo anterior, el procedimiento según la invención comprende las siguientes etapas:
a) preparación de una mezcla de síntesis, en forma de disolución o gel, con una composición precursora de zeolita ZSM-5;
b) sililación por adición y reacción con un agente sililante en una proporción entre 0,1 a 15% molar con respecto al contenido de silicio y aluminio total;
c) cristalización de la mezcla a 70 - 200ºC;
d) separación del sólido por centrifugación, filtración o evaporación del disolvente.
Inicialmente, se prepara una mezcla de síntesis (gel o disolución) precursora de zeolita ZSM-5, que comprende una fuente de silicio (e.g. un alcóxido de silicio como tetraetilortosilicato, sílice coloidal o sílice amorfa), una fuente de aluminio (e.g. un alcóxido de aluminio como isopropóxido de aluminio, sulfato o nitrato de aluminio), un compuesto orgánico que actúe como agente promotor de la estructura de la zeolita ZSM-5 (preferentemente, hidróxido o sal de tetrapropilamonio), un agente básico (e.g. un hidróxido de un metal alcalino o alcalinotérreo, como NaOH, KOH, o, preferentemente, una base orgánica, tal como un hidróxido de tetraalquilamonio R_{1-4}NOH, donde R_{1-4} = grupo alquilo, iguales o diferentes) y agua. La composición inicial del gel de partida para el caso de zeolita ZSM-5 puede describirse mediante la siguiente fórmula general:
Al_{2}O_{3}; \ x \ SiO_{2}; \ y \ C_{12}H_{28}NOH; \ z \ H_{2}O
donde x = 20 - 100 (preferentemente 60), y = 11 - 22, z = 600 - 1500.
A continuación, se deja envejecer el gel obtenido a temperaturas entre ambiente y 180ºC (preferentemente 70 - 100ºC). Esta etapa puede, no obstante, omitirse en la preparación del material.
Finalmente, se adiciona el agente sililante en una proporción entre el 0,1 - 15% referido al contenido total de silicio y aluminio del medio de síntesis, reaccionando con el gel de síntesis.
Los agentes sililantes válidos responden a las siguientes fórmulas generales:
a) (R')_{a}(R'')_{b}(R''')_{c}-Si(OR_{1})_{d}(OR_{2})_{e}(OR_{3})_{f} (0 \leq a, b, c, d, e, f \leq 3; a + b + c + d + e + f = 4; 1 \leq a + b + c \leq 3) donde R', R'', R''' significan grupos arilo, alquilo, aminoalquil, arilaminoalquil, y donde R_{1-3} significan independientemente entre sí, grupos alquilo o arilo iguales o diferentes.
b) (R')_{a}(R'')_{b}(R''')_{c}-Si(OR_{1})_{d}(OR_{2})_{e}X_{f} (0 \leq a, b, c, d, e, f \leq 3; a + b + c + d + e + f = 4; 1 \leq a + b + c \leq 3) donde R', R'', R''' significan grupos arilo, alquilo, aminoalquil, arilaminoalquil, R_{1-2} significan independientemente entre sí, grupos alquilo o arilo iguales o diferentes, y X representan grupos haluro (F, CI, Br, I).
c) (R_{1})_{a}(R_{2})_{b}(R_{3})_{c}(OR_{4})_{d}(OR_{5})_{e}Si-NH-Si(R_{6})_{a}(R_{7})_{b}(R_{8})_{c}(OR_{9})_{d}(OR_{10})_{e} (0 \leq a, b, c \leq 3; 1 \leq a + b + c \leq 3; a + b + c + d + e = 3), donde R_{1-10} significan, independientemente entre sí, grupos alquilo o arilo, aminoalquil, arilaminoalquil.
La última etapa de la síntesis consiste en la cristalización a temperaturas entre 70 y 200ºC de la mezcla de síntesis obtenida tras la sililación. A continuación, se procede a separar el sólido obtenido y se calcina a temperaturas entre 300 y 800ºC, preferentemente 400 - 700ºC.
La proporción de agente sililante añadido al medio de síntesis constituye una variable clave del método, puesto que cantidades elevadas (> 15%) no conducen a la obtención de un material cristalino.
A continuación se explica adicionalmente la invención en base a una serie de ejemplos, sin carácter limitativo del alcance de la invención.
Ejemplos
Los productos obtenidos en los ejemplos se han denominado SILNZSM-5. x en función del agente sililante utilizado, de acuerdo con la nomenclatura indicada a continuación en la Tabla 1. En la misma se ha incluido una muestra preparada sin agente sililante (SILNZSM.5.0), a efectos comparativos.
TABLA 1 Ejemplos de agentes sililantes
1
Todos los productos obtenidos con los diversos agentes sililantes son completamente cristalinos, como confirman los datos de difracción de rayos X (Figura 1), que muestra los picos de difracción principales correspondientes a la zeolita ZSM-5. Igualmente, los espectros infrarrojo (Figura 2) presentan la señal a 550 cm^{-1} típica de la vibración de las unidades pentasil de esta zeolita. La imagen TEM muestra la presencia de agregados de entre 100 y 500 nm de tamaño formados por partículas zeolíticas primarias de 5 - 20 nm (Figura 3). El espectro de resonancia magnética nuclear de ^{27}Al de la muestra SILNZSM-5.3 sin calcinar (Figura 4) confirma la completa incorporación del aluminio a la estructura, puesto que únicamente se observa un pico situado a 54 ppm correspondiente a aluminio tetraédrico (incorporado a la estructura). Asimismo, el espectro de resonancia magnética nuclear de ^{29}Si-MAS de las muestras sin calcinar (Figura 5) confirma la incorporación del agente sililante a la estructura, puesto que se observa una señal situada aproximadamente a -70 ppm correspondiente a bandas T (enlaces Si-C).
La tabla 2 resume los rendimientos obtenidos así como las principales propiedades texturales de las muestras preparadas con los diferentes agentes sililantes. En todos los casos, se obtuvieron rendimientos de síntesis iguales o superiores al 80%. Los agentes sililantes que conducen a la formación de nanozeolita ZSM-5 con valores más elevados de superficie externa (> 200 m^{2} g^{-1}) son aquellos que incorporan sustituyentes voluminosos, debido a la aparición de mayores impedimentos estéticos respecto de la aglomeración.
TABLA 2 Rendimientos y propiedades texturales de las muestras calcinadas
2
Ejemplo 1 Síntesis de ZSM-5 nanocristalina de elevada superficie externa mediante sililación con isobutiltrietoxisilano
En un vaso de precipitados se pusieron 1,149 g de isopropóxido de aluminio (IPA), 15 g de hidróxido de tetrapropilamonio (TPAOH) al 40% en agua y 65 g de agua desionizada. Se agitó vigorosamente a 0ºC durante 2 horas.
Se añadió al vaso 35 g de tetraetilortosilicato (TEOS) al 98%.
Después de envejecer durante 40 horas a temperatura ambiente y agitación vigorosa, se eliminaron por evaporación 32,7 g de la mezcla, obteniendo un gel de síntesis con composición molar:
Al_{2}O_{3} : 60 \ SiO_{2} : 11,5 \ TPAOH : 1500 \ H_{2}O
El gel se mantuvo durante 20 horas a 90ºC con reflujo y agitación de 100 rpm.
Se añadieron 1,8120 g de isobutiltrietoxisilano y se llevó a cabo la reacción de sililación durante 6 horas a 90ºC con reflujo y agitación de 100 rpm.
El producto resultante se cristalizó en un autoclave de teflón sellado a presión autógena y 170ºC durante 5 días.
El sólido obtenido se separó de las aguas madres de cristalización mediante centrifugación a 12000 rpm durante 0,5 horas, se lavó con agua desionizada y se secó a 110ºC durante 20 horas.
El sólido seco se calcinó a 550ºC en atmósfera estática de aire durante 5 horas.
El sólido calcinado se analizó mediante adsorción de N_{2} a 77 K, obteniéndose una superficie BET de 558 m^{2}/g de los cuáles 295 m^{2}/g corresponden a superficie externa (calculados mediante el método t-plot). El difractograma de rayos X y el espectro de infrarrojo del sólido sin calcinar, así como el espectro de resonancia magnética nuclear de ^{27}Al de la muestra sin calcinar se presentan en las figuras 1, 2 y 4, respectivamente (muestra SILNZSM-5.3).
Ejemplo 2 Síntesis de ZSM-5 nanocristalina de elevada superficie externa mediante sililación con fenilaminopropiltrimetoxisilano
En un vaso de precipitados se pusieron 1,149 g de isopropóxido de aluminio (IPA), 15 g de hidróxido de tetrapropilamonio (TPAOH), al 40% en agua y 65 g de agua desionizada. Se agitó vigorosamente a 0ºC durante 2 horas.
Se añadió al vaso 35 g de tetraetilortosilicato (TEOS) al 98%.
Después de envejecer durante 40 horas a temperatura ambiente y agitación vigorosa, se eliminaron por evaporación 32,7 g de la mezcla, obteniendo un gel de síntesis con composición molar:
Al_{2}O_{3} : 60 \ SiO_{2} : 11,5 \ TPAOH : 1500 \ H_{2}O
El gel se mantuvo durante 20 horas a 90ºC con reflujo y agitación de 100 rpm.
Se añadieron 1,9703 g de fenilaminopropiltrimetoxisilano y se llevó a cabo la reacción de sililación durante 6 horas a 90ºC con reflujo y agitación de 100 rpm.
El producto resultante se cristalizó en un autoclave de teflón sellado a presión autógena y 170ºC durante 5 días.
El sólido obtenido se separó de las aguas madres de cristalización mediante centrifugación a 12000 rpm durante 0,5 horas, se lavó con agua desionizada y se secó a 110ºC durante 20 horas.
El sólido seco se calcinó a 550ºC en atmósfera estática de aire durante 5 horas.
El difractograma de rayos X y el espectro de infrarrojo del material sin calcinar se muestran en las figuras 1 y 2 respectivamente (muestra SILNZSM-5.1). El espectro de resonancia magnética nuclear de ^{29}Si de la muestra sin calcinar se presenta en la figura 5. A partir de la isoterma de adsorción-desorción de N_{2} a 77 K se ha calculado que el área BET de la muestra es de 579 m^{2}/g de los cuales 273 m^{2}/g corresponden a superficie externa (calculado con el método t-plot).

Claims (12)

1. Procedimiento de preparación de nanozeolita ZSM-5 de elevada superficie externa mediante cristalización de núcleos sililados, caracterizado porque comprende las siguientes etapas:
a) preparación de una mezcla de síntesis, en forma de disolución o gel, con una composición precursora de zeolita ZSM-5;
b) sililación por adición y reacción con un agente sililante en una proporción entre 0,1 a 15% molar con respecto al contenido de silicio y aluminio total;
c) cristalización de la mezcla a 70 - 200ºC;
d) separación del sólido por centrifugación, filtración o evaporación del disolvente.
2. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la composición precursora de zeolita ZSM-5 comprende una fuente de silicio, una fuente de aluminio, un agente básico y un agente promotor de la estructura.
3. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 y 2, caracterizado porque comprende una etapa adicional de envejecimiento de dicha mezcla por tratamiento en autoclave a una temperatura entre ambiente y 180ºC, después de la etapa a).
4. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque comprende una etapa adicional de calcinación a 300 - 800ºC, después de la etapa d).
5. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque el agente sililante responde a la fórmula general (R')_{a}(R'')_{b}(R''')_{c}-Si(OR_{1})_{d}(OR_{2})_{e}(OR_{3})_{f},
donde
0 \leq a, b, c, d, e, f \leq 3; a + b + c + d + e + f = 4; 1 \leq a + b + c \leq 3,
R', R'', R''' significan grupos arilo, alquilo, aminoalquil, arilaminoalquil, y
R_{1-3} significan, independientemente entre sí, grupos alquilo o arilo.
6. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque el agente sililante responde a la fórmula general (R')_{a}(R'')_{b}(R''')_{c}-Si(OR_{1})_{d}(OR_{2})_{e}X_{f},
donde
0 \leq a, b, c, d, e, f \leq 3; a + b + c + d + e + f = 4; 1 \leq a + b + c \leq 3),
R', R'', R''' significan grupos arilo, alquilo, aminoalquil, arilaminoalquil,
R_{1-2} significan, independientemente entre sí, grupos alquilo o arilo, y
X representan grupos haluro (F, Cl, Br, I).
7. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque el agente sililante responde a la fórmula general (R_{1})_{a}(R_{2})_{b}(R_{3})_{c}(OR_{4})_{d}(OR_{5})_{e}Si-NH-Si(R_{6})_{a}(R_{7})_{b}(R_{8})_{c}(OR_{9})_{d}(OR_{10})_{e},
donde
0 \leq a, b, c \leq 3; 1 \leq a + b + c \leq 3; a + b + c + d + e = 3),
R_{1-10} significan, independientemente entre sí, grupos alquilo o arilo.
8. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la fuente de silicio se selecciona del grupo formado por sílice fumada, sílice coloidal, silicato sódico, ácido silícico y alcóxidos de silicio Si(OR_{1})_{x}(OR_{2})_{y}(OR_{3})_{z}(OR_{4})_{f}, donde R_{1-4} significa grupos alquilo o arilo iguales o diferentes y donde 0 \leq x,y,z,f \leq 4 y x+y+z+f = 4.
9. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la fuente de aluminio se selecciona del grupo formado por aluminio en escamas, sulfato de aluminio, nitrato de aluminio, pseudoboehmita y alcóxidos de aluminio Al(OR_{1})_{x}(OR_{2})_{y}(OR_{3})_{z}, donde R_{1-3} =grupos alquilo, arilo, y donde x+y+z = 3, 0 \leq x,y,z \leq 3.
10. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el agente básico es un hidróxido de un metal alcalino o alcalinotérreo (e. g. NaOH, KOH), o una base orgánica.
11. Procedimiento según la reivindicación 10, caracterizado porque la base orgánica es un hidróxido de tetraalquilamonio R_{1-4} NOH, donde R_{1-4} = grupo alquilo iguales o diferentes.
12. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el agente promotor de la estructura es una sal de tetrapropilamonio (e. g. hidróxido, haluro).
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