ES2259537B1

ES2259537B1 - Sintesis de la zeolita itq-33.

Info

Publication number: ES2259537B1
Application number: ES200500120A
Authority: ES
Inventors: Avelino Corma Canos; Manuel Moliner Marin; Jose Manuel Serra Alfaro; Rafael Castañeda Sanchez; Maria Jose Diaz Cabañas
Original assignee: Consejo Superior de Investigaciones Cientificas CSIC; Universidad Politecnica de Valencia
Current assignee: Consejo Superior de Investigaciones Cientificas CSIC; Universidad Politecnica de Valencia
Priority date: 2005-01-17
Filing date: 2005-01-17
Publication date: 2007-11-01
Anticipated expiration: 2025-01-17
Also published as: WO2006075041A1; US7947252B2; CN101124162A; JP5222563B2; US20090124484A1; IL184237A0; EP1847510A1; EP1847510A4; AU2006205762A1; JP2008526679A; CN101124162B; ES2259537A1; ZA200706865B; CA2637272C; CA2637272A1

Abstract

Síntesis de la Zeolita ITQ-33. Se ha sintetizado un nuevo material poroso cristalino, denominado ITQ-33 que en su forma calcinada presenta valores de difracción de rayos X que se muestran en la Tabla 1. Se describe también la síntesis del material ITQ-33. El material es útil en su forma ácida y en forma de catalizador bifuncional.

Description

Síntesis de la Zeolita ITQ-33.

Campo de la técnica

Esta patente se refiere a la síntesis de un nuevo material cristalino poroso, ITQ-33, a su método de preparación y a su uso en la conversión catalítica de compuestos orgánicos.

Antecedentes

Las zeolitas son aluminosilicatos cristalinos porosos que han encontrado importantes aplicaciones como catalizadores, adsorbentes e intercambiadores fónicos. Muchos de estos materiales zeolíticos tienen estructuras bien definidas que forman canales y cavidades en su interior de tamaño y forma uniforme que permiten la adsorción de determinadas moléculas, mientras que impiden el paso al interior del cristal de otras moléculas de tamaño demasiado grande para difundir a través de los poros. Esta característica confiere a estos materiales propiedades de tamiz molecular. Estos tamices moleculares pueden incluir en la red Si y otros elementos del grupo IIIA del sistema periódico, todos ellos tetraédricamente coordinados, estando los tetraedros unidos por sus vértices a través de oxígenos formando una red tridimensional. La carga negativa generada por los elementos del grupo IIIA en posiciones de red está compensada por la presencia en el cristal de cationes, como por ejemplo alcalinos o alcalinotérreos. Un tipo de catión puede ser intercambiado total o parcialmente por otro tipo de cationes mediante técnicas de intercambio iónico, pudiendo variar así las propiedades de un silicato dado seleccionando los cationes deseados.

Muchas zeolitas han sido sintetizadas en presencia de una molécula orgánica que actúa como agente director de estructura. Las moléculas orgánicas que actúan como agentes directores de estructura (ADE) contienen generalmente nitrógeno en su composición, y pueden dar lugar a cationes orgánicos estables en el medio de reacción.

La movilización de la sílice se puede llevar a cabo en presencia de grupos OH^{-} y medio básico, que puede introducirse como hidróxido del mismo ADE, como por ejemplo hidróxido de tetrapropilamonio en el caso de la zeolita ZSM-5.

Descripción de la invención

En la presente invención se presenta un nuevo material cristalino poroso ITQ-33 que, tanto en su forma calcinada como sintetizada sin calcinar tiene un patrón de difracción de rayos X que es diferente al de otros materiales zeolíticos conocidos y cuyas líneas de difracción más importantes vienen dadas en la tabla 1 para la forma calcinada y en la tabla 2 para la forma sin calcinar.

TABLA 1

(d \pm 0.2)(\ring{A})		Intensidad Relativa
16.78	\hskip2cm	mf
11.40		md
9.71		md
8.38		md
4.84		md
4.65		md
4.24		md
4.01		md
3.84		d
3.81		md
3.66		md
3.36		d
3.17		md
2.81		md
2.56		md
2.37		md
2.27		md

Estos difractogramas se obtuvieron con un difractómetro Philips X'Pert equipado con un monocromador de grafito y una rendija de divergencia automática utilizando la radiación K_{\alpha} del cobre. Los datos de difracción se registraron mediante un paso de 2\theta de 0.01º en el que \theta es el ángulo de Bragg y un tiempo de cuenta de 10 segundos por paso. Los espaciados interplanares, d, se calcularon en Amgstrons, y la intensidad relativa de las líneas se calcula como el porcentaje respecto del pico más intenso, y se considera muy fuerte (mf)= 80-100, fuerte (f)=60-80, media (m)=
40-60, débil (d)=20-40, y muy débil (md)= 0-20.

TABLA 2

(d \pm 0.2)(\ring{A})		Intensidad Relativa
16.52	\hskip2cm	mf
11.53		md
9.58		md
8.31		md
4.81		md
4.62		md
4.27		d
4.02		md
3.86		md
3.82		md
3.64		d
3.33		md
3.15		d
2.78		md
2.75		md
2.54		md
2.38		md
2.27		md

Debe tenerse en cuenta que los datos de difracción listados para esta muestra como líneas sencillas o únicas, pueden estar formados por múltiples solapamientos o superposición de reflexiones que, en ciertas condiciones, tales como diferencias en cambios cristalográficos, pueden aparecer como líneas resueltas o parcialmente resueltas. Generalmente, los cambios cristalográficos pueden incluir pequeñas variaciones en los parámetros de la celda unidad y/o cambios en la simetría del cristal, sin que se produzca un cambio en la estructura. Estas modificaciones, que incluyen también cambios en intensidades relativas, pueden deberse también a diferencias en el tipo y cantidad de cationes de compensación, composición de red, tamaño de cristal y forma de los mismos, orientación preferente o al tipo de tratamientos térmicos o hidrotérmicos sufridos.

El material cristalino de esta invención denominado ITQ-33 tiene una composición molar en su estado calcinado y anhidro que viene dado por la ecuación:

X_{2}O_{3} : n YO_{2} : m ZO_{2}

En la que X es un elemento trivalente tal como Al, B, Fe, In, Ga, Cr o mezclas de estos, Y es un elemento tetravalente diferente de Ge tal como Si, Ti, Sn, V o mezclas de ellos, aunque se prefiere Si y Z corresponde a Ge. El valor de (n+m) es al menos 5, y el valor n/m es de al menos 1. De los valores dados se deduce claramente que el material cristalino ITQ-33 se puede sintetizar en ausencia de elementos trivalentes añadidos.

El componente orgánico se puede eliminar, por ejemplo por extracción o por tratamiento térmico calentando a temperatura por encima de 250ºC durante un periodo de tiempo comprendido entre 2 minutos y 25 horas.

Los cationes de compensación en el material en su forma sin calcinar, o después de un tratamiento térmico, pueden intercambiarse, en el caso de estar presentes, por otros cationes tales como iones metálicos, H^{+} y precursores de H^{+} como por ejemplo NH^{+}_{4}. Entre los cationes que pueden introducirse por intercambio iónico se prefieren aquellos que pueden tener un papel positivo en la actividad del material como catalizador, y más específicamente se prefieren cationes tales como H^{+}, cationes de tierras raras, y metales del grupo VIII, así como del grupo IIA, IIIA, IVA, Va, IB, IIB, IIIB, IVB, VB, VIIB de la tabla periódica de los elementos.

Con el fin de preparar catalizadores, el material cristalino de la presente invención puede combinarse íntimamente con componentes hidrogenantes-deshidrogenantes como platino, paladio, níquel, renio, cobalto, tungsteno, molibdeno, vanadio, cromo, manganeso, hierro. La introducción de estos elementos se puede llevar a cabo en la etapa de cristalización, por intercambio (sí ha lugar), y/o por impregnación o por mezcla física. Estos elementos pueden ser introducidos en su forma catiónica y/o a partir de sales u otros compuestos que por descomposición generen el componente metálico u óxido en su forma catalítica adecuada.

El material cristalino ITQ-33, se puede preparar a partir de una mezcla de reacción que contiene. H_{2}O, opcionalmente un óxido o una fuente del elemento trivalente X, como por ejemplo Al y/o B, un óxido o una fuente del elemento o elementos tetravalentes Y diferente de Ge, como por ejemplo Si; una fuente de Ge, como por ejemplo GeO_{2}, y un agente orgánico director de estructura (R) generalmente una amina o una sal de tetraalquilamonio, preferentemente el hidróxido.

La composición de la mezcla de reacción tiene la siguiente composición en términos de relaciones molares de óxidos:

Reactivos	Útil	Preferido
(YO_{2}+ZO_{2})/X_{2}O_{3}	al menos 5	mayor de 7
H_{2}O/(YO_{2}+ZO_{2})	1-50	2-20
R/(YO_{2} + ZO_{2})	0.1-3.0	0.1-1.0
YO_{2}/ZO_{2}	al menos 1	mayor de 5

La cristalización de ITQ-33 se puede llevar a cabo en estático o en agitación, en autoclaves a temperatura comprendida entre 80 y 200ºC, a tiempos suficientes para conseguir la cristalización, por ejemplo entre 12 horas y 60 días.

Al finalizar la etapa de cristalización, se separan los cristales de ITQ-33 de las aguas madres, y se recuperan. Debe tenerse en cuenta que los componentes de la mezcla de síntesis pueden provenir de distintas fuentes, y dependiendo de estos pueden variar tiempos y condiciones de cristalización. Con el fin de facilitar la síntesis, se pueden añadir cristales de ITQ-33 como semillas, en cantidades de hasta 20% en peso respecto del total de óxidos, a la mezcla de síntesis. Estas pueden ser adicionadas previamente o durante la cristalización de ITQ-33.

El material producido mediante esta invención puede ser peletizado de acuerdo con técnicas conocidas, y puede ser utilizado como componente de catalizadores de craqueo catalítico de hidrocarburos, hidro-craqueo catalítico de hidrocarburos, alquilación de aromáticos con olefinas y en procesos de esterificación, acilación, reacción. de anilina con formaldehído en su forma ácida y/o intercambiado con cationes adecuados.

Ejemplos Ejemplo 1 Síntesis de ITQ-33

Se disuelven 0.174 g de GeO_{2} en 0.373 g de una disolución de hidróxido de hexametonio (16.3% peso) y 0.843 g de disolución de bromuro de hexametonio (50% peso). Se añaden 6.8 mg de Al_{2}O_{3} y 0.533 g de Ludox AS-40 en la disolución anterior, dejando la mezcla evaporar en agitación hasta alcanzar la composición final:

0,68 SiO_{2} : 0.32 GeO_{2} : 0.019 Al_{2}O_{3} : 0.10 R(OH)_{2} : 0.16 R(Br)_{2} : 2.63 H_{2}O donde R es hexametonio.

El gel se calienta durante 4 días en autoclaves de acero con una funda interna de teflón a 175ºC en estático. El sólido obtenido tras filtrar, lavar con agua destilada y secar a 100ºC es ITQ-33.

El material se calcina a 540ºC durante 3 horas en flujo de aire para eliminar la materia orgánica. El patrón de difracción de rayos X de polvo del sólido obtenido coincide con los valores de la tabla 1.

Ejemplo 2

Se disuelven 0.174 g de GeO_{2} en 0.353 g de una disolución de hidróxido de hexametonio (16.6% peso) y 0.895 g de disolución de bromuro de hexametonio (50% peso). Se añade 7.3 mg de Al_{2}O_{3} y 0.542 g de Ludox AS-40 en la disolución anterior, dejando la mezcla en agitación hasta alcanzar, mediante evaporación, la siguiente composición:

0.68 SiO_{2} : 0.32 GeO_{2} : 0.020 Al_{2}O_{3} : 0.09 R(OH)_{2} : 0.17 R(Br)_{2} : 2.3 H_{2}O donde R es hexametonio.

El gel se calienta durante 14 días en autoclaves de acero con una funda interna de teflón a 175ºC en estático: El sólido obtenido tras filtrar, lavar con agua destilada y secar a 100ºC es ITQ-33.

Ejemplo 3

En 0.359 g de disolución de hidróxido de hexametonio (16.3% peso) y 0.824 g de disolución de bromuro de hexametonio (50% peso) se disuelven 0.174 g de GeO_{2}. Se añade 0.151 g de disolución de H_{3}BO_{3} (5% peso) y 0.497 g de Ludox AS-40 en la disolución obtenida, y se mantiene en agitación dejando evaporar hasta que la mezcla alcanza la composición:

0.66 SiO_{2} : 0.34 GeO_{2} : 0.025 B_{2}O_{3} : 0.10 R(OH)_{2} : 0.16 R(Br)_{2} : 3.13 H_{2}O donde R es hexametonio.

El gel se calienta durante 5 días en autoclaves de acero con una funda interna de teflón a 175ºC en estático. El sólido obtenido tras filtrar, lavar con agua destilada y secar a 100ºC es la zeolita ITQ-33.

Ejemplo 4

En 0.381 g de disolución de hidróxido. de hexametonio (15.4% peso) y 0.854 g de disolución de bromuro de hexametonio (50% peso) se disuelven 0.174 g de GeO_{2}. Se añade 7.0 mg de Al_{2}O_{3} y 0.516 g de Ludox AS-40 en la disolución obtenida, y se mantiene en agitación dejando evaporar hasta que la mezcla alcanza la composición:

0.67 SiO_{2} : 0.33 GeO_{2} : 0.020 Al_{2}O_{3} : 0.10 R(OH)_{2} : 0.17 R(Br)_{2} : 1.91 H_{2}O donde R es hexametonio.

El gel se calienta durante 8 días en autoclaves de acero con una funda interna de teflón a 175ºC en estático. El sólido obtenido tras filtrar, lavar con agua destilada y secar a 100ºC es la zeolita ITQ-33.

Ejemplo 5

Se disuelven 0.174 g de GeO_{2} en 0.384 g de una disolución de hidróxido de hexametonio (15.4% peso) y 0.897 g de disolución de bromuro de hexametonio (50% peso). Se añaden 11.2 mg de Al_{2}O_{3} y 0.515 g de Ludox AS-40 en la disolución anterior, dejando la mezcla evaporar en agitación hasta alcanzar la composición final:

0.67 SiO_{2} : 0.33 GeO_{2} : 0.032 Al_{2}O_{3} : 0.10 R(OH)_{2} : 0.18 R(Br)_{2} : 2.80 H_{2}O donde R es hexametonio.

El gel se calienta durante 8 días en autoclaves de acero con una funda interna de teflón a 175ºC en estático. El sólido obtenido tras filtrar, lavar con agua destilada y secar a 100ºC es ITQ-33.

Ejemplo 6

En 0.317 g de disolución de hidróxido de hexametonio (18.3% peso) y 0.830 g de disolución de bromuro de hexametonio (50% peso) se disuelven 0.174 g de GeO_{2}. Se añade 6.9 mg de Al_{2}O_{3} y 0.513 g de Ludox AS-40 en la disolución obtenida, y se mantiene en agitación dejando evaporar hasta que la mezcla alcanza la composición:

0.67 SiO_{2} : 0.33 GeO_{2} : 0.020 Al_{2}O_{3} : 0.10 R(OH)_{2} : 0.16 R(Br)_{2} : 2.78 H_{2}O donde R es hexametonio.

El gel se calienta durante 25 días en autoclaves de acero con una funda interna de teflón a 150ºC en estático. El sólido obtenido tras filtrar, lavar con agua destilada y secar a 100ºC es la zeolita ITQ-33.

Ejemplo 7

Se disuelven 0.176 g de GeO_{2} en 0.322 g de disolución de hidróxido de hexametonio (18.3% peso) y 0.882 g de disolución de bromuro de hexametonio (50% peso). Se añade 0.122 g de disolución de H_{3}BO_{3} (5% peso) y 0.525 g de Ludox AS-40.

La mezcla se mantiene en agitación dejando evaporar hasta que la mezcla de reacción alcanza una composición final:

0.67 SiO_{2} : 0.33 GeO_{2} : 0.01 B_{2}O_{3} : 0.10 R(OH)_{2} : 0.16 R(Br)_{2} : 4.2 H_{2}O donde R es hexametonio.

El gel se calienta a 175ºC en estático durante 14 días en autoclaves de acero con una funda interna de teflón. El sólido obtenido tras filtrar, lavar con agua destilada y secar a 100ºC es una mezcla de las fases ITQ-33 e ITQ-24.

Ejemplo 8

En 0.320 g de disolución de hidróxido de hexametonio (18.3% peso) y 0.823 g de disolución de bromuro de hexametonio (50% peso) se disuelven 0.174 g de GeO_{2}. Se añade 0.311 g de disolución de H_{3}BO_{3} (5% peso) y 0.507 g de Ludox AS-40 en la disolución obtenida, y se mantiene en agitación dejando evaporar hasta que la mezcla alcanza la composición:

0.67 SiO_{2} : 0.33 GeO_{2} : 0.025 B_{2}O_{3} : 0.10 R(OH)_{2} : 0.15 R(Br)_{2} : 4.7 H_{2}O donde R es hexametonio.

El gel se calienta durante 14 días en autoclaves de acero con una funda interna de teflón a 175ºC en estático. El sólido obtenido tras filtrar, lavar con agua destilada y secar a 100ºC es una mezcla de las fases ITQ-33 e ITQ-24.

Claims

1. Un material cristalino poroso caracterizado por un patrón de difracción de rayos X cuyas líneas principales se presentan en la tabla 2 para su forma sintetizada sin calcinar.

\vskip1.000000\baselineskip

TABLA 2

2. Un material cristalino poroso caracterizado por un patrón de difracción de rayos X cuyas líneas principales se presentan en la tabla 1 para su forma calcinada.

\vskip1.000000\baselineskip

TABLA 1

3. El material según reivindicación 2 caracterizado por una composición química

X_{2}O_{3}: n YO_{2} : m ZO_{2}

en donde (n + m) es al menos 5, X es un elemento trivalente, Z corresponde a Ge, Y corresponde a uno o varios elementos tetravalentes otros que Ge, y la relación n/m es de al menos 1.

4. El material cristalino según una de las reivindicaciones 2 a 3 caracterizado porque X es uno o más elementos trivalentes seleccionados entre Al, B, In, Ga, Fe; e Y es uno o más elementos tetravalentes seleccionados entre Si, Sn, Ti, y V.

5. El material cristalino según una de las reivindicaciones 2 a 4 caracterizado porque X se refiere a B y/o Al.; e Y se refiere a Si.

6. Un procedimiento para sintetizar el material cristalino definido en una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque comprende:

a) preparar una mezcla que comprende una fuente del material trivalente X, H_{2}O, una fuente del material tetravalente Y diferente de Ge, una fuente del material tetravalente Z y un agente director de estructura (R) que es una amina o una sal de tetraalquilamonio, y la mezcla de síntesis tiene una composición, en término de relaciones molares de óxidos en los siguientes intervalos:

(YO_{2} + ZO_{2})/X_{2}O_{3} al menos de 5 H_{2}O/(YO_{2} + ZO_{2}) entre 1 y 50 R/(YO_{2} + ZO_{2}) entre 0.1 y 3.0 YO_{2}/ZO_{2} al menos 1

b) mantener la mezcla de síntesis durante condiciones de reacción suficientes incluyendo temperatura entre 80 y 200ºC hasta que se formen los cristales del material; c) recuperación del material cristalino.

7. Un procedimiento según la reivindicación 6 caracterizado porque comprende además cristales de zeolita
ITQ-33 que actúan como siembra.

8. Un procedimiento según una de las reivindicaciones 6 y 7 caracterizado porque comprende además la eliminación de la materia orgánica ocluida en el interior del material mediante extracción y/o tratamiento térmico a temperaturas superiores a 250ºC durante un periodo de tiempo comprendido entre 2 minutos y 25 horas.

9. El procedimiento según una de las reivindicaciones 6, a 8 caracterizado porque la mezcla tiene una composición, en términos de relación molar, en los siguientes intervalos:

(YO_{2} + ZO_{2})/X_{2}O_{3} mayor de 7 H_{2}O/(YO_{2} + ZO_{2}) entre 2 y 20 R/(YO_{2} + ZO_{2}) entre 0.1 y 1.0 YO_{2}/ZO_{2} mayor de 5

10. Un procedimiento según una de las reivindicaciones 6 a 9 caracterizado porque:

-: la fuente de material tetravalente Y es un óxido,

-: la fuente de material tetravalente Z es un óxido, y

-: el agente director de estructura (R) es un hidróxido.

11. El procedimiento según una de las reivindicaciones 6, a 10 caracterizado porque el agente director de estructura empleado es una sal de hexametonio.

12. Un proceso para convertir alimentaciones formadas por compuestos orgánicos caracterizado porque conlleva la utilización de una forma activa del material de la reivindicación 2 como catalizador.