FR3066706B1 - PROCESS FOR THE PREPARATION OF A NANOMETRIC Y ZEOLITE IN PROTONED FORM - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne un procédé de préparation de la forme protonée d'une zéolithe Y nanométrique synthétisée en l'absence d'agent organique structurant ledit procédé comprenant au moins une étape d'échange d'ions de ladite zéolithe Y sous la forme sodium par mise en suspension de ladite zéolithe dans une solution aqueuse contenant au moins un composé pouvant libérer un cation ammonium choisi parmi le nitrate d'ammonium, le chlorure d'ammonium, le sulfate d'ammonium, le phosphate d'ammonium, l'acétate d'ammonium et l'oxalate d'ammonium seul ou en mélange, ladite solution aqueuse ayant une concentration comprise entre 0,01 et 5 mol/L, pour obtenir une zéolithe sous forme ammonium, une étape de traitement thermique de la zéolithe sous forme ammonium réalisée sous air ou sous atmosphère inerte, avec une montée en température comprise entre 0,01 et 10 °C/minute, jusqu'à des températures comprises entre 180 et 350 °C, suivie d'un palier d'une durée comprise entre 30 minutes et 10 heures, de manière préférée entre 1 heure et 5 heures.The invention relates to a process for preparing the protonated form of a nanoscale Y zeolite synthesized in the absence of an organic agent structuring said process comprising at least one step of ion exchange of said zeolite Y in the sodium form by suspending said zeolite in an aqueous solution containing at least one compound capable of releasing an ammonium cation chosen from ammonium nitrate, ammonium chloride, ammonium sulfate, ammonium phosphate, sodium acetate, ammonium and ammonium oxalate alone or as a mixture, said aqueous solution having a concentration of between 0.01 and 5 mol / L, to obtain a zeolite in ammonium form, a step of thermal treatment of the zeolite in ammonium form carried out under air or in an inert atmosphere, with a temperature rise of between 0.01 and 10 ° C / min, up to temperatures between 180 and 350 ° C, followed by a step of a duration comprised between 30 minutes and 10 hours, preferably between 1 hour and 5 hours.

Description

Les zéolithes, ou tamis moléculaires, sont des matériaux cristallins constitués d'un arrangement tridimensionnel de tétraèdres TO4 interconnectés (T peut représenter Si, Al, B, P, Ge, Ti, Ga, Fe, par exemple). L'organisation des éléments TO4 engendre un réseau ordonné de micropores constitué de canaux et de cavités dont les dimensions sont compatibles avec les molécules organiques de petite taille. Selon la manière dont sont disposés les atomes de charpente, on distingue différentes structures zéolithiques (il en existe à ce jour plus de 230 [http://www.iza-structure.org/databases]). Chaque structure possède donc un réseau cristallin propre qui peut être identifié par son diagramme de diffraction de rayons X.

Les applications des zéolithes sont nombreuses et concernent des domaines tels que la catalyse, l'adsorption, l'échange ionique ou encore la purification. L'utilisation d'une zéolithe est conditionnée par les caractéristiques de son réseau poreux (dimensions, etc.) et sa composition chimique. Une zéolithe aluminosilicique possède une charpente chargée négativement, en raison du déficit de charge apporté par chaque atome d'aluminium par rapport au silicium, et qui requiert donc la présence de cations de compensation facilement échangeables (Na+, K+, etc.). Lorsque ces derniers sont remplacés, partiellement ou totalement, par des cations ammonium NH4+, il est ensuite possible de calciner la zéolithe afin d'obtenir la forme acide (les NH4+ sont transformés en H+ par élimination de NH3). De tels matériaux trouvent alors des applications en catalyse acide, où leur activité et leur sélectivité va dépendre de la force des sites acides, de leur densité et leur localisation, ainsi que de leur accessibilité.

Parmi les principales zéolithes utilisées de nos jours figurent les zéolithes de type structural FAU, qui sont employées dans de nombreux procédés industriels comme par exemple le craquage catalytique des coupes pétrolières lourdes. Ces zéolithes existent à l'état naturel : la faujasite a été décrite pour la première fois en 1842 suite à sa découverte en Allemagne [A. Damour, Annales des Mines 4 (1842) 395], mais ce n'est que plus d'un siècle plus tard qu'elle a été obtenue pour la première fois en laboratoire. A l'état synthétique, on distingue trois formes : la zéolithe X possédant un rapport Si/AI de structure compris entre 1 et 1,5 [R.M. Milton, Brevet US 2.882.244, 1959], la zéolithe Y pour laquelle le rapport Si/AI est supérieur à 1,5 [D.W. Breck, Brevet US 3.130.007, 1964] et la zéolithe EMC-1 (Elf Mulhouse Chemistry One) possédant un rapport Si/AI de charpente compris entre 3 et 4 [F. Delprato, L. Delmote, J.L. Guth, L. Huve, Zeolites, 10 (1990) 546].

La structure cubique faces centrées à 192 tétraèdres T04 (groupe d'espace Fd-3m) de la faujasite a été résolue dès 1958 [G. Bergerhoff, W.H. Baur, W. Nowaki, Neues Jahrbuch für Minéralogie - Monatshefte 9 (1958) 193] et peut être décrite comme un assemblage de cages sodalites, constituées de 24 tétraèdres, reliées entre elles par des unités de construction 6-6 ("doubles cycles à 6" ou "d6r") selon une symétrie de type centre d'inversion. Le paramètre de maille a0 de la faujasite peut varier entre 24,2 et 24,8 Â selon le rapport Si/AI de charpente [D.W. Breck, E.M. Flanigen, Molecular Sieves, Society of Chemical Industry, London (1968) 47 ; J.R. Sohn, S.J. DeCanio, J.H. Lunsford, D.J. O'Donnell, Zeolites 6 (1986) 225 ; H. Fichtner-Schmittler, U. Lohse, G. Engelhardt, V. Patzelova, Crystal Research and Technology 19 (1984)]. A l'intérieur de la structure, l'agencement des tétraèdres donne naissance à des supercages d'un diamètre maximal de 11,6 Â et faisant office de nanoréacteurs adaptés au craquage des hydrocarbures et l'adsorption de gaz ; par ailleurs, les pores de la faujasite, d'un diamètre de 7,4 Â pour 12 tétraèdres TO4, permettent une bonne diffusion des molécules au sein du réseau poreux [C. Baerlocher, L.B. McCusker, D.H. Oison, Atlas of Zeolite Framework Type, 6th revised édition, Elsevier (2007)].

Il existe aujourd’hui un grand intérêt pour les zéolithes de dimensions nanométriques [S. Mintova, J. Grand, V. Valtchev, Comptes Rendus Chimie 19 (2016) 183] en raison de leurs propriétés de diffusion améliorées : contrairement aux zéolithes de dimensions micrométriques dans lesquelles la longueur des chemins diffusionnels intracristallins entraîne une restriction des performances catalytiques [Y. Tao, H. Kanoh, L. Abrams, K. Kaneko, Chemical Reviews 106 (2006) 896] et une désactivation progressive du catalyseur [K. Na, M. Choi, R. Ryoo, Microporous and Mesoporous Materials 166 (2013) 3], les zéolithes nanométriques affichent des gains en activité et en sélectivité [D. Karami, S. Rohani, Petroleum Science and Technology 31 (2013) 1625 ; Q. Cui, Y. Zhou, Q. Wei, X. Tao, G. Yu, Y. Wang, J. Yang, Energy & Fuels 26 (2012) 4664], Cependant, les zéolithes nanométriques présentent aussi des inconvénients dus à leurs dimensions réduites. Pour les applications catalytiques visées, il est nécessaire de convertir les zéolithes en leur forme acide (i.e. protonée) par échange ionique avec un sel d’ammonium suivi d’une calcination [H. Toulhoat, P. Raybaud, Catalysis by transition métal sulphides, Ed. Technip, 2013]. Mais cette calcination peut affecter la structure zéolithique, tout particulièrement celle des zéolithes nanométriques qui sont plus fragiles. Or, les caractéristiques physico-chimiques (y compris la stabilité) d'une zéolithe dépendent de son mode de préparation, en particulier la nature des réactifs utilisés et notamment l'agent structurant. Par exemple, la zéolithe Y nanométrique peut être obtenue en présence du cation tétraméthylammonium (TMA+), ce dernier ayant un rôle structurant et stabilisateur de la cage sodalite [R.B. Benarmas, A. Bengueddach, F. Di Renzo, Catalysis Today 227 (2014) 33]. Son élimination par traitement thermique nécessite de chauffer la zéolithe à une température supérieure à 487 °C [S. Mintova, N.H. Oison, T. Bein, Angewandte Chemie: International Edition 38 (1999) 3201]. Ainsi, la calcination d'une telle zéolithe Y nanométrique à une température de 450 °C après un échange ionique n'entraine pas une amorphisation de la structure zéolithique [M.S. Katsiotis, M. Fardis, Y. Al Wahedi, S. Stephen, V. Tzitzios, N. Boukos, H.J. Kim, S.M. Alhassan, G. Papavassiliou, Journal of Physical Chemistry C 119 (2015) 3428]. On peut penser que la présence de cations TMA après échange stabilise la structure zéolithique. Par ailleurs, l'échange ionique préalable à la calcination joue également un rôle dans la stabilité de la zéolithe. C’est la conclusion que l’on peut tirer des conditions d’échange utilisées par P. Morales et coll. qui ont obtenu une zéolithe Y nanométrique protonée. Toutefois, leur zéolithe Y nanométrique a été synthétisée en présence de cations TMA+ et les auteurs indiquent clairement qu’après échange et calcination à 550 °C, la cristallinité de la zéolithe Y nanométrique protonée est fortement diminuée [P. Morales-Pacheco, F. Alvarez, L. Bucio, J.M. Dominguez, Journal of Physical Chemistry C 113 (2009) 2247], A fortiori, l’obtention de la forme protonée de zéolithes nanométriques ayant subi un échange ionique poussé s’avère donc particulièrement délicate.

La présente invention permet d'obtenir la forme protonée d'une zéolithe Y de type structural FAU dont les cristaux possèdent des dimensions inférieures à 100 nanomètres et synthétisée en absence d'agent organique structurant. Un avantage du procédé de préparation selon l'invention est de permettre l'obtention d'une telle zéolithe Y nanométrique de type structural FAU sous la forme protonée avec une très bonne cristallinité par rapport aux zéolithes nanométriques synthétisées selon l’art antérieur. Résumé de l’invention

La présente invention a pour objet un procédé de préparation de la forme protonée d’une zéolithe Y nanométrique synthétisée en l’absence d’agent organique structurant et ayant une taille moyenne de cristaux inférieure à 100 nm, ledit procédé comprenant au moins les étapes suivantes : i) au moins une étape d’échange d’ions d’une zéolithe Y nanométrique synthétisée en l’absence d’agent organique structurant sous la forme sodium par mise en suspension de ladite zéolithe dans une solution aqueuse contenant au moins un composé pouvant libérer un cation ammonium choisi parmi le nitrate d’ammonium, le chlorure d’ammonium, le sulfate d’ammonium, le phosphate d'ammonium, l'acétate d'ammonium et l'oxalate d'ammonium seul ou en mélange, ladite solution aqueuse ayant une concentration comprise entre 0,01 et 5 mol/L, de préférence entre 0,05 et 3 mol/L, de manière très préférée entre 0,3 et 2 mol/L, et de manière plus préférée entre 0,5 et 1 mol/L, pour obtenir une zéolithe sous forme ammonium, ii) une étape de traitement thermique de la zéolithe sous forme ammonium obtenue à l’issue de l’étape (i), ladite étape étant réalisée sous air ou sous atmosphère inerte, avec une montée en température comprise entre 0,01 et 10 °C/minute, de préférence entre 0,02 et 5 °C/minute, de manière préférée entre 0,03 et 3 °C/minute et de manière très préférée entre 0,5 et 1 °C/minute jusqu’à des températures comprises entre 180 et 350 °C, de manière préférée entre 200 et 300 °C, de manière très préférée entre 200 et 250 °C et de manière plus préférée entre 230 et 250 °C, suivie d’un palier d’une durée comprise entre 30 minutes et 10 heures, de manière préférée entre 1 heure et 5 heures et de manière très préférée entre 1 heure 30 minutes et 2 heures, pour obtenir ladite forme protonée de la zéolithe Y nanométrique synthétisée en l’absence d’agent organique structurant.

Un avantage de la présente invention est donc de fournir un procédé permettant l’obtention de la forme protonée d’une zéolithe Y nanométrique synthétisée en l’absence d’agent organique structurant présentant une très bonne cristallinité et ayant une taille moyenne de cristaux inférieure à 100 nm, grâce à la mise en place d’un traitement thermique modéré.

Il convient de noter que lorsque le traitement thermique du matériau sous forme ammonium obtenu à l’issue de l’étape (i) est réalisé à des températures supérieures à 350 °C, une baisse importante de la cristallinité est observée.

Description de l’invention

La zéolithe Y nanométrique de départ sous forme sodium peut être toute zéolithe Y de dimensions nanométriques synthétisée en l'absence d'agent organique structurant.

Par exemple, la zéolithe Y nanométrique sous sa forme sodium de départ peut être synthétisée selon un mode de préparation comprenant les étapes suivantes : a) le mélange, en milieu aqueux, d'au moins une source AO2 d'au moins un élément tétravalent A choisi parmi le silicium, le germanium, le titane seul ou en mélange, d’au moins une source BOb d'au moins un élément trivalent B choisi parmi l'aluminium, le bore, le fer, l'indium, le gallium, seul ou en mélange, d'au moins une source C2/mO d'un métal alcalin ou alcalino-terreux C choisi parmi le lithium, le sodium, le potassium, le calcium, le magnésium seul ou en mélange, ladite source C2/mO de métal alcalin ou alcalino-terreux C comportant également au moins une source d’ions hydroxyde pour obtenir un gel, le mélange réactionnel de l’étape a) étant réalisé en l’absence de structurant organique et présentant la composition molaire suivante :

v AO2 : w BOb : x C2/mO : y H2O - A étant de préférence le silicium, B étant de préférence l'aluminium, C étant de préférence le sodium, - v étant compris entre 1 et 40, de préférence entre 1 et 20 et de manière très préférée entre 15 et 20, - w étant compris entre 0,1 et 5, de préférence entre 0,2 et 1,5 - x étant compris entre 1 et 40, de préférence entre 1 et 20 - y étant compris entre 30 et 1000, de préférence entre 100 et 400 - b étant compris entre 1 et 3, b étant un nombre entier ou rationnel - m étant égal à 1 ou 2, b) le mûrissement du gel obtenu à l’issue de l’étape (i) à une température comprise entre -15 et 60 °C, de manière préférée entre 0 et 50 °C, et de manière très préférée entre 20 et 40 °C, avec ou sans agitation, pendant une durée comprise entre 10 heures et 60 jours, de préférence entre 10 heures et 30 jours, de manière très préférée entre 1 jour et 30 jours, et de manière encore plus préférée entre 1 jour et 20 jours, c) après au moins 10 heures et moins de 15 jours de mûrissement et de préférence après au moins 12 heures et moins de 7 jours, de manière préférée après au moins 12 heures et moins de 3 jours, de manière très préférée après au moins 12 heures et moins de 48 heures et de manière encore plus préférée après au moins 24 heures et moins de 48 heures, l'ajout unique ou répété d'au moins une source AO2 d'au moins un élément tétravalent A choisi parmi le silicium, le germanium, le titane, seul ou en mélange dans ledit gel, A étant de préférence le silicium, la composition molaire du gel à l'issue de l'ajout étant la suivante :

v AO2 : w BOb : x C2/mO : y H2O - v étant compris entre 5 et 50, de préférence entre 10 et 35 et de manière très préférée entre 20 et 30, - w étant compris entre 0,1 et 5, de préférence entre 0,2 et 1,5 - x étant compris entre 1 et 40, de préférence entre 1 et 20 - y étant compris entre 200 et 1000, de préférence entre 200 et 500 - b étant compris entre 1 et 3, b étant un nombre entier ou rationnel - m étant égal à 1 ou 2, d) le traitement hydrothermal du gel obtenu à l’issue de l’étape c) à une température comprise entre 20 et 200 °C, de préférence entre 40 et 140 °C, de manière préférée entre 50 et 100 °C, et de manière très préférée entre 60 et 80 °C, sous pression de réaction autogène, pendant une durée comprise entre 1 heure et 14 jours, de préférence entre 6 heures et 7 jours, de manière préférée entre 10 heures et 3 jours et de manière très préférée entre 16 heures et 24 heures, pour obtenir la cristallisation de ladite zéolithe Y nanométrique ayant une taille de cristaux inférieure à 100 nm, de préférence inférieure à 60 nm et de manière préférée inférieure à 50 nm et un rapport A/B et de préférence Si/AI supérieur à 2, de préférence supérieur à 2,3, de manière préférée supérieur à 2,5 et de manière très préférée supérieur à 2,6. La taille des cristaux de la zéolithe obtenue est mesurée sur un ou plusieurs clichés de microscopie électronique en transmission ; il s'agit de la taille maximale observée sur les clichés.

La structure de ladite zéolithe Y de départ sous forme sodium est identifiée par diffractométrie des rayons X, dans le domaine d'angle de diffraction 2Θ = 5° à 40°± 0,02°, en géométrie de réflexion. La source de rayons X est une anticathode de cuivre alimentée sous une tension de 40 kV et une intensité de 40 mA, et fournissant une radiation monochromatique Cu-Ka1 (λ = 1,5406 Â). Ladite zéolite Y de type structural FAU obtenue par le procédé selon l'invention présente avantageusement un diagramme de diffraction de rayons X incluant au moins les raies inscrites dans le tableau correspondant au diagramme de diffraction de rayons X de la zéolithe ci-dessous :

Distance interréticulaire (À) Intensité (%) ______________14,11__F_________ _______________8,68__f__________ _______________7,40__f__________ ____________5,63__m________ _______________4,72__f__________ _____________4,35__mf________ _______________3,87__f__________ ____________3,75__FF_______ ________________3,44__ff__________ _____________3,29__F________ _____________3,01__mf________ ____________2,89__m________ ____________2,85__FF_______ _____________2,75__mf________ _______________2,62__f__________ _______________2,37__f__________ _______________2,18__f__________ ________________2,09________________ ff__________ FF = très fort ; F = fort ; m = moyen ; mf = moyen faible ; f = faible ; ff = très faible L'intensité relative I/IO est donnée en rapport à une échelle d'intensité relative où il est attribué une valeur de 100 à la raie la plus intense du diagramme de diffraction de rayons X : ff <15 ; 15<f<30 ; 30<mf<50 ; 50<m<65 ; 65<F<85 ; FF>85.

Conformément à l’invention, la forme sodium d’une zéolithe Y nanométrique synthétisée en l’absence d’agent organique structurant est soumise à au moins une étape d’échange ionique par mise en suspension à l’étape (i) de ladite zéolithe dans une solution aqueuse contenant au moins un composé pouvant libérer un cation ammonium choisi parmi le nitrate d’ammonium, le chlorure d’ammonium, le sulfate d’ammonium, le phosphate d'ammonium, l'acétate d'ammonium et l'oxalate d'ammonium seul ou en mélange, ladite solution aqueuse ayant une concentration comprise entre 0,01 et 5 mol/L, de préférence entre 0,05 et 3 mol/L, de manière très préférée entre 0,3 et 2 mol/L, et de manière plus préférée entre 0,5 et 1mol/L, pour obtenir une zéolithe sous forme ammonium.

Dans un mode préféré, le composé pouvant libérer un cation ammonium est le nitrate d’ammonium. Dans un autre mode préféré, le composé pouvant libérer un cation ammonium est le chlorure d’ammonium.

De préférence, ladite étape i) d’échange ionique est réalisée à une température comprise entre -15 et 150 °C, de manière préférée entre 0 et 100 °C et de manière très préférée entre 50 et 80 °C, avec ou sans agitation pendant une durée comprise entre 1 minute et 24 heures, de préférence entre 5 minutes et 15 heures, de manière très préférée entre 10 minutes et 8 heures, et de manière encore plus préférée entre 30 minutes et 2 heures.

De préférence, le nombre d’échange est compris entre 1 et 10, de manière préférée entre 2 et 10, de manière très préférée entre 2 et 8, et de manière plus préférée entre 3 et 6.

Après chaque réaction d’échange d’ions nécessaire à la formation de la forme ammonium de la zéolithe Y nanométrique, ladite zéolithe est avantageusement centrifugée et lavée. Après la dernière réaction d’échange, la forme ammonium de la zéolithe Y est centrifugée, lavée puis séchée. Le séchage est de préférence réalisé à une température comprise entre 20 et 150 °C, de manière préférée entre 70 et 120 °C, pendant une durée comprise entre 5 et 20 heures.

Conformément à l’étape (ii) du procédé selon l’invention, la zéolithe sous forme ammonium obtenu à l’issue de l’étape (i), éventuellement centrifugée, lavée et séchée, est soumise à un traitement thermique, réalisé sous air ou sous atmosphère inerte, avec une montée en température comprise entre 0,01 et 10 °C/minute, de préférence entre 0,02 et 5 °C/minute, de manière préférée entre 0,03 et 3 °C/minute et de manière très préférée entre 0,5 et 1 °C/minute jusqu’à des températures comprises entre 180 et 350 °C, de manière préférée entre 200 et 300 °C, de manière très préférée entre 200 et 250 °C et de manière plus préférée entre 230 et 250 °C, suivie d’un palier d’une durée comprise entre 30 minutes et 10 heures, de manière préférée entre 1 heure et 5 heures et de manière très préférée entre 1 heure 30 minutes et 2 heures, pour obtenir ladite forme protonée de la zéolithe Y nanométrique synthétisée en l’absence d’agent organique structurant.

La forme protonée de la zéolithe Y nanométrique est généralement analysée par diffraction de rayons X, cette technique permettant également de déterminer la pureté et la cristallinité de ladite zéolithe obtenue par le procédé de l’invention. De manière très avantageuse, le procédé de l’invention conduit à la formation de la forme protonée d’une zéolithe Y nanométrique de type structural FAU pure, en l’absence de phase amorphe. Ladite zéolite Y nanométrique de type structural FAU sous forme protonée obtenue par le procédé selon l'invention présente avantageusement un diagramme de diffraction de rayons X incluant au moins les raies inscrites dans le tableau correspondant au diagramme de diffraction de rayons X de la zéolithe ci-dessous :

FF = très fort ; F = fort ; m = moyen ; mf = moyen faible ; f = faible ; ff = très faible

Par ailleurs, l’acidité de ladite forme protonée de la zéolithe Y nanométrique est communément mesurée par NH3-TPD ou par adsorption de pyridine.

La zéolithe obtenue par le procédé de l’invention peut être utilisée comme solide acide pour la catalyse, c’est-à-dire comme catalyseur dans les domaines du raffinage et de la pétrochimie. Elle peut être associée à une matrice inorganique, qui peut être inerte ou catalytiquement active, et à une phase métallique. La matrice inorganique peut être présente simplement comme liant pour maintenir ensemble les petites particules de zéolithe sous les différentes formes connues des catalyseurs (extrudés, pastilles, billes, poudres), ou bien peut être ajoutée comme diluant pour imposer le degré de conversion dans un procédé qui progresserait sinon à une allure trop rapide conduisant à un encrassement du catalyseur en conséquence d’une formation importante de coke. Des matrices inorganiques typiques sont notamment des matières de support pour les catalyseurs comme la silice, les différentes formes d’alumine, la magnésie, la zircone, les oxydes de titane, de bore, de zirconium, les phosphates d’aluminium, de titane, les argiles kaoliniques, les bentonites, les montmorillonites, la sépiolite, l’attapulgite, la terre à foulon, les matières poreuses synthétiques comme SiO2-AI2O3, SiO2-ZrO2, SiO2-ThO2, SiO2-BeO, SiO2-TiO2 ou toute combinaison de ces composés. La matrice inorganique peut être un mélange de différents composés, en particulier d’une phase inerte et d’une phase active.

La phase métallique est introduite sur la zéolithe seule, la matrice inorganique seule ou l’ensemble matrice inorganique-zéolithe par échange d’ions ou imprégnation avec des cations ou oxydes choisis parmi les éléments suivants ; Cu, Ag, Ga, Mg, Ca, Sr, Zn, Cd, B, Al, Sn, Pb, V, P, Sb, Cr, Mo, W, Mn, Re, Fe, Co, Ni, Pt, Pd, Ru, Rh, Os, Ir et tout autre élément de la classification périodique des éléments.

Les métaux peuvent être introduits soit tous de la même façon, soit par des techniques différentes, à tout moment de la préparation, avant ou après mise en forme et dans n’importe quel ordre. De plus, des traitements intermédiaires tels que par exemple une calcination et/ou une réduction peuvent être appliqués entre les dépôts des différents métaux.

Les compositions catalytiques comportant la forme protonée de la zéolithe Y nanométrique préparée selon le procédé de l’invention, conviennent de façon générale à la mise en œuvre des principaux procédés de composés organiques tels que les éthers.

Toute méthode de mise en forme connue de l’Homme du métier convient pour le catalyseur comportant la forme protonée de la zéolithe Y nanométrique. On pourra utiliser, par exemple, le pastillage ou l’extrusion ou la mise sous forme de billes. La mise en forme du catalyseur contenant la zéolithe préparée selon le procédé de l’invention et se présentant au moins en partie sous forme acide est généralement telle que le catalyseur est de préférence sous forme d’extrudés ou de billes en vue de son utilisation.

Description des figures

Les figures 1, 3 et 5 comparent les diffractogrammes de rayons X des zéolithes Y nanométriques sous forme sodium (en bas sur la figure) et sous forme protonée (en haut sur la figure) obtenue respectivement dans les exemples 2, 3 et 4 dans le domaine d’angle de diffraction 2Θ = 5 ° à 50 °.

Les figures 2, 4 et 6 représentent les isothermes d’adsorption-désorption de diazote des zéolithes Y sous forme protonée obtenues respectivement dans les exemples 2, 3 et 4.

La figure 7 représente le diffractogramme de rayons X de la forme protonée d’une zéolithe Y nanométrique obtenue dans l’exemple 5, dans le domaine d’angle de diffraction 2Θ = 5 ° à 50 °.

Exemples :

Exemple 1 : Préparation de la zéolithe de départ Y nanométrique sous forme sodium et de rapport Si/AI égal à 2,3.

Une zéolithe Y nanométrique de type structural FAU contenant les éléments Si et Al, de rapport molaire Si/AI égal à 2,3 est synthétisée en l’absence d’agent organique structurant selon un mode de préparation dans lequel une source d’aluminium (aluminate de sodium, Sigma Aldrich, 53% AI2O3, 43% Na2O, 4% H2O) et un agent minéralisant (hydroxyde de sodium, Carlo Erba, 99%) sont dissous dans de l’eau déionisée, sous agitation. Une source de silicium (Ludox AS-40, 40%, Sigma Aldrich) est alors ajoutée au goutte-à-goutte, afin d’obtenir un mélange réactionnel dont la composition molaire est 15 SiO2 : 1 AI2O3 : 17 Na2O : 360 H2O. Le gel ainsi formé est placé sous agitation à température ambiante. Au bout de 1 jour de mûrissement, une nouvelle source de silicium (Aerosil 130V, Evonik, >99,8%) est ajoutée. Après cet ajout de source de silicium, le gel ainsi formé possède la composition suivante : 36 SiO2 : 1 AI2O3 : 17 Na2O : 360 H2O. Le mélange réactionnel est maintenu sous agitation durant 6 jours supplémentaires à température ambiante, puis est transféré dans un flacon en polypropylène. Ce flacon est placé dans une étuve à 70 °C durant 16 heures sous pression autogène et sans ajout de gaz. Après avoir refroidi le flacon jusqu’à température ambiante, le produit est lavé par centrifugation, avant d’être séché à l’étuve une nuit à 100 °C.

Exemple 2 : Préparation de nanocristaux de zéolithe Y sous forme protonée de rapport Si/AI égal à 2,3 selon un procédé conforme à l’invention.

Une masse de 0,5 g de zéolithe Y nanométrique sous forme sodium préparée selon l’exemple 1 est incorporée dans 12,5 ml_ d’une solution de chlorure d’ammonium de concentration 1 mol/L. La forme ammonium de cette zéolithe Y nanométrique de formule idéalisée déshydratée (NH4)44Na14[AI58Si134O384] a été obtenue en réalisant trois échanges à 50 °C pendant 2 heures sous agitation lente (200 tours par minute). Après chaque échange, le produit est lavé avec de l’eau déminéralisée quatre fois par centrifugation à une vitesse de 10 000 tours par minute pendant 5 minutes. Celui-ci est ensuite séché une nuit dans une étuve à 100 °C. Une calcination sous air au four à moufle, avec une montée en température de 0,5 °C par minute jusqu’à 240 °C, suivie d’un palier de 1 h30 permet d’obtenir une zéolithe Y nanométrique sous forme protonée cristallisée dont la formule par maille déshydratée déterminée par analyse élémentaire est H44Nai4[AI58Sii34O384].

En figure 1, les diffractogrammes de rayons X correspondent à la zéolithe Y sous forme sodium (bas) et sous forme protonée (haut), ils sont indexables dans le système cubique de la zéolithe de type structural FAU. Par ailleurs, le volume microporeux de 0,23 cm3/g déduit à partir de l’isotherme d’adsorption-désorption de diazote représentée en figure 2, permet de confirmer le maintien de la structure et de la porosité de la zéolithe Y nanométrique sous forme protonée.

Exemple 3 : Préparation de nanocristaux de zéolithe Y sous forme protonée de rapport Si/AI égal à 2,3 selon un procédé conforme à l’invention dans des conditions d’échange différentes de l’exemple 2.

Une masse de 0,5 g de zéolithe Y nanométrique sous forme sodium préparée selon l’exemple 1 est incorporée dans 12,5 mL d’une solution de chlorure d’ammonium de concentration 1 mol/L. La forme ammonium de cette zéolithe Y nanométrique de formule idéalisée déshydratée (NH4)48Na10[AI58Si134O384] a été obtenue en réalisant six échanges à 80 °C pendant 30 minutes sous agitation lente (200 tours par minute). Après chaque échange, le produit est lavé avec de l’eau déminéralisée quatre fois par centrifugation à une vitesse de 10 000 tours par minute pendant 5 minutes. Celui-ci est ensuite séché une nuit dans une étuve à 100 °C. Une calcination sous air au four à moufle, avec une montée en température de 0,5 °C par minute jusqu’à 240 °C, suivie d’un palier de 1 h30 permet d’obtenir une zéolithe Y nanométrique sous forme protonée cristallisée dont la formule par maille déshydratée déterminée par analyse élémentaire est H48Na10[AI58Si134O384].

En figure 3, les diffractogrammes de rayons X correspondent à la zéolithe Y sous forme sodium (bas) et sous forme protonée (haut), ils sont indexables dans le système cubique de la zéolithe de type structural FAU. Par ailleurs, le volume microporeux de 0,22 cm3/g déduit à partir de l’isotherme d’adsorption-désorption de diazote représentée en figure 4, permet de confirmer le maintien de la structure et de la porosité de la zéolithe Y nanométrique sous forme protonée.

Exemple 4 : Préparation de nanocristaux de zéolithe Y sous forme protonée non conforme à l’invention

La zéolithe Y nanométrique sous forme ammonium a été préparée selon le protocole décrit dans l’exemple 2 à la différence que la calcination a été effectuée sous air, au four à moufle, avec une montée en température de 1 °C par minute jusqu’à 450 °C suivie d’un palier de 10 heures.

En figure 5, les diffractogrammes de rayons X correspondent à la zéolithe Y sous forme sodium (bas) et sous forme protonée (haut), ils sont indexables dans le système cubique de la zéolithe de type structural FAU. D’après ces diffractogrammes, la structure de la zéolithe Y sous forme protonée est légèrement affectée par le traitement thermique. Cependant, le volume microporeux de 0,17 cm3/g déduit à partir de l’isotherme d’adsorption-désorption de diazote représentée en figure 6, permet de confirmer que ce traitement thermique engendre une amorphisation du matériau et une forte diminution de la porosité de la zéolithe Y nanométrique sous forme protonée.

Exemple 5 : non conforme à l’invention

La zéolithe Y nanométrique sous forme ammonium a été préparée selon le protocole décrit dans l’exemple 3 à la différence que la calcination a été effectuée sous air, au four à moufle, avec une montée en température de 1 °C par minute jusqu’à 560 °C, suivie d’un palier de 1 h30.

Le diffractogramme de rayons X du matériau représenté en figure 7 montre qu’aucun produit cristallisé ne subsiste après le traitement thermique détaillé ci-dessus. Le procédé de calcination décrit dans cet exemple ne permet donc pas d’obtenir une zéolithe Y nanométrique sous forme protonée avec une porosité accessible.

Zeolites, or molecular sieves, are crystalline materials consisting of a three-dimensional arrangement of interconnected TO4 tetrahedra (T may be Si, Al, B, P, Ge, Ti, Ga, Fe, for example). The organization of elements TO4 generates an ordered network of micropores consisting of channels and cavities whose dimensions are compatible with small organic molecules. Depending on how the framework atoms are arranged, different zeolitic structures can be distinguished (there are currently more than 230 [http://www.iza-structure.org/databases]). Each structure therefore has a clean crystal lattice that can be identified by its X-ray diffraction pattern.

The applications of zeolites are numerous and relate to fields such as catalysis, adsorption, ion exchange or purification. The use of a zeolite is conditioned by the characteristics of its porous network (dimensions, etc.) and its chemical composition. An aluminosilicic zeolite has a negatively charged framework, because of the charge deficit provided by each aluminum atom relative to silicon, and which therefore requires the presence of easily exchangeable compensation cations (Na +, K +, etc.). When these are replaced, partially or completely, with NH 4 + ammonium cations, it is then possible to calcine the zeolite to obtain the acid form (the NH 4 + are converted to H + by removal of NH 3). Such materials then find applications in acid catalysis, where their activity and their selectivity will depend on the strength of the acid sites, their density and their location, as well as their accessibility.

Among the main zeolites used today are zeolites of structural type FAU, which are used in many industrial processes such as catalytic cracking of heavy oil cuts. These zeolites exist in their natural state: faujasite was first described in 1842 following its discovery in Germany [A. Damour, Annales des Mines 4 (1842) 395], but it was not until more than a century later that it was first obtained in the laboratory. In the synthetic state, there are three forms: zeolite X having a Si / Al ratio of structure between 1 and 1.5 [Milton RM, US Pat. No. 2,882,244, 1959], zeolite Y for which the Si ratio / AI is greater than 1.5 [DW Breck, US Pat. No. 3,130,007, 1964] and the EMC-1 zeolite (Elf Mulhouse Chemistry One) having a framework Si / Al ratio of between 3 and 4 [F. Delprato, L. Delmote, JL Guth, L. Huve, Zeolites, 10 (1990) 546].

The face-centered cubic structure with 192 T04 tetrahedra (Fd-3m space group) of faujasite was solved as early as 1958 [G. Bergerhoff, WH Baur, W. Nowaki, Neues Jahrbuch für Mineralogie - Monatshefte 9 (1958) 193] and can be described as an assembly of sodalite cages, consisting of 24 tetrahedra, interconnected by 6-6 building units (" double cycles at 6 "or" d6r ") in inversion center symmetry. The mesh parameter a0 of faujasite can vary between 24.2 and 24.8 Å according to the Si / Al framework ratio [DW Breck, EM Flanigen, Molecular Sieves, Society of Chemical Industry, London (1968) 47; JR Sohn, SJ DeCanio, JH Lunsford, DJ O'Donnell, Zeolites 6 (1986) 225; H. Fichtner-Schmittler, U. Lohse, G. Engelhardt, V. Patzelova, Crystal Research and Technology 19 (1984)]. Within the structure, the arrangement of the tetrahedra gives rise to supercages with a maximum diameter of 11.6 Å and acting as nanoreactors suitable for hydrocarbon cracking and gas adsorption; moreover, the pore of faujasite, with a diameter of 7.4 Å for 12 TO4 tetrahedra, allows a good diffusion of the molecules within the porous lattice [C. Baerlocher, LB McCusker, DH Oison, Atlas of the Zeolite Framework Type, 6th revised edition, Elsevier (2007)].

There is now a great interest for zeolites of nanometric dimensions [S. Mintova, J. Grand, V. Valtchev, Comptes Rendus Chimie 19 (2016) 183] because of their improved diffusion properties: unlike zeolites of micrometric dimensions in which the length of the intracrystalline diffusion paths leads to a restriction of the catalytic performances [Y . Tao, H. Kanoh, L. Abrams, K. Kaneko, Chemical Reviews 106 (2006) 896] and progressive deactivation of the catalyst [K. Na, M. Choi, Ryoo R., Microporous and Mesoporous Materials 166 (2013) 3], nanoscale zeolites show gains in activity and selectivity [D. Karami, S. Rohani, Petroleum Science and Technology 31 (2013) 1625; Q. Cui, Y. Zhou, Q. Wei, X. Tao, Yu G., Y. Wang, J. Yang, Energy &amp; Fuels 26 (2012) 4664], However, nanoscale zeolites also have disadvantages due to their reduced dimensions. For the targeted catalytic applications, it is necessary to convert the zeolites into their acid form (ie protonated) by ion exchange with an ammonium salt followed by calcination [H. Toulhoat, P. Raybaud, Catalysis by metal transition sulphides, Ed Technip, 2013]. But this calcination can affect the zeolite structure, especially that of nanoscale zeolites which are more fragile. However, the physicochemical characteristics (including stability) of a zeolite depend on its method of preparation, in particular the nature of the reagents used and in particular the structuring agent. For example, the nanoscale Y zeolite can be obtained in the presence of the tetramethylammonium cation (TMA +), the latter having a structuring and stabilizing role of the sodalite cage [RB Benarmas, A. Bengueddach, F. Di Renzo, Catalysis Today 227 (2014) 33]. Its removal by heat treatment requires heating the zeolite to a temperature greater than 487 ° C. [S. Mintova, NH Oison, T. Bein, Angewandte Chemie: International Edition 38 (1999) 3201]. Thus, the calcination of such a nanoscale Y zeolite at a temperature of 450 ° C. after ion exchange does not cause an amorphization of the zeolite structure [MS Katsiotis, M. Fardis, Y. Al Wahedi, S. Stephen, V Tzitzios, N. Boukos, HJ Kim, SM Alhassan, G. Papavassiliou, Journal of Physical Chemistry C 119 (2015) 3428]. It may be thought that the presence of TMA cations after exchange stabilizes the zeolite structure. In addition, ion exchange prior to calcination also plays a role in the stability of the zeolite. This is the conclusion that can be drawn from the exchange conditions used by P. Morales et al. who obtained a protonated nanometric Y zeolite. However, their nanoscale Y zeolite was synthesized in the presence of TMA + cations and the authors clearly indicate that after exchange and calcination at 550 ° C., the crystallinity of the protonated nanometric zeolite Y is greatly diminished [P. Morales-Pacheco, F. Alvarez, L. Bucio, JM Dominguez, Journal of Physical Chemistry C 113 (2009) 2247], A fortiori, obtaining the protonated form of nanometer zeolites having undergone a high ion exchange is therefore particularly delicate.

The present invention makes it possible to obtain the protonated form of an FAU type Y zeolite whose crystals have dimensions of less than 100 nanometers and which is synthesized in the absence of a structuring organic agent. An advantage of the preparation process according to the invention is that it makes it possible to obtain such a nanometric Y zeolite of structural type FAU in the protonated form with a very good crystallinity with respect to the nanoscale zeolites synthesized according to the prior art. Summary of the invention

The present invention relates to a method for preparing the protonated form of a nanoscale Y zeolite synthesized in the absence of organic structuring agent and having an average crystal size of less than 100 nm, said method comprising at least the following steps i) at least one ion exchange step of a nanoscale Y zeolite synthesized in the absence of a structuring organic agent in the sodium form by suspending said zeolite in an aqueous solution containing at least one compound which can be releasing an ammonium cation selected from ammonium nitrate, ammonium chloride, ammonium sulfate, ammonium phosphate, ammonium acetate and ammonium oxalate alone or as a mixture, said solution aqueous composition having a concentration of between 0.01 and 5 mol / L, preferably between 0.05 and 3 mol / L, very preferably between 0.3 and 2 mol / L, and more preferably between 0.5 and 1 mol / L, to obtain a zeolite in ammonium form, ii) a thermal treatment step of the zeolite in ammonium form obtained at the end of step (i), said step being carried out under air or in an inert atmosphere, with a temperature rise between 0.01 and 10 ° C / minute, preferably between 0.02 and 5 ° C / minute, preferably between 0.03 and 3 ° C / minute and very preferably between 0.5 and 1 ° C / minute to temperatures between 180 and 350 ° C, preferably between 200 and 300 ° C, very preferably between 200 and 250 ° C and more preferably between 230 and 250 ° C, followed by a bearing of a duration between 30 minutes and 10 hours, preferably between 1 hour and 5 hours and very preferably between 1 hour 30 minutes and 2 hours, to obtain said protonated form of the nanoscale Y zeolite synthesized in 1 absence of organic structuring agent.

An advantage of the present invention is therefore to provide a method for obtaining the protonated form of a nanoscale Y zeolite synthesized in the absence of structuring organic agent having a very good crystallinity and having an average crystal size of less than 100 nm, thanks to the implementation of a moderate heat treatment.

It should be noted that when the heat treatment of the material in ammonium form obtained at the end of step (i) is carried out at temperatures higher than 350 ° C., a significant drop in the crystallinity is observed.

Description of the invention

The nanoscale zeolite Y starting in sodium form can be any zeolite Y of nanometric dimensions synthesized in the absence of organic structuring agent.

For example, the nanoscale Y zeolite in its starting sodium form may be synthesized according to a preparation method comprising the following steps: a) the mixing, in an aqueous medium, of at least one AO2 source of at least one tetravalent element A selected from silicon, germanium, titanium alone or as a mixture of at least one source BOb of at least one trivalent element B selected from aluminum, boron, iron, indium, gallium, alone or in admixture, at least one C2 / mO source of an alkali or alkaline earth metal C selected from lithium, sodium, potassium, calcium, magnesium alone or as a mixture, said C2 / mO source of alkali or alkaline earth metal C also comprising at least one source of hydroxide ions to obtain a gel, the reaction mixture of step a) being carried out in the absence of organic structurant and having the following molar composition:

## STR2 ## where A is preferably silicon, B being preferably aluminum, C being preferably sodium, V being between 1 and 40, preferably between 1 and 40, preferably between 1 and 40, preferably between 1 and 40, preferably between 1 and 40, preferably between 1 and 40; And most preferably between 15 and 20, w being between 0.1 and 5, preferably between 0.2 and 1.5 - x being between 1 and 40, preferably between 1 and 20 - y being between 30 and 1000, preferably between 100 and 400 - b being between 1 and 3, b being an integer or rational number - m being equal to 1 or 2, b) the maturation of the gel obtained at the end of step (i) at a temperature between -15 and 60 ° C, preferably between 0 and 50 ° C, and very preferably between 20 and 40 ° C, with or without agitation, for a period of time between hours and 60 days, preferably between 10 hours and 30 days, very preferably between 1 day and 30 days, and even more preferably between 1 day and 20 days, c) after at least 10 hours and less than 15 days of maturing and preferably after at least 12 hours and less than 7 days, preferably after at least 12 hours and less than 3 days, very preferably after at least 12 hours and less than 48 hours and even more preferably after at least 24 hours and less than 48 hours, the single or repeated addition of at least one AO2 source of at least one tetravalent element A selected from silicon, germanium, titanium, alone or as a mixture in said gel, A being preferably silicon, the molar composition of the gel after the addition being the following:

v AO2: w BOb: x C2 / mO: y H2O - v being between 5 and 50, preferably between 10 and 35 and very preferably between 20 and 30, w being between 0.1 and 5, preferably between 0.2 and 1.5 - x being between 1 and 40, preferably between 1 and 20 - y being between 200 and 1000, preferably between 200 and 500 - b being between 1 and 3, b being an integer or rational number - m being equal to 1 or 2, d) the hydrothermal treatment of the gel obtained at the end of step c) at a temperature of between 20 and 200 ° C., preferably between 40 and 140 ° C. C, preferably between 50 and 100 ° C, and very preferably between 60 and 80 ° C, under autogenous reaction pressure, for a period of between 1 hour and 14 days, preferably between 6 hours and 7 days, preferably between 10 hours and 3 days and very preferably between 16 hours and 24 hours, to obtain the crystallization of said zeo Nanoscale lithe Y having a crystal size of less than 100 nm, preferably less than 60 nm and preferably less than 50 nm and an A / B ratio and preferably Si / Al greater than 2, preferably greater than 2.3 preferably more than 2.5 and most preferably greater than 2.6. The size of the crystals of the zeolite obtained is measured on one or more transmission electron micrographs; this is the maximum size observed on the snapshots.

The structure of said starting Y zeolite in sodium form is identified by X-ray diffractometry, in the diffraction angle range 2Θ = 5 ° at 40 ° ± 0.02 °, in reflection geometry. The X-ray source is a copper anticathode energized at 40 kV and 40 mA, providing a Cu-Ka1 monochromatic radiation (λ = 1.5406 Å). Said zeolite Y of structural type FAU obtained by the process according to the invention advantageously has an X-ray diffraction pattern including at least the lines listed in the table corresponding to the X-ray diffraction pattern of the zeolite below:

Inter-Responsive Distance (A) Intensity (%) ______________ 14,11__E _______________ 8,68__f __________ _______________ 7,40__f __________ _______________ 5.63__m _______________________ 4.72__f __________ _____________ 4.35__mf ________ _______________ 3.87__f __________ ______________ 3.75__FF ______________ 3.44__ff __________ _____________ 3.29__F ________ _____________ 3.01__mf ________ ____________ 2.89__m _______________________ 2.85__FF _______ _____________2, 75 _______________________________________ 2.62__f __________ _______________ 2.37__f __________ _______________ 2.18__f __________ ________________ 2.09 ________________ ff__________ FF = very strong; F = strong; m = average; mf = weak medium; f = weak; ff = very weak The relative intensity I / IO is given in relation to a relative intensity scale where it is assigned a value of 100 to the most intense line of the X-ray diffraction pattern: ff <15; 15 <f <30; 30 <mf <50; 50 <m <65; 65 <F <85;FF> 85.

According to the invention, the sodium form of a nanoscale Y zeolite synthesized in the absence of organic structuring agent is subjected to at least one ion exchange step by suspension in step (i) of said zeolite in an aqueous solution containing at least one compound capable of releasing an ammonium cation selected from ammonium nitrate, ammonium chloride, ammonium sulfate, ammonium phosphate, ammonium acetate and oxalate ammonium alone or as a mixture, said aqueous solution having a concentration of between 0.01 and 5 mol / L, preferably between 0.05 and 3 mol / L, very preferably between 0.3 and 2 mol / L , and more preferably between 0.5 and 1mol / L, to obtain a zeolite in ammonium form.

In a preferred embodiment, the compound capable of releasing an ammonium cation is ammonium nitrate. In another preferred embodiment, the compound capable of releasing an ammonium cation is ammonium chloride.

Preferably, said ion exchange step i) is carried out at a temperature between -15 and 150 ° C, preferably between 0 and 100 ° C and very preferably between 50 and 80 ° C, with or without agitation for a period of between 1 minute and 24 hours, preferably between 5 minutes and 15 hours, very preferably between 10 minutes and 8 hours, and even more preferably between 30 minutes and 2 hours.

Preferably, the exchange number is between 1 and 10, preferably between 2 and 10, very preferably between 2 and 8, and more preferably between 3 and 6.

After each ion exchange reaction necessary for the formation of the ammonium form of the nanometric zeolite Y, said zeolite is advantageously centrifuged and washed. After the last exchange reaction, the ammonium form of zeolite Y is centrifuged, washed and dried. The drying is preferably carried out at a temperature between 20 and 150 ° C, preferably between 70 and 120 ° C for a period of between 5 and 20 hours.

According to step (ii) of the process according to the invention, the zeolite in ammonium form obtained at the end of step (i), optionally centrifuged, washed and dried, is subjected to a heat treatment, carried out under air or under an inert atmosphere, with a temperature rise of between 0.01 and 10 ° C / minute, preferably between 0.02 and 5 ° C / minute, preferably between 0.03 and 3 ° C / minute, and very preferably between 0.5 and 1 ° C / minute up to temperatures between 180 and 350 ° C, preferably between 200 and 300 ° C, very preferably between 200 and 250 ° C and more preferably preferably between 230 and 250 ° C, followed by a step of between 30 minutes and 10 hours, preferably between 1 hour and 5 hours and very preferably between 1 hour 30 minutes and 2 hours, to obtain said protonated form of the nanoscale Y zeolite synthesized in the absence of agent o structuring organism.

The protonated form of the nanoscale Y zeolite is generally analyzed by X-ray diffraction, this technique also making it possible to determine the purity and crystallinity of said zeolite obtained by the process of the invention. Very advantageously, the process of the invention leads to the formation of the protonated form of a nanometric Y zeolite of pure FAU structural type, in the absence of amorphous phase. Said nanometric zeolite of structural type FAU in protonated form obtained by the process according to the invention advantageously has an X-ray diffraction pattern including at least the lines listed in the table corresponding to the X-ray diffraction pattern of the zeolite below. below:

FF = very strong; F = strong; m = average; mf = weak medium; f = weak; ff = very weak

On the other hand, the acidity of said protonated form of the nanoscale Y zeolite is commonly measured by NH3-TPD or by adsorption of pyridine.

The zeolite obtained by the process of the invention can be used as an acid solid for catalysis, that is to say as a catalyst in the fields of refining and petrochemistry. It can be associated with an inorganic matrix, which can be inert or catalytically active, and with a metallic phase. The inorganic matrix may be present merely as a binder to hold together the small zeolite particles in the various known forms of the catalysts (extrudates, pellets, beads, powders), or may be added as a diluent to dictate the degree of conversion in a process which would progress if not at a rate too fast leading to fouling of the catalyst as a result of a significant formation of coke. Typical inorganic matrices are in particular support materials for catalysts such as silica, the various forms of alumina, magnesia, zirconia, oxides of titanium, boron, zirconium, aluminum phosphates, titanium, kaolinic clays, bentonites, montmorillonites, sepiolite, attapulgite, fuller's earth, synthetic porous materials such as SiO2-Al2O3, SiO2-ZrO2, SiO2-ThO2, SiO2-BeO, SiO2-TiO2 or any combination of these compounds. The inorganic matrix may be a mixture of different compounds, in particular an inert phase and an active phase.

The metal phase is introduced on the zeolite alone, the inorganic matrix alone or the inorganic-zeolite matrix assembly by ion exchange or impregnation with cations or oxides chosen from the following elements; Cu, Ag, Ga, Mg, Ca, Sr, Zn, Cd, B, Al, Sn, Pb, V, P, Sb, Cr, Mo, W, Mn, Re, Fe, Co, Ni, Pt, Pd, Ru, Rh, Os, Ir and any other element of the periodic table of elements.

The metals can be introduced either all in the same way, or by different techniques, at any time of the preparation, before or after shaping and in any order. In addition, intermediate treatments such as for example calcination and / or reduction can be applied between the deposits of different metals.

The catalytic compositions comprising the protonated form of the nanoscale Y zeolite prepared according to the method of the invention are generally suitable for carrying out the main processes of organic compounds such as ethers.

Any shaping method known to those skilled in the art is suitable for the catalyst comprising the protonated form of nanoscale Y zeolite. It is possible to use, for example, pelletizing or extruding or forming beads. The shaping of the catalyst containing the zeolite prepared by the process of the invention and at least partly in acid form is generally such that the catalyst is preferably in the form of extrudates or beads for use.

Description of figures

FIGS. 1, 3 and 5 compare the X-ray diffractograms of nanometric Y zeolites in sodium form (bottom in the figure) and in protonated form (top in the figure) respectively obtained in Examples 2, 3 and 4 in FIG. diffraction angle range 2Θ = 5 ° to 50 °.

Figures 2, 4 and 6 show the isosphere adsorption-desorption of zeolite Y zeolites in protonated form respectively obtained in Examples 2, 3 and 4.

FIG. 7 represents the X-ray diffractogram of the protonated form of a nanometric Y zeolite obtained in Example 5, in the diffraction angle range 2Θ = 5 ° at 50 °.

Examples:

EXAMPLE 1 Preparation of the Nanoscale Y-zeolite in sodium form and with an Si / Al ratio of 2.3.

A nanometric Y zeolite of structural type FAU containing the elements Si and Al, with an Si / Al molar ratio equal to 2.3, is synthesized in the absence of an organic structuring agent according to a mode of preparation in which a source of aluminum ( sodium aluminate, Sigma Aldrich, 53% Al2O3, 43% Na2O, 4% H2O) and a mineralizing agent (sodium hydroxide, Carlo Erba, 99%) are dissolved in deionized water, with stirring. A source of silicon (Ludox AS-40, 40%, Sigma Aldrich) is then added dropwise, in order to obtain a reaction mixture whose molar composition is SiO 2: 1 Al 2 O 3: 17 Na 2 O: 360H 2 O. The gel thus formed is stirred at room temperature. After 1 day of maturation, a new silicon source (Aerosil 130V, Evonik,> 99.8%) is added. After this silicon source addition, the gel thus formed has the following composition: SiO 2: Al 2 O 3: Na 2 O: 360H 2 O. The reaction mixture is stirred for a further 6 days at room temperature and is transferred to a polypropylene bottle. This vial is placed in an oven at 70 ° C for 16 hours under autogenous pressure and without addition of gas. After cooling the flask to room temperature, the product is washed by centrifugation, before being dried in an oven overnight at 100 ° C.

Example 2 Preparation of zeolite Y nanocrystals in the protonated form of Si / Al ratio equal to 2.3 according to a process according to the invention.

A mass of 0.5 g of nanometric zeolite Y in the sodium form prepared according to Example 1 is incorporated in 12.5 ml of a 1 mol / l solution of ammonium chloride. The ammonium form of this nanoscale Y zeolite of dehydrated idealized formula (NH4) 44Na14 [Al58Si134O384] was obtained by carrying out three exchanges at 50 ° C. for 2 hours with slow stirring (200 rpm). After each exchange, the product is washed with deionized water four times by centrifugation at a speed of 10,000 rpm for 5 minutes. This is then dried overnight in an oven at 100 ° C. Calcination in air in a muffle furnace, with a rise in temperature of 0.5 ° C. per minute up to 240 ° C., followed by a step of 1 hour 30 minutes, makes it possible to obtain a nanometric zeolite Y in crystallized protonated form, the dehydrated mesh formula determined by elemental analysis is H44Nai4 [AI58Sii34O384].

In FIG. 1, the X-ray diffractograms correspond to zeolite Y in sodium form (bottom) and in protonated form (top), they are indexable in the cubic system of the zeolite of structural type FAU. Moreover, the microporous volume of 0.23 cm 3 / g deduced from the isotherm of adsorption-desorption of nitrogen represented in FIG. 2, makes it possible to confirm the maintenance of the structure and the porosity of the nanoscale Y zeolite under protonated form.

Example 3 Preparation of zeolite Y nanocrystals in the protonated form of Si / Al ratio equal to 2.3 according to a process according to the invention under exchange conditions different from Example 2.

A mass of 0.5 g of nanometric zeolite Y in sodium form prepared according to Example 1 is incorporated in 12.5 ml of a 1 mol / l solution of ammonium chloride. The ammonium form of this nanoscale Y zeolite of dehydrated idealized formula (NH4) 48Na10 [Al58Si134O384] was obtained by carrying out six exchanges at 80 ° C. for 30 minutes with slow stirring (200 rpm). After each exchange, the product is washed with deionized water four times by centrifugation at a speed of 10,000 rpm for 5 minutes. This is then dried overnight in an oven at 100 ° C. Calcination in air in a muffle furnace, with a rise in temperature of 0.5 ° C. per minute up to 240 ° C., followed by a step of 1 hour 30 minutes, makes it possible to obtain a nanometric zeolite Y in crystallized protonated form, the dehydrated mesh formula determined by elemental analysis is H48Na10 [AI58Si134O384].

In FIG. 3, the X-ray diffractograms correspond to zeolite Y in sodium form (low) and in protonated form (high), they are indexable in the cubic system of the zeolite of structural type FAU. Moreover, the microporous volume of 0.22 cm 3 / g deduced from the nitrogen adsorption-desorption isotherm shown in FIG. 4 confirms the maintenance of the structure and the porosity of the nanoscale Y zeolite under protonated form.

EXAMPLE 4 Preparation of nanocrystals of zeolite Y in protonated form not in accordance with the invention

The nanometric Y zeolite in ammonium form was prepared according to the protocol described in Example 2, except that the calcination was carried out in air, in a muffle furnace, with a temperature rise of 1 ° C. per minute up to 450 ° C followed by a stop of 10 hours.

In FIG. 5, the X-ray diffractograms correspond to zeolite Y in sodium form (bottom) and in protonated form (top), they are indexable in the cubic system of the zeolite of structural type FAU. According to these diffractograms, the structure of zeolite Y in protonated form is slightly affected by the heat treatment. However, the microporous volume of 0.17 cm 3 / g deduced from the isotherm of adsorption-desorption of nitrous represented in FIG. 6, makes it possible to confirm that this heat treatment generates an amorphization of the material and a strong decrease of the porosity nanoscale Y zeolite in protonated form.

Example 5: Not in accordance with the invention

The nanometric Y zeolite in ammonium form was prepared according to the protocol described in Example 3 except that the calcination was carried out under air, in a muffle furnace, with a temperature rise of 1 ° C. per minute up to 560 ° C, followed by a step of 1 hour 30 minutes.

The X-ray diffractogram of the material shown in Figure 7 shows that no crystallized product remains after the heat treatment detailed above. The calcination process described in this example therefore does not make it possible to obtain a nanometric Y zeolite in protonated form with an accessible porosity.

Claims (11)

REVENDICATIONS 1. Procédé de préparation de la forme protonée d’une zéolithe Y nanométrique synthétisée en l’absence d’agent organique structurant et ayant une taille moyenne de cristaux inférieure à 100 nm, ledit procédé comprenant au moins les étapes suivantes : i. au moins une étape d’échange d’ions de ladite zéolithe Y nanométrique synthétisée en l’absence d’agent organique structurant, sous la forme sodium, par mise en suspension de ladite zéolithe dans une solution aqueuse contenant au moins un composé pouvant libérer un cation ammonium choisi parmi le nitrate d’ammonium, le chlorure d’ammonium, le sulfate d’ammonium, le phosphate d'ammonium, l'acétate d'ammonium et l'oxalate d'ammonium seul ou en mélange, ladite solution aqueuse ayant une concentration comprise entre 0,01 et 5 mol/L, pour obtenir une zéolithe sous forme ammonium, ii. une étape de traitement thermique de la zéolithe sous forme ammonium obtenue à l’issue de l’étape (i), ladite étape étant réalisée sous air ou sous atmosphère inerte, avec une montée en température comprise entre 0,01 et 10 °C/minute, jusqu’à des températures comprises entre 180 et 350 °C, suivie d’un palier d’une durée comprise entre 30 minutes et 10 heures, pour obtenir ladite forme protonée de la zéolithe Y nanométrique.A process for preparing the protonated form of a nanoscale Y zeolite synthesized in the absence of organic structuring agent and having an average crystal size of less than 100 nm, said method comprising at least the following steps: i. at least one ion exchange step of said nanoscale Y zeolite synthesized in the absence of structuring organic agent, in the sodium form, by suspending said zeolite in an aqueous solution containing at least one compound capable of releasing a ammonium cation selected from ammonium nitrate, ammonium chloride, ammonium sulfate, ammonium phosphate, ammonium acetate and ammonium oxalate alone or as a mixture, said aqueous solution having a concentration of between 0.01 and 5 mol / L, to obtain a zeolite in ammonium form, ii. a step of thermal treatment of the zeolite in ammonium form obtained at the end of step (i), said step being carried out under air or under an inert atmosphere, with a temperature rise of between 0.01 and 10 ° C / minute, up to temperatures between 180 and 350 ° C, followed by a step of a duration between 30 minutes and 10 hours to obtain said protonated form of nanoscale Y zeolite. 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel la zéolithe Y nanométrique sous sa forme sodium utilisée dans l’étape i) est synthétisée selon un mode de préparation comprenant les étapes suivantes : a) le mélange, en milieu aqueux, d'au moins une source AO2 d'au moins un élément tétravalent A choisi parmi le silicium, le germanium, le titane seul ou en mélange, d’au moins une source BOb d'au moins un élément trivalent B choisi parmi l'aluminium, le bore, le fer, l'indium, le gallium, seul ou en mélange, d'au moins une source C2/mO d'un métal alcalin ou alcalino-terreux C choisi parmi le lithium, le sodium, le potassium, le calcium, le magnésium seul ou en mélange, ladite source C2/mO de métal alcalin ou alcalino-terreux C comportant également au moins une source d’ions hydroxyde pour obtenir un gel, le mélange réactionnel étant réalisé en l’absence de structurant organique et présentant la composition molaire suivante : v A02 : w BOb : x C2/mO : y H2O - v étant compris entre 1 et 40, - w étant compris entre 0,1 et 5, - x étant compris entre 1 et 40, - y étant compris entre 30 et 1000, - b étant compris entre 1 et 3, b étant un nombre entier ou rationnel - m étant égal à 1 ou 2, b) le mûrissement du gel obtenu à l’issue de l’étape (a) à une température comprise entre -15 et 60 °C, avec ou sans agitation, pendant une durée comprise entre 10 heures et 60 jours, c) après au moins 10 heures et moins de 15 jours de mûrissement, l'ajout unique ou répété d'au moins une source AO2 d'au moins un élément tétravalent A choisi parmi le silicium, le germanium, le titane, seul ou en mélange dans ledit gel, A étant de préférence le silicium, la composition molaire du gel à l'issue de l'ajout étant la suivante : v AO2 : w BOb : x C2/mO : y H2O - v étant compris entre 5 et 50, - w étant compris entre 0,1 et 5, - x étant compris entre 1 et 40, - y étant compris entre 200 et 1000, - b étant compris entre 1 et 3, b étant un nombre entier ou rationnel - m étant égal à 1 ou 2, d) le traitement hydrothermal du gel obtenu à l’issue de l’étape c) à une température comprise entre 20 et 200 °C, sous pression de réaction autogène, pendant une durée comprise entre 1 heure et 14 jours, pour obtenir la cristallisation de ladite zéolithe Y nanométrique.2. Process according to claim 1, in which the nanometric zeolite Y in its sodium form used in stage i) is synthesized according to a method of preparation comprising the following steps: a) the mixing, in an aqueous medium, of at least one source AO2 of at least one tetravalent element A chosen from silicon, germanium, titanium alone or as a mixture, of at least one source BOb of at least one trivalent element B chosen from aluminum, boron, iron, indium, gallium, alone or as a mixture, of at least one C2 / mO source of an alkaline or alkaline-earth metal C selected from lithium, sodium, potassium, calcium, magnesium alone or in a mixture, said C2 / mO source of alkali metal or alkaline earth metal C also comprising at least one source of hydroxide ions to obtain a gel, the reaction mixture being produced in the absence of organic structuring agent and having the following molar composition : v A02: w BOb: x C2 / mO: y H2O - v being between 1 and 40, w being between 0.1 and 5, x being between 1 and 40, y being between 30 and 1000, b being between 1 and 3, b being an integer or rational number - m being equal to 1 or 2, b) the maturation of the gel obtained at the end of step (a) at a temperature of between -15 and 60 ° C., with or without stirring, during a duration of between 10 hours and 60 days, c) after at least 10 hours and less than 15 days of maturation, the single or repeated addition of at least one AO2 source of at least one tetravalent element A chosen from silicon , germanium, titanium, alone or as a mixture in said gel, A being preferably silicon, the molar composition of the gel after the addition being the following: v AO2: w BOb: x C2 / mO: y H2O - v being between 5 and 50, w being between 0.1 and 5, x being between 1 and 40, y being between 200 and 1000, b being between 1 and 5; 3, b being an integer or rational number - m being equal to 1 or 2, d) the hydrothermal treatment of the gel obtained at the end of stage c) at a temperature of between 20 and 200 ° C., under a pressure of autogenous reaction, for a period of between 1 hour and 14 days, to obtain the crystallization of said nanoscale Y zeolite. 3. Procédé selon l’une des revendications 1 ou 2 dans lequel le composé pouvant libérer un cation ammonium utilisé dans l’étape i) est le nitrate d’ammonium.3. Method according to one of claims 1 or 2 wherein the compound capable of releasing an ammonium cation used in step i) is ammonium nitrate. 4. Procédé selon l’une des revendications 1 ou 2 dans lequel le composé pouvant libérer un cation ammonium utilisé dans l’étape i) est le chlorure d’ammonium.4. Method according to one of claims 1 or 2 wherein the compound capable of releasing an ammonium cation used in step i) is ammonium chloride. 5. Procédé selon l’une des revendications 1 à 4 dans lequel la solution aqueuse contenant au moins un composé pouvant libérer un cation ammonium utilisée dans l’étape i) a une concentration comprise entre 0,3 et 2 mol/L.5. Method according to one of claims 1 to 4 wherein the aqueous solution containing at least one compound capable of releasing an ammonium cation used in step i) has a concentration of between 0.3 and 2 mol / l. 6. Procédé selon l’une des revendications 1 à 5 dans lequel ladite étape i) d’échange ionique est réalisée à une température comprise entre -15 et 150 °C, avec ou sans agitation pendant une durée comprise entre 1 minute et 24 heures.6. Method according to one of claims 1 to 5 wherein said ion exchange step i) is carried out at a temperature between -15 and 150 ° C, with or without stirring for a period of between 1 minute and 24 hours. . 7. Procédé selon l’une des revendications 1 à 5 dans lequel le nombre d’échange de ladite étape i) est compris entre 1 et 10.7. Method according to one of claims 1 to 5 wherein the exchange number of said step i) is between 1 and 10. 8. Procédé selon la revendication 7 dans lequel le nombre d’échange de ladite étape i) est compris entre 2 et 8.8. The method of claim 7 wherein the exchange number of said step i) is between 2 and 8. 9. Procédé selon l’une des revendications 1 à 8 dans lequel après la dernière réaction d’échange, la forme ammonium de la zéolithe Y obtenu à l’issue de l’étape i) est centrifugée, lavée puis séchée à une température comprise entre 20 et 150 °C, pendant une durée comprise entre 5 et 20 heures.9. Method according to one of claims 1 to 8 wherein after the last exchange reaction, the ammonium form of zeolite Y obtained at the end of step i) is centrifuged, washed and then dried at a temperature of between 20 and 150 ° C for a period of between 5 and 20 hours. 10. Procédé selon l’une des revendications 1 à 8 dans lequel le traitement thermique de l’étape ii) est réalisé avec une montée en température comprise entre 0,02 et 5 °C/minute, jusqu’à des températures comprises entre 200 et 300°C suivie d’un palier d’une durée comprise entre 1 heure et 5 heures.10. Method according to one of claims 1 to 8 wherein the heat treatment of step ii) is carried out with a temperature rise of between 0.02 and 5 ° C / minute, up to temperatures between 200 and 300 ° C followed by a step of between 1 hour and 5 hours. 11. Procédé selon la revendication 10 dans lequel le traitement thermique de l’étape ii) est réalisé avec une montée en température comprise entre 0,5 et 1 °C/minute jusqu’à des températures comprises entre 200 et 250 °C suivie d’un palier d’une durée comprise entre 1 heure 30 minutes et 2 heures.11. The method of claim 10 wherein the heat treatment of step ii) is carried out with a temperature rise of between 0.5 and 1 ° C / minute to temperatures between 200 and 250 ° C followed by a stage lasting between 1 hour 30 minutes and 2 hours.
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