ES2857029T3 - Procedimiento para la preparación de tamices moleculares de aluminosilicato que tienen el tipo de estructura CHA - Google Patents

Procedimiento para la preparación de tamices moleculares de aluminosilicato que tienen el tipo de estructura CHA Download PDF

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Abstract

Un procedimiento para preparar un tamiz molecular de aluminosilicato que tiene el tipo de estructura CHA, que comprende: (a) preparar una mezcla de reacción que contenga: (1) una fuente de silicio; (2) una fuente de aluminio; (3) al menos una fuente de un elemento seleccionado de los Grupos 1 y 2 de la Tabla Periódica; (4) iones hidróxido; (5) cationes de trimetilfenilamonio; y (6) agua; y (b) someter la mezcla de reacción a condiciones de cristalización suficientes para formar cristales del tamiz molecular, en el cual el tamiz molecular se prepara a partir de una reacción que comprende, en términos de proporciones molares, lo siguiente:**Tabla** en donde M se selecciona del grupo que consiste en elementos de los grupos 1 y 2 de la tabla periódico y Q es un catión de trimetilfenilamonio.

Description

DESCRIPCIÓN
Procedimiento para la preparación de tamices moleculares de aluminosilicato que tienen el tipo de estructura CHA
Campo técnico
Esta divulgación está dirigida a procedimientos para preparar tamices moleculares de aluminosilicato que tienen el tipo de estructura CHA usando un catión de trimetilfenilamonio.
Antecedentes
Los tamices moleculares son una clase comercialmente importante de materiales cristalinos. Tienen distintas estructuras cristalinas con estructuras de poros ordenadas que se demuestran mediante distintos patrones de difracción de rayos X. La estructura cristalina define cavidades y poros que son característicos de las diferentes especies.
Se conocen tamices moleculares identificados por la Asociación Internacional de Zeolitas por tener el tipo de estructura CHA. Por ejemplo, el tamiz molecular de aluminosilicato conocido como SSZ-13 es un material CHA cristalino conocido. La patente de Estados Unidos número 4.544.538 describe SSZ-13 y su síntesis utilizando N-alquil-3-quinuclidinol, cationes de N,N,N-trialquil-1-adamantamonio y/o N,N,N-trialquil-exoaminonorbornano como agente director de estructura. ("SDA").
El SSZ-13 se sintetiza generalmente comercialmente usando catión N,N,N-trimetil-1-adamantamonio como agente director de estructura. Sin embargo, este SDA es costoso, lo que hace que la síntesis de SSZ-13 que utiliza este SDA sea costosa. Este costo puede limitar la utilidad de SSZ-13 en procedimientos comerciales. En consecuencia, ha habido un interés significativo en encontrar agentes directores de estructura alternativos y menos costosos para la síntesis de SSZ-13.
Se ha encontrado ahora que se pueden preparar tamices moleculares de aluminosilicato de fase pura que tienen el tipo de estructura CHA usando un catión trimetilfenilamonio como agente director de estructura. La publicación US 2010/254895 describe un procedimiento de preparación tamices moleculares de tipo CHA usando al menos un agente director de estructura a base de 1,4-diazabiciclo[2.2.2]octano catiónico conjuntamente con al menos un agente director de estructura cíclica catiónica que contiene nitrógeno. La publicación US 2014/147378 describe un procedimiento de preparación tamices moleculares que usa una composición coloidal de aluminosilicato que contiene al menos un catión cíclico en calidad de agentes de dirección.
Resumen
En un aspecto, se proporciona un procedimiento para fabricar un tamiz molecular de aluminosilicato que tiene el tipo de estructura CHA que comprende (a) preparar una mezcla de reacción que contiene: (1) una fuente de silicio; (2) una fuente de aluminio; (3) al menos una fuente de un elemento seleccionado de los Grupos 1 y 2 de la Tabla Periódica; (4) iones hidróxido; (5) cationes de trimetilfenilamonio; y (6) agua; y (b) someter la mezcla de reacción a condiciones de cristalización suficientes para formar cristales del tamiz molecular, en donde el tamiz molecular se prepara a partir de una reacción que comprende, en términos de proporciones molares, lo siguiente:
Figure imgf000002_0002
en donde M se selecciona del grupo que consiste en elementos de grupos 1 y 2 de la tabla periódica y Q es un catión de trimetilfenilamonio.
En el presente documento se divulga un tamiz molecular de aluminosilicato que tiene el tipo de estructura CHA y tiene una composición, tal como se sintetiza y en estado anhidro, en términos molares, como sigue:
Figure imgf000002_0001
en donde Q es un catión de trimetilfenilamonio y M se selecciona del grupo que consiste en elementos de los grupos 1 y 2 de la tabla periódico.
Breve descripción de los dibujos
La FIG. 1 es un patrón de difracción de rayos X en polvo (XRD) del tamiz molecular como se ha sintetizado, preparado en el Ejemplo 1.
La FIG. 2 es una imagen de micrografía electrónica de barrido (SEM) del tamiz molecular como se ha sintetizado, preparado en el ejemplo 1.
Descripción detallada
Introducción
Los siguientes términos se utilizarán a lo largo de la especificación y tendrán los siguientes significados a menos que se indique lo contrario.
El término "tipo de estructura" se utiliza en el sentido descrito en el "Atlas of Zeolite Framework Types" (Atlas de tipos de estructura de zeolita), sexta edición revisada, Elsevier, 2007.
El término "aluminosilicato" se refiere a tamices moleculares que tienen una estructura marco microporosa tridimensional de unidades de óxido tetraédrico AIO2 y SiO2. Como se usa en este documento, la referencia a un tamiz molecular de aluminosilicato limita el material a tamices moleculares que no incluyen fósforo u otros metales sustituidos en la estructura del tamiz molecular. Por supuesto, los tamices moleculares de aluminosilicato se pueden intercambiar iónicamente después con uno o más metales promotores tales como metales del grupo de hierro, cobre, cobalto, níquel, cerio o platino. Sin embargo, para ser claros, como se usa en este documento, el término "aluminosilicato" excluye materiales de aluminofosfato tales como materiales de silicoaluminofosfato (SAPO), aluminofosfato (AlPO), y metaloaluminofosfato (MeAPO).
Como se usa en este documento, el esquema de numeración para los grupos de la tabla periódica es como se describe en Chem. Ing. News, 63 (5), 27 (1985).
Al preparar los tamices moleculares de aluminosilicato de tipo estructura CHA divulgados en este documento, se usa un catión trimetilfenilamonio como agente director de estructura ("SDA"), también conocido como plantilla de cristalización. El SDA está representado por la siguiente estructura (1):
Figure imgf000003_0001
Catión de trimetilfenilamonio
El catión de SDA se asocia típicamente con aniones que pueden ser cualquier anión que no sea perjudicial para la formación del tamiz molecular. Los aniones representativos incluyen elementos del Grupo 17 de la Tabla Periódica (por ejemplo, fluoruro, cloruro, bromuro y yoduro), hidróxido, acetato, carboxilato, sulfato, tetrafluoroborato y similares.
Mezcla de reacción
En general, el tamiz molecular del tipo de estructura de CHA se prepara: (a) preparando una mezcla de reacción que contiene (1) una fuente de silicio; (2) una fuente de aluminio; (3) al menos una fuente de un elemento seleccionado de los Grupos 1 y 2 de la Tabla Periódica; (4) iones hidróxido; (5) cationes de trimetilfenilamonio; y (6) agua; y (b) sometiendo la mezcla de reacción a condiciones de cristalización suficientes para formar cristales del tamiz molecular.
La composición de la mezcla de reacción a partir de la cual se forma el tamiz molecular, en términos de proporciones molares, se identifica en la Tabla 1 a continuación:
TABLA 1
Figure imgf000003_0002
en donde las variables de composición M y Q son como se describieron en este documento anteriormente.
Las fuentes útiles en el presente documento para el silicio incluyen sílice pirógena, silicatos precipitados, hidrogel de sílice, ácido silícico, sílice coloidal, ortosilicatos de tetraalquilo (por ejemplo, ortosilicato de tetraetilo) e hidróxidos de sílice.
Las fuentes útiles en el presente documento para el aluminio incluyen óxidos, hidróxidos, acetatos, oxalatos, sales de amonio y sulfatos de aluminio. Las fuentes típicas de óxido de aluminio incluyen aluminatos, alúmina y compuestos de aluminio tales como AICI3 , Ah(SO4)3 , Al(oH)3 , arcillas de caolín y otras zeolitas. Un ejemplo de la fuente de aluminio es la zeolita Y.
La mezcla de reacción se forma usando al menos una fuente de un elemento seleccionado de los Grupos 1 y 2 de la Tabla Periódica (denominada en el presente documento "M"). En una forma de realización, la mezcla de reacción se forma usando una fuente de un elemento del Grupo 1 de la Tabla Periódica. En una forma de realización, la mezcla de reacción se forma usando una fuente de sodio (Na). Es adecuado cualquier compuesto que contenga M que no sea perjudicial para el procedimiento de cristalización. Las fuentes de dichos elementos de los Grupos 1 y 2 incluyen óxidos, hidróxidos, haluros, nitratos, sulfatos, acetatos, oxalatos y citratos de los mismos.
Para cada forma de realización descrita en el presente documento, la mezcla de reacción del tamiz molecular puede ser suministrada por más de una fuente. Además, una fuente puede proporcionar dos o más componentes de reacción.
En una forma de realización, la fuente de silicio y aluminio comprende zeolita Y. La zeolita Y puede tener una proporción molar SiO2/AhO3 de al menos 5 (por ejemplo, de 5 a 80, de 5 a 60, de 5 a 30, de 5 a 15, de 10 a 80, de 10 a 60, de 10 a 30, de 30 a 80 o de 30 a 60).
La mezcla de reacción se puede preparar de forma discontinua o continua. El tamaño del cristal, la morfología y el tiempo de cristalización del tamiz molecular divulgados en este documento pueden variar con la naturaleza de la mezcla de reacción y las condiciones de cristalización.
Cristalización y tratamiento posterior a la síntesis
En la práctica, el tamiz molecular se prepara: (a) preparando una mezcla de reacción como se describe anteriormente en el presente documento; y (b) sometiendo la mezcla de reacción a condiciones de cristalización suficientes para formar cristales del tamiz molecular (véase, por ejemplo, H. Robson, "Verified Syntheses of Zeolitic Materials", segunda edición revisada, Elsevier, 2001).
La mezcla de reacción se mantiene a temperatura elevada hasta que se forma el tamiz molecular. La cristalización hidrotérmica se realiza habitualmente a presión, y habitualmente en una autoclave de modo que la mezcla de reacción se somete a presión autógena, a una temperatura de 125°C a 200°C.
La mezcla de reacción se puede someter a agitación o agitación suave durante la etapa de cristalización. Un experto en la materia entenderá que los tamices moleculares descritos en este documento pueden contener impurezas, tales como materiales amorfos, celdas unitarias que tienen topologías estructurales que no coinciden con el tamiz molecular y/u otras impurezas (por ejemplo, hidrocarburos orgánicos).
Durante la etapa de cristalización hidrotérmica, se puede permitir que los cristales del tamiz molecular sean nucleados espontáneamente a partir de la mezcla de reacción. El uso de cristales del tamiz molecular como material de siembra puede resultar ventajoso para reducir el tiempo necesario para que ocurra la cristalización completa. Además, la siembra puede conducir a un aumento de la pureza del producto obtenido promoviendo la nucleación y/o formación del tamiz molecular sobre cualquier fase no deseada. Cuando se utilizan como semillas, los cristales de semillas se añaden en una cantidad entre el 1% y el 10% del peso de la fuente de silicio utilizada en la mezcla de reacción. En una forma de realización, la cristalización hidrotérmica se lleva a cabo en ausencia de cristales semilla.
Una vez que se han formado los cristales del tamiz molecular, el producto sólido se separa de la mezcla de reacción mediante técnicas de separación mecánica estándar, como la filtración. Los cristales se lavan con agua y luego se secan para obtener los cristales de tamiz molecular sintetizados. La etapa de secado se puede realizar a presión atmosférica o al vacío.
El tamiz molecular se puede usar tal como se sintetizó, pero normalmente se tratará térmicamente (calcinado). El término "tal como se sintetizó" se refiere al tamiz molecular en su forma después de la cristalización, antes de la eliminación del catión de SDA. El SDA puede eliminarse mediante tratamiento térmico (por ejemplo, calcinación), preferiblemente en una atmósfera oxidativa (por ejemplo, aire, gas con una presión parcial de oxígeno superior a 0 kPa) a una temperatura fácilmente determinable por un experto en la materia suficiente para eliminar el SDA del tamiz molecular. El SDA también se puede eliminar mediante técnicas de fotólisis (por ejemplo, exponiendo el producto de tamiz molecular que contiene SDA a luz o radiación electromagnética que tiene una longitud de onda más corta que la luz visible en condiciones suficientes para eliminar selectivamente el compuesto orgánico del tamiz molecular) como se describe en la patente de Estados Unidos N° 6,960,327.
Posteriormente, el tamiz molecular se puede calcinar en vapor, aire o gas inerte a temperaturas que oscilan entre 200 ° C y 800 ° C durante periodos de tiempo que oscilan entre 1 y 48 horas, o más. Normalmente, es deseable eliminar el catión de estructura extra (por ejemplo, Na+) mediante intercambio iónico u otro procedimiento conocido y reemplazarlo con hidrógeno, amonio o cualquier ion metálico deseado.
Cuando el tamiz molecular formado es un material intermedio, el tamiz molecular objetivo se puede lograr utilizando técnicas posteriores a la síntesis, como las técnicas de sustitución de la red de heteroátomos. El tamiz molecular objetivo (por ejemplo, silicato SSZ-13) también se puede lograr eliminando heteroátomos de la red mediante técnicas conocidas tales como lixiviación ácida.
Caracterización del tamiz molecular
Los tamices moleculares de aluminosilicato de tipo marco CHA sintetizados mediante el procedimiento descrito en este documento tienen una composición, tal como se sintetizan y en estado anhidro, como se describe en la Tabla 2 (en términos de relaciones molares):
TABLA 2
Figure imgf000005_0001
en la que las variables de composición Q y M son como se describen en este documento
Los tamices moleculares de aluminosilicato de tipo marco CHA preparados mediante el procedimiento descrito en este documento se caracterizan por su patrón de difracción de rayos X. Los patrones de difracción de rayos X representativos de los tamices moleculares de tipo marco de CHA se pueden consultar en la "Collection of Simulated XRD Powder Patterns for Zeolites" [Colección de patrones de polvo XRD simulados para zeolitas], quinta edición revisada, Elsevier, 2007. Las variaciones menores en el patrón de difracción pueden resultar de variaciones en las proporciones molares de las especies de estructura de la muestra particular debido a cambios en las constantes de la red. Además, los cristales suficientemente pequeños afectarán la forma y la intensidad de los picos, lo que provocará un ensanchamiento significativo de los picos. Las variaciones menores en el patrón de difracción también pueden resultar de variaciones en el compuesto orgánico usado en la preparación. La calcinación también puede causar cambios menores en el patrón de difracción de rayos X. A pesar de estas perturbaciones menores, la estructura cristalina básica permanece sin cambios.
Los patrones de difracción de rayos X de polvo presentados en este documento se recogieron mediante técnicas estándar. La radiación fue radiación de CuKa. Las alturas de los picos y las posiciones, en función de 20 donde 0 es el ángulo de Bragg, se leyeron a partir de las intensidades relativas de los picos (con ajuste del fondo), y se puede calcular d, el espaciado interplanar correspondiente a las líneas registradas.
Los tamices moleculares del tipo de estructura de aluminosilicato CHA divulgados en el presente documento pueden prepararse en forma esencialmente pura con pocas o ninguna fase cristalina de impureza detectable. En una forma de realización, los tamices moleculares de tipo estructura CHA de aluminosilicato preparados de acuerdo con esta divulgación están sustancialmente libres de impurezas de tamices moleculares de tipo estructura no CHA. Por "sustancialmente libre de impurezas de zeolita de tipo estructura no CHA" se entiende que la composición no contiene fases de tipo estructura no CHA, según se mide por difracción de rayos X. La presencia de estas impurezas se puede determinar y cuantificar mediante el análisis del patrón de difracción de rayos X de una muestra.
Ejemplos
Se pretende que los siguientes ejemplos ilustrativos no sean limitativos.
Ejemplo 1
Se mezclaron conjuntamente 0.32 g de una solución al 50% de NaOH, 2.40 g de agua desionizada y 1,20 g de una solución de hidróxido de trimetilfenilamonio al 20% (Sigma-Aldrich) en una bolsa de teflón. A continuación, se añadieron a la solución 0,50 g de polvo de zeolita Y de CBV720 (Zeolyst International, proporción molar SiO2/AhO3 = 30). El gel se agitó hasta que estuvo homogéneo. A continuación, se tapó el revestimiento y se colocó dentro de un reactor autoclave de acero Parr. A continuación, se fijó la autoclave en un espetón giratorio (43 rpm) dentro de un horno y se calentó a 135 °C durante 4 días. Los productos sólidos se recuperaron del reactor enfriado mediante centrifugación, se lavaron con agua desionizada y se secaron a 95 °C.
El producto de tamiz molecular resultante se analizó mediante XRD en polvo y SEM. El patrón XRD de polvo mostrado en la FIG. 1 indica que el material es un tamiz molecular del tipo de estructura de CHA de fase pura. La imagen SEM mostrada en la FIG. 2 indica un campo uniforme de cristales.
El producto así sintetizado tenía una proporción molar SiO2/AhO3 de 19,2, determinada por análisis elemental de ICP.
Ejemplo 2
En una bolsa de teflón se mezclaron juntos 0.33 g de una solución de NaOH al 50%, 2,47 g de agua desionizada y 1,24 g de una solución de hidróxido de trimetilfenilamonio al 20% (Sigma-Aldrich). A continuación, se añadió a la solución 0,50 g de polvo de zeolita Y de CBV760 (Zeolyst International, proporción molar SiO2/AhO3 = 60). El gel se agitó hasta que estuvo homogéneo. Luego se tapó la bolsa y se colocó dentro de un reactor autoclave de acero Parr. A continuación, se fijó la autoclave en un espetón giratorio (43 rpm) dentro de un horno y se calentó a 135 ° C durante 3 días. Los productos sólidos se recuperaron del reactor enfriado mediante centrifugación, se lavaron con agua desionizada y se secaron a 95 ° C.
El patrón de XRD en polvo resultante identificó el producto del Ejemplo 2 como un tamiz molecular de tipo estructura de CHA de fase pura.
El producto así sintetizado tenía una proporción molar SiO2/AbO3 de 28,4, determinada por análisis elemental de ICP.
Ejemplo 3
En una bolsa de teflón se mezclaron juntos 0.35 g de una solución al 50% NaOH, 2.50 g de agua desionizada y 1.24 g de una solución al 20% de hidróxido de trimetilfenilamonio (Sigma-Aldrich). Luego, a la solución se agregaron 0.50 g de polvo de zeolita Y CBV780 (Zeolyst International, proporción molar SiO2/AbO3 = 80). El gel se revolvió hasta quedar homogéneo. Luego se tapó la bolsa y se colocó dentro de un reactor autoclave de acero Parr. La autoclave se fijó luego sobre un espetón giratorio (43 rpm) dentro de un horno y se calentó a 135°C durante 3 días. Los productos sólidos se recuperaron del reactor enfriado mediante centrifugación, se lavaron con agua desionizada y se secaron a 95 ° C.
El patrón de XRD en polvo resultante identificó el producto del Ejemplo 3 como un tamiz molecular de tipo estructura de CHA de fase pura.
El producto así sintetizado tenía una proporción molar SiO2/AhO3 de 29.6, determinada por análisis elemental ICP.
Ejemplo 4
En una bolsa de teflón se mezclaron juntos 0.83 g de una solución al 50% NaOH, 5.62 g de agua desionizada y 3.59 g de una solución al 20% de hidróxido de trimetilfenilamonio (Sigma-Aldrich). Luego, a la solución se agregó 1.00 g de polvo de zeolita Y de CBV720 (Zeolyst International, proporción molar SiO2/AbO3 = 30) y 0.78 g de sílice coloidal LUDOX® AS-40 (W.R. Grace & Co.). El gel se revolvió hasta quedar homogéneo. Luego, la bolsa se tapa y se coloca dentro del reactor autoclave de acero Parr. La autoclave se fijó luego sobre un espetón rotatorio (43 rpm) dentro de un horno y se calienta a 135°C durante 4 días. Los productos sólidos se recuperaron del reactor enfriado mediante centrifugación, se lavaron con agua desionizada y se secaron a 95°C.
El patrón de XRD en polvo resultante identificó el producto del Ejemplo 4 como tamiz molecular de tipo de estructura de CHA de fase pura.
El producto así sintetizado tenía una proporción molar SiO2/AbO3 de 28.8, según se determina mediante análisis elemental de ICP.
Ejemplo 5
En una bolsa de teflón se mezclaron juntos 1.04 g de una solución de NaOH al 50%, 7.39 g de agua desionizada y 3.61 g de una solución de hidróxido de trimetilfenilamonio al 20% (Sigma-Aldrich). Luego, a la solución se agregó 1.00 g de un polvo de zeolita Y de CBV720 (Zeolyst International, proporción molar SiO2/AbO3 = 30) y 1.56 g de sílice coloidal LUDOX® AS-40 (W.R. Grace & Co.). El gel se revolvió hasta quedar homogéneo. Luego, la bolsa se tapa y se coloca dentro del reactor autoclave de acero Parr. Luego, la autoclave se coloca en un horno y se calienta a 135°C durante 4 días. Los productos sólidos se recuperaron del reactor enfriado mediante centrifugación, se lavaron con agua desionizada y se secaron a 95°C.
El patrón de XRD en polvo resultante identificó el producto del Ejemplo 5 como tamiz molecular de tipo de estructura de CHA de fase pura.
El producto así sintetizado tenía una proporción molar SiO2/AbO3 de 30.7, según se determina mediante análisis elemental de ICP.

Claims (6)

REIVINDICACIONES
1. Un procedimiento para preparar un tamiz molecular de aluminosilicato que tiene el tipo de estructura CHA, que comprende:
(a) preparar una mezcla de reacción que contenga:
(1) una fuente de silicio;
(2) una fuente de aluminio;
(3) al menos una fuente de un elemento seleccionado de los Grupos 1 y 2 de la Tabla Periódica;
(4) iones hidróxido;
(5) cationes de trimetilfenilamonio; y
(6) agua; y
(b) someter la mezcla de reacción a condiciones de cristalización suficientes para formar cristales del tamiz molecular, en el cual el tamiz molecular se prepara a partir de una reacción que comprende, en términos de proporciones molares, lo siguiente:
Figure imgf000007_0001
en donde M se selecciona del grupo que consiste en elementos de los grupos 1 y 2 de la tabla periódico y Q es un catión de trimetilfenilamonio.
2. El procedimiento de la reivindicación 1 en el cual el tamiz molecular se prepara a partir de una reacción que comprende, en términos de proporciones molares, lo siguiente:
Figure imgf000007_0002
donde M se selecciona del grupo que consiste en elementos de los Grupos 1 y 2 de la Tabla Periódica y Q es un catión de trimetilfenilamonio.
3. El procedimiento de la reivindicación 1, en el cual la zeolita Y es la fuente de silicio y la fuente de aluminio.
4. El procedimiento de la reivindicación 1, en el cual la etapa (a) se lleva a cabo en ausencia de cristales de semilla.
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