FR3109103A1 - Méthode de synthèse de la zéolithe mordénite (MOR) de haut rapport Si/Al - Google Patents

Méthode de synthèse de la zéolithe mordénite (MOR) de haut rapport Si/Al Download PDF

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Bogdan Harbuzaru
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    • C01B39/265—Mordenite type using at least one organic template directing agent

Abstract

L’invention concerne un procédé de préparation d'une zéolithe de type structural MOR comprenant: i) le mélange en milieu aqueux d’une zéolithe de type structural FAU, du dibromure de 1,6-bis(méthylpiperidinium)hexane, et d’au moins une source d'au moins un métal alcalin et/ou alcalino-terreux M de valence n, avec n supérieur ou égal à 1, jusqu’à l’obtention d’un gel précurseur, le mélange réactionnel présentant les rapports molaires suivants : (SiO2 (FAU))/(Al2O3 (FAU)) compris entre 10 et 90, H2O/(SiO2 (FAU)) compris entre 25 et 45, R/(SiO2 (FAU)) compris entre 0,10 et 0,25, Na2O/(SiO2 (FAU)) compris entre 0,20 et 0,35, dans laquelle SiO2(FAU) désigne la quantité molaire de SiO2 apportée par la zéolithe FAU, Al2O3(FAU) désigne la quantité molaire de Al2O3 apportée par la zéolithe FAU, R désigne la quantité molaire de dibromure de 1,6-bis(méthylpiperidinium)hexane ; ii) le traitement hydrothermal dudit gel précurseur obtenu à l’issue de l’étape i) à une température entre 160°C et 200°C, pendant une durée comprise entre 24 et 48 heures. Figure 3 à publier

Description

Méthode de synthèse de la zéolithe mordénite (MOR) de haut rapport Si/Al
La présente invention se rapporte à un nouveau procédé de préparation d'une zéolithe de type structural MOR. Ce nouveau procédé permet de réaliser la synthèse d'une zéolithe de type structural MOR par conversion/transformation sous conditions hydrothermales d’une zéolithe de type structural FAU. En particulier, ledit nouveau procédé permet de réaliser la synthèse d’une zéolithe de type structural MOR, à partir d’une zéolithe de type structural FAU utilisée comme source de silicium et d’aluminium et, du 1,6-bis(méthylpiperidinium)hexane sous sa forme dibromure. Ladite zéolithe de type structural MOR obtenue selon le procédé de l'invention trouve avantageusement son application en tant que catalyseur, adsorbant ou agent de séparation.
Les matériaux microporeux cristallisés, tels que les zéolithes ou les silicoaluminophosphates, sont des solides très utilisés dans l'industrie pétrolière en tant que catalyseurs, supports de catalyseur, adsorbants ou agents de séparation. Bien que de nombreuses structures cristallines microporeuses aient été découvertes, l'industrie du raffinage et de la pétrochimie est toujours à la recherche de nouvelles structures zéolitiques qui présentent des propriétés particulières pour des applications comme la purification ou la séparation des gaz, la conversion d'espèces carbonées ou autres.
La zéolithe mordénite (de code structural MOR) présente un système bidirectionnel de pores avec deux types de canaux parallèles, un grand de 12 tétraèdres et un elliptique de 8 tétraèdres alignés le long de l’axe cristallographique c. La communication entre ces canaux principaux s'effectue suivant l'axe [010] à travers des cycles à 8 tétraèdres (Meieret al., « The crystal structure of mordenite (ptilolite) », Z.Kristallog., 1961, Vol. 115, N° 5-6, 439-450). La zéolithe mordénite à haute teneur en silice, en particulier avec un ratio silice sur alumine entre 10,8 et 32,2, a été synthétisée en présence du benzene-1,2-diol comme agent chélatant (Shaoet al., « Synthesis of high-silica-content mordenite with different SiO2/Al2O3ratios by using benzene-1,2-diol as additives », Materials Letters, 2002, 56, 1-2, 24-29). L’équipe de Sano a préparé la zéolithe mordénite à haute teneur en silice, en particulier avec un ratio silice sur alumine entre 41,6 et 43,4, en présence d’ions de tétraéthylammonium et d’ions fluorure et en utilisant Al(NO3)3comme source d’aluminium (Luet al., « Effect of Aluminum Source on Hydrothermal Synthesis of High-Silica Mordenite in Fluoride Medium, and It's Thermal Stability », Chemistry of Materials, 2004, 16, 2, 286-291). Sanoet al.ont également préparé la zéolithe mordénite avec un rapport Si/Al de 34 en utilisant l’ion tétraéthylammonium comme structurant, le sel d’ammonium NH4NO3, des germes cristallines de MOR et du NaF (Luet al., « Effect of ammonium salts on hydrothermal synthesis of high-silica mordenite », Microporous and Mesoporous Materials 2005, 81, 1-3, 365-374). Wuet al. proposent de réaliser la synthèse de la zéolithe mordénite à haute teneur en silice, avec un ratio Si/Al de 37,1, en présence de germes cristallins de MOR et en utilisant l’hydroxyde de tétraéthylammonium et la hexaméthylèneimine comme agents structurants (Lvet al., « Hydrothermal synthesis of high-silica mordenite by dual-templating method », Microporous and Mesoporous Materials, 2011, 145, 1-3, 80-86). Le document W0 219222371 décrit la préparation d’une zéolithe mordénite (HOU-4) avec un rapport Si/Al de 9,5, en présence du N,N,-triméthyl-1-1adamantammonium et du 1,2-hexanediol.
Il existe, cependant, toujours un besoin de méthode de préparation d’une zéolithe de type structural MOR de haute pureté et ayant une teneur en silicium élevée.
L’invention concerne un procédé de préparation d'une zéolithe de type structural MOR comprenant:
i) le mélange en milieu aqueux d’une zéolithe de type structural FAU, ayant un ratio molaire SiO2 (FAU)/ Al2O3 (FAU)compris entre 10 et 90, du dibromure de 1,6-bis(méthylpiperidinium)hexane, et d’au moins une source d'au moins un métal alcalin et/ou alcalino-terreux M de valence n, n étant un nombre entier supérieur ou égal à 1, jusqu’à l’obtention d’un gel précurseur, le mélange réactionnel présentant les rapports molaires suivants :
(SiO2 (FAU))/(Al2O3 (FAU)) compris entre 10 et 90,
H2O/(SiO2 (FAU)) compris entre 25 et 45,
R/(SiO2 (FAU)) compris entre 0,10 et 0,25,
M2/nO/(SiO2 (FAU)) compris entre 0,20 et 0,35,
dans laquelle
SiO2 (FAU)désigne la quantité molaire d’élément tétravalent Si, exprimée en oxyde
SiO2, apportée par la zéolithe de type structural FAU,
Al2O3 (FAU)désigne la quantité molaire d’élément trivalent Al, exprimée en oxyde
Al2O3, apportée par la zéolithe de type structural FAU,
H2O désigne la quantité molaire d’eau dans le mélange,
R désigne la quantité molaire dudit dibromure de 1,6-bis(méthylpiperidinium)hexane,
M2/nO désigne la quantité molaire exprimée sous forme oxyde de métal alcalin et/ou de métal alcalino-terreux apporté par ladite source de M ;
ii) le traitement hydrothermal dudit gel précurseur obtenu à l’issue de l’étape i) à une température comprise entre 160°C et 200°C, pendant une durée comprise entre 24 et 48 heures.
Avantageusement, le ratio molaire SiO2/Al2O3de la zéolithe de type structural MOR obtenue est compris entre 10 et 30, de préférence entre 10 et 20.
De préférence, la zéolithe de type structural FAU, incorporée dans le mélange de l’étape i), présente un ratio molaire SiO2 (FAU)/ Al2O3 (FAU)compris entre 15 et 85.
De préférence, le rapport molaire H2O/(SiO2 (FAU)) est compris entre 30 et 40.
De préférence, le rapport molaire R/(SiO2 (FAU)) est compris entre 0,15 et 0,20.
De préférence, le rapport molaire M2/nO/(SiO2 (FAU)) est compris entre 0,25 et 0,30.
De préférence, M est choisi parmi le lithium, le sodium, le potassium, le calcium, le magnésium et leurs mélanges. De manière préférée, M est le sodium.
De préférence, la source d'au moins un métal alcalin et/ou alcalino-terreux M est sous forme hydroxyde, l’hydroxyde de sodium étant préféré.
Dans un mode de réalisation particulier, le mélange réactionnel de l’étape i) peut comprendre au moins une source additionnelle d’un oxyde Al2O3, le mélange présentant avantageusement les rapports molaires suivants :
SiO2 (FAU)/(Al2O3 (FAU)+ Al2O3) compris entre 10 et 90, de préférence entre 15 et 85
H2O/SiO2 (FAU)compris entre 25 et 45, de préférence entre 30 et 40
R/SiO2 (FAU)compris entre 0,10 et 0,25, de préférence entre 0,15 et 0,20
M2/nO/SiO2 (FAU)compris entre 0,20 et 0,35, de préférence entre 0,25 et 0,30
dans laquelle SiO2 (FAU)est la quantité molaire de Si, exprimée en oxyde SiO2, apportée par la zéolithe de type structural de type structural FAU, Al2O3 (FAU)est la quantité molaire de Al, exprimée en oxyde Al2O3, apportée par la zéolithe FAU, Al2O3est la quantité molaire de Al, exprimée en oxyde Al2O3, apportée par source additionnelle d’aluminium, R est la quantité molaire dudit dibromure de 1,6-bis(méthylpiperidinium)hexane, et M2/nO est la quantité molaire d’un ou plusieurs métal(aux) alcalin(s) et/ou alcalino-terreux sous forme d’oxyde.
Avantageusement, le gel précurseur obtenu à l’issue de l’étape i) présente un rapport molaire de la quantité totale de silicium, exprimée en oxyde de silicium SiO2, sur la quantité totale d’aluminium, exprimée en oxydes d’aluminium Al2O3, compris entre 10 et 90, de préférence entre15 et 85.
Des germes cristallins d’une zéolithe de type structural MOR, de préférence ayant un ratio molaire SiO2/Al2O3compris entre 10 et 90, de manière préférée entre 15 et 85, peuvent être ajoutés au mélange réactionnel de l’étape i), de préférence en quantité massique comprise entre 1,0 et 10,0% de la masse totale des sources desdits élément(s) silicium et aluminium sous forme anhydre, exprimée en oxyde de Si et oxyde de Al, présentes dans le mélange réactionnel, lesdits germes cristallins n’étant pas pris en compte dans la masse totale des sources des éléments silicium et aluminium.
Le traitement hydrothermal de l’étape ii) est avantageusement réalisé sous pression autogène à une température comprise entre 160°C et 200°C, de préférence entre 165°C et 190°C, pendant une durée comprise entre 24 et 48 heures, de préférence entre 34 et 40 heures.
La phase solide obtenue à l’issue de l’étape ii) peut être filtrée, lavée, et séchée de préférence à une température comprise entre 20 et 150°C, de manière préférée entre 60 et 100°C, et de préférence pendant une durée comprise entre 5 et 24 heures, pour obtenir une zéolithe séchée.
La zéolithe séchée peut ensuite être calcinée à une température comprise entre 450 et 700°C pendant une durée comprise entre 2 et 20 heures, la calcination étant éventuellement précédée d’une montée en température progressive.
L’invention concerne également une zéolithe de type structural MOR de rapport SiO2/Al2O3compris entre 10 et 30, de préférence entre 10 et 20, obtenue par le procédé de préparation précédemment décrit.
Liste des figures
La Figure 1 représente la formule chimique du composé organique azoté choisi comme structurant et utilisé dans le procédé de synthèse selon l’invention.
La Figure 2 représente le diagramme de diffraction X de la zéolithe MOR obtenue selon l’exemple 1.
La Figure 3 représente un cliché au Microscope Electronique à Balayage (MEB) de la zéolithe MOR obtenue selon l’exemple 1.
La Figure 4 représente le diagramme de diffraction X de la zéolithe MOR obtenue selon l’exemple 2.
D'autres caractéristiques et avantages du procédé de synthèse selon l'invention, apparaîtront à la lecture de la description ci-après et d'exemples de réalisation non limitatifs, en se référant aux figures annexées et décrites ci-après.
La présente invention a pour objet un nouveau procédé de préparation d'une zéolithe de type structural MOR, par conversion/transformation sous conditions hydrothermales d’une zéolithe de type structural FAU, en présence du dibromure de 1,6-bis(méthylpiperidinium)hexane.
Un avantage de la présente invention est donc de fournir un nouveau procédé de préparation permettant la formation d’une zéolithe de type structural MOR de haute pureté et présentant un rapport Si/Al élevé, avantageusement entre 10 et 30, à partir d’une zéolithe de type structural FAU, ledit procédé étant mis en œuvre en présence d’un structurant organique azoté spécifique, le dibromure de 1,6-bis(méthylpiperidinium)hexane.
En particulier, la demanderesse a découvert que le composé organique azoté particulier 1,6-bis(méthylpiperidinium)hexane sous sa forme dibromure, utilisé comme structurant et mis en mélange avec une zéolithe de type structural FAU utilisée comme source de silicium et d’aluminium, en présence ou non d’un apport supplémentaire, au sein dudit mélange, d’au moins une source d’aluminium considérée sous sa forme oxyde Al2O3, conduit à la production d’un gel précurseur d'une zéolithe de type structural MOR et présentant un ratio molaire de la quantité totale de silicium exprimée en oxyde provenant de la zéolithe de type structural FAU (nommée SiO2 (FAU))par rapport à la quantité totale d’aluminium exprimée en oxyde provenant de la zéolithe de type structural FAU (nommée Al2O3 (FAU)) et de l’éventuelle source additionnelle d’un oxyde Al2O3, compris entre 10 et 90, de préférence entre 15 et 85, puis à la production d’une zéolithe de type structural MOR de haute pureté et présentant un rapport Si/Al élevé. Toute autre phase cristallisée ou amorphe est généralement et très préférentiellement absente du solide cristallisé constitué de la zéolithe de type structural MOR obtenue à l'issue du procédé de préparation. Avantageusement, le matériau obtenu selon le procédé de la présente invention est une zéolithe de type structural MOR de pureté supérieure ou égale à 90%, de préférence supérieure ou égale à 95%, préférentiellement supérieure ou égale à 97% et de manière plus préférée encore supérieure ou égale à 99%. La zéolithe de type structural MOR obtenue présente également, avantageusement, une teneur en silicium élevée, de préférence de sorte qu’elle présente un ratio SiO2/Al2O3compris entre 10 et 30.
Dans l’ensemble de la description :
SiO2 (FAU)désigne la quantité molaire de l’élément tétravalent Si, exprimée sous forme oxyde, apportée par la zéolithe de type structural FAU,
Al2O3 (FAU)désigne la quantité molaire de l’élément trivalent Al, exprimée sous forme oxyde, apportée par la zéolithe de type structural FAU,
Al2O3désigne la quantité molaire d’aluminium, exprimée sous forme oxyde, apportée par la source additionnelle d’aluminium éventuelle, hors l’aluminium apporté par la zéolithe de type structural FAU,
H2O la quantité molaire d’eau présente dans le mélange réactionnel,
R la quantité molaire du dibromure de 1,6-bis(méthylpiperidinium)hexane,
M2/nO désigne la quantité molaire exprimée sous forme oxyde de métal alcalin et/ou de métal alcalino-terreux apporté par ladite source de M, qui est avantageusement sous forme hydroxyde.
Selon l’invention, le mélange de l’étape i) est appelé encore mélange réactionnel. Le mélange obtenu à l’issue de l’étape i) est un mélange homogène appelé gel précurseur.
Selon la présente invention, les expressions « compris entre … et … » et « entre …. et … » sont équivalentes et signifient que les valeurs limites de l’intervalle sont incluses dans la gamme de valeurs décrite. Si tel n’était pas le cas et que les valeurs limites n’étaient pas incluses dans la gamme décrite, une telle précision sera apportée par la présente invention.
Dans le sens de la présente invention, les différents plages de paramètres pour une étape donnée telles que les plages de pression et les plages température peuvent être utilisées seules ou en combinaison. Par exemple, dans le sens de la présente invention, une plage de valeurs préférées de pression peut être combinée avec une plage de valeurs de température plus préférées.
Par ailleurs, dans la suite, des modes de réalisation particuliers et/ou préférés de l’invention peuvent être décrits. Ils pourront être mis en œuvre séparément ou combinés entre eux, sans limitation de combinaison lorsque c’est techniquement réalisable.
La présente invention a plus précisément pour objet un nouveau procédé de préparation d'une zéolithe de type structural MOR comprenant, de préférence consistant en, les étapes suivantes :
i) le mélange en milieu aqueux d’une zéolithe de type structural FAU, ayant un ratio molaire SiO2 (FAU)/ Al2O3 (FAU)compris entre 10 et 90, de préférence entre 15 et 85, du dibromure de 1,6-bis(méthylpiperidinium)hexane, avantageusement utilisé comme structurant, et d’au moins une source d'au moins un métal alcalin et/ou alcalino-terreux M de valence n, n étant un nombre entier supérieur ou égal à 1, M étant de préférence choisi parmi le lithium, le sodium, le potassium, le calcium, le magnésium et leurs mélanges, le sodium étant particulièrement préféré, la source de M étant avantageusement sous forme hydroxyde, l’hydroxyde de sodium étant la source de M préférée,
le mélange présentant les rapports molaires suivants :
(SiO2 (FAU))/(Al2O3 (FAU)) compris entre 10 et 90, de préférence entre 15 et 85
H2O/(SiO2 (FAU)) compris entre 25 et 45, de préférence entre 30 et 40
R/(SiO2 (FAU)) compris entre 0,10 et 0,25, de préférence entre 0,15 et 0,20
M2/nO/(SiO2 (FAU)) compris entre 0,20 et 0,35, de préférence entre 0,25 et 0,30
dans laquelle SiO2 (FAU)est la quantité molaire de silicium Si, exprimée en oxyde SiO2, apportée par la zéolithe de type structural FAU, et Al2O3 (FAU)est la quantité molaire d’aluminium Al, exprimée en oxyde Al2O3, apportée par la zéolithe de type structural FAU, H2O la quantité molaire d’eau présente dans le mélange réactionnel, R la quantité molaire dudit dibromure de 1,6-bis(méthylpiperidinium)hexane, M2/nO la quantité molaire exprimée sous forme oxyde de métal alcalin et/ou de métal alcalino-terreux apporté par ladite source de M,
ladite étape i) de mélange étant conduite pendant une durée permettant l’obtention d’un gel précurseur ;
ii) le traitement hydrothermal dudit gel précurseur obtenu à l’issue de l’étape i) à une température comprise entre 160°C et 200°C, de préférence entre 165°C et 190°C, pendant une durée comprise entre 24 et 48 heures, de préférence entre 34 et 40 heures.
Dans un mode de réalisation particulier de l’invention, le mélange réactionnel de l’étape i) comprend également au moins une source additionnelle d’un oxyde Al2O3, le mélange présentant alors avantageusement les rapports molaires suivants :
SiO2 (FAU)/(Al2O3 (FAU)+ Al2O3) compris entre 10 et 90, de préférence entre 15 et 85
H2O/SiO2 (FAU)compris entre 25 et 45, de préférence entre 30 et 40
R/SiO2 (FAU)compris entre 0,10 et 0,25, de préférence entre 0,15 et 0,20
M2/nO /SiO2 (FAU)compris entre 0,20 et 0,35, de préférence entre 0,25 et 0,30,
dans laquelle SiO2 (FAU)est la quantité molaire de Si, exprimée en oxyde SiO2, apportée par la zéolithe de type structural FAU, Al2O3 (FAU)est la quantité molaire de Al, exprimée en oxyde Al2O3, apportée par la zéolithe de type structural FAU, Al2O3est la quantité molaire de Al, exprimée en oxyde Al2O3, apportée par source additionnelle d’aluminium, R est la quantité molaire dudit dibromure de 1,6-bis(méthylpiperidinium)hexane, et M2/nO est la quantité molaire d’un ou plusieurs métal(aux) alcalin(s) et/ou alcalino-terreux sous forme d’oxyde, ledit(lesdits) métal(aux) alcalin(s) et/ou alcalino-terreux étant de préférence choisi(s) parmi le lithium, le sodium, le potassium, le calcium, le magnésium et leurs mélanges, de manière très préférée M est le sodium.
Dans ce mode de réalisation particulier, le gel précurseur obtenu à l’issue de l’étape i) présente avantageusement un rapport molaire de la quantité molaire totale de silicium, exprimée en oxyde SiO2, par rapport la quantité molaire totale d’aluminium, exprimée en oxyde Al2O3, compris entre 10 et 90, de préférence entre 15 et 85.
Le procédé de préparation selon l’invention permet ainsi d’ajuster le rapport (ou ratio) molaire SiO2/Al2O3du gel précurseur contenant une zéolithe de type structural FAU en fonction du ratio SiO2/Al2O3de la zéolithe de type structural FAU utilisée et de l’apport supplémentaire éventuel en au moins une source d'aluminium, au sein du mélange de l’étape i).
L’étape i) permet l’obtention d’un gel précurseur.
La zéolithe de type structural FAU, appelée encore zéolithe FAU, de départ ayant un ratio molaire SiO2/Al2O3compris entre 10 et 90, de préférence entre 15 et 85, est incorporée dans le mélange réactionnel pour la mise en œuvre de l’étape (i) comme source d’élément silicium et aluminium. Ladite zéolithe de type structural FAU peut être obtenue par n’importe quelle méthode connue de l’homme du métier et peut être utilisée dans sa forme sodique ou tout autre forme. Un échange partiel ou total des cations sodium de ladite zéolithe de type structural FAU de départ par d’autres cations alcalins ou alcalino-terreux suivie ou non d’une étape de calcination peut être réalisé préalablement à l’étape de mélange i). Parmi les sources de zéolithe de type FAU avec un rapport SiO2/Al2O3compris entre 10 et 90, de préférence entre 15 et 85, les zéolithes commerciales CBV712, CBV720, CBV760, CBV780 ou CBV901 produites par Zeolyst, peuvent être utilisées. Toute autre zéolithe de type structural FAU, avantageusement obtenue par des techniques bien connues de l’homme du métier, peut être utilisée comme source de zéolithe FAU dans la synthèse de la zéolithe de type structural MOR selon le procédé de la présente invention.
Conformément à l'invention, le dibromure de 1,6-bis(méthylpiperidinium)hexane, qui est un composé organique azoté comportant deux fonctions ammonium quaternaire, estincorporé dans le mélange réactionnel comme structurant organique ou structurant spécifique.
Conformément à l'invention, au moins une source d'au moins un métal alcalin et/ou alcalino-terreux M de valence n, avantageusement sous forme hydroxyde, est mise en œuvre dans le mélange de l’étape i), n étant un nombre entier supérieur ou égal à 1, M étant de préférence choisi parmi le lithium, le potassium, le sodium, le magnésium et le calcium et le mélange d'au moins deux de ces métaux. De manière très préférée, M est le sodium.
De préférence, la source d'au moins un métal alcalin et/ou alcalino-terreux M est l’hydroxyde de sodium.
Dans le mode de réalisation particulier dans lequel au moins une source additionnelle d’aluminium est ajoutée dans le mélange de l’étape i), ladite(ou lesdites) sources d’aluminium peu(ven)t être l'une(s) quelconque(s) des sources d’aluminium couramment utilisée(s) pour la synthèse de zéolithes. De préférence, la source additionnelle d'aluminium est l’hydroxyde d'aluminium, un sel d'aluminium, par exemple du chlorure, du nitrate ou du sulfate, ou un aluminate de sodium, un alkoxyde d'aluminium, ou encore de l'alumine proprement dite, de préférence sous forme hydratée ou hydratable, comme par exemple de l'alumine colloïdale, de la pseudoboehmite, de l'alumine gamma ou du trihydrate alpha ou bêta, ou leurs mélanges.
L'étape (i) du procédé selon l'invention consiste à préparer un mélange en milieu aqueux contenant une zéolithe de type structural FAU, présentant un ratio molaire SiO2(FAU)/Al2O3(FAU)compris entre 10 et 90, éventuellement une source d’un oxyde Al2O3, en présence d’un composé organique azoté spécifique, le dibromure de 1,6-bis(méthylpiperidinium)hexane, et d’au moins une source d'un ou plusieurs métal(aux) alcalin(s) et/ou alcalino-terreux, pour obtenir un gel précurseur d’une zéolithe de type structural MOR.
Les quantités desdits réactifs sont ajustées comme indiqué plus haut, de manière à conférer à ce gel une composition permettant la cristallisation d’une zéolithe de type structural MOR. En particulier, les quantités en ledit composé organique azoté, en ladite source de métal alcalin et/ou alcalino-terreux et en l’éventuelle source additionnelle d’aluminium, introduits dans le mélange de l’étape i), sont ajustées de sorte que le mélange présente les rapports molaires suivants :
SiO2(FAU)/(Al2O3(FAU)+ Al2O3) compris entre 10 et 90, de préférence entre 15 et 85
H2O/SiO2 (FAU)compris entre 25 et 45, de préférence entre 30 et 40
R/SiO2(FAU)compris entre 0,10 et 0,25, de préférence entre 0,15 et 0,20
M2/nO/SiO2(FAU)compris entre 0,20 et 0,35, de préférence entre 0,25 et 0,30.
Il peut être avantageux d'ajouter des germes cristallins d’une zéolithe de type structural MOR au mélange réactionnel de l’étape i) du procédé de l'invention afin de réduire le temps nécessaire à la formation des cristaux d’une zéolithe de type structural MOR et/ou la durée totale de cristallisation. Lesdits germes cristallins favorisent également la formation de ladite zéolithe de type structural MOR au détriment d'impuretés. De tels germes cristallins comprennent des cristaux d’une zéolithe de type structural MOR, ayant de préférence un ratio molaire SiO2/Al2O3compris entre 10 et 30, de préférence entre 10 et 20. Lorsque des germes cristallins sont ajoutés au mélange de l’étape i), la quantité massique de germes cristallins ajoutés est de préférence comprise entre 1,0 et 10,0% de la masse totale des sources desdits élément silicium et aluminium, sous forme anhydre, présentes dans le mélange réactionnel, lesdits germes cristallins n’étant pas pris en compte dans la masse totale des sources des éléments silicium et aluminium. Lesdits germes ne sont pas non plus pris en compte pour déterminer la composition du mélange de l’étape i) et/ou du gel, définie plus avant, c’est-à-dire dans la détermination des différents rapports molaires de la composition du mélange de l’étape i).
L’étape i) de mélange est mise en œuvre jusqu’à obtention d’un mélange homogène (ou gel précurseur), de préférence pendant une durée supérieure ou égale à 20 minutes, par exemple 30 minutes, de préférence sous agitation par tout système connu de l’homme du métier, à faible ou fort taux de cisaillement.
A l’issue de l’étape i), un gel précurseur, homogène, est obtenu.
Il peut être avantageux de mettre en œuvre un mûrissement du mélange réactionnel avant la cristallisation hydrothermale, au cours de ladite étape i) du procédé de l'invention, afin de mieux contrôler la taille des cristaux de zéolithe de type structural MOR obtenus après cristallisation lors de l’étape ii). Ledit mûrissement favorise également la formation de ladite zéolithe de type structural MOR au détriment d'impuretés. Le mûrissement du mélange réactionnel au cours de ladite étape i) du procédé de l'invention peut être réalisé à température ambiante, c’est-à-dire 20°C, ou à une température comprise entre 20 et 100°C avec ou sans agitation, pendant une durée avantageusement comprise entre 15 minutes et 48 heures.
Conformément à l’invention, l’étape ii) comprend un traitement hydrothermal du gel précurseur obtenu à l’issue de l’étape i), pour former ladite zéolithe de type structural MOR.
Selon l'étape (ii) du procédé selon l'invention, le gel précurseur obtenu à l’issue de l’étape i) est soumis à un traitement hydrothermal, préférentiellement réalisé à une température comprise entre 160°C et 200°C, de préférence entre 165°C et 190°C, pendant une durée comprise entre 24 et 48 heures, de préférence entre 34 et 40 heures, jusqu'à ce que ladite zéolithe de type structural MOR cristallise.
Le gel précurseur est avantageusement mis sous conditions hydrothermales sous une pression de réaction autogène, jusqu'à la cristallisation complète d’une zéolithe de type structural MOR. Du gaz, par exemple de l'azote, peut éventuellement être ajouté dans le réacteur.
L’étape ii) s'effectue généralement sous agitation ou en absence d'agitation, de préférence sous agitation. Tout système connu par l’homme de métier peut être utilisé comme système d’agitation, par exemple, des pales inclinées avec des contrepales, des turbines d’agitation, des vis d’Archimède, agitation type tourne-broche.
A l’issue de l’étape ii) du procédé de préparation selon l'invention, la phase solide obtenue, avantageusement formée d’une zéolithe de type structural MOR, est de préférence filtrée, lavée puis séchée. Le séchage est généralement réalisé à une température comprise entre 20 et 150°C, de préférence entre 60 et 100°C, pendant une durée comprise entre 5 et 24 heures. Une zéolithe séchée est alors obtenue.
Après l'étape de séchage, le matériau cristallisé, avantageusement composé de la zéolithe de type structural MOR, est prêt pour des étapes ultérieures telles que la calcination et/ou l'échange d'ions. Pour ces étapes, toutes les méthodes conventionnelles connues de l'homme du métier peuvent être employées.
La zéolithe séchée peut ensuite être avantageusement calcinée, de préférence à une température comprise entre 450 et 700°C pendant une durée comprise entre 2 et 20 heures, la calcination pouvant être précédée d’une montée en température progressive.
La zéolithe de type structural MOR obtenue à l'issue de l'étape de calcination est dépourvue de toute espèce organique et en particulier du structurant organique R. La zéolithe de type structural MOR, calcinée, est généralement analysée par diffraction des rayons X.
La perte au feu (PAF) de ladite zéolithe de type structural MOR obtenue après séchage et avant calcination est généralement comprise entre 8 et 15% poids. Selon l’invention, on entend par perte au feu (PAF) le pourcentage de perte de masse subie par un composé solide, un mélange de composés solides ou une pâte, de préférence dans le cas de la présente invention par ladite zéolithe MOR préparée, lors d’un traitement thermique à 1000°C pendant 2 heures, dans un four statique (type four à moufle), par rapport à la masse du composé solide, du mélange de composés solides ou de la pâte initial(e), de préférence dans le cas de la présente invention par rapport à la masse de zéolithe de type structural MOR séchée testée. La perte au feu correspond en général à la perte de solvant (tel que l’eau) contenu dans les solides, mais aussi à l’élimination de composés organiques contenus dans les constituants solides minéraux.
A l'issue de ladite étape de calcination, la diffraction des rayons X permet de vérifier que le solide obtenu par le procédé selon l’invention est bien une zéolithe de type structural MOR par comparaison avec une base de données tels la PDF4+ de ICDD (International Center for Diffraction Data). Cette technique permet également de déterminer la pureté de ladite zéolithe obtenue par le procédé de l'invention. De manière très avantageuse, le procédé de l'invention conduit à la formation d'une zéolithe de type structural MOR, exempte de toute autre phase cristallisée ou amorphe. La zéolithe MOR obtenue présente une pureté supérieure à 90%, d’une manière préférée supérieure à 95%, de manière très préférée supérieure à 97% et d’une manière encore plus préférée supérieure à 99%. Ainsi, le diagramme de diffraction des rayons X ne contient de préférence pas d’autres raies d’intensité significative (c’est-à-dire d’intensité supérieure à environ trois fois le bruit de fond).
Le diagramme de diffraction des rayons X est obtenu par analyse radiocristallographique au moyen d’un diffractomètre en utilisant la méthode classique des poudres avec le rayonnement Kα1du cuivre (λ = 1,5406Å). A partir de la position des pics de diffraction représentée par l’angle 2θ, on calcule, par la relation de Bragg, les équidistances réticulaires dhklcaractéristiques de l’échantillon. L’erreur de mesure Δ(dhkl) sur dhklest calculée grâce à la relation de Bragg en fonction de l’erreur absolue Δ(2θ) affectée à la mesure de 2θ. Une erreur absolue Δ(2θ) égale à ± 0,02° est communément admise. L’intensité relative Irelaffectée à chaque valeur de dhklest mesurée d’après la hauteur du pic de diffraction correspondant.
Une autre caractéristique des matériaux zéolithiques est la présence d’un volume microporeux qui peut être calculée par la méthode du t-plot à partir de l’isotherme d’adsorption d’azote à la température de 77 Kelvin (77K), après dégazage sous vide (P < 6,7.10-4Pa), à une température comprise entre 200°C et 650°C pendant une durée allant de 9 heures à 16 heures, de préférence à 400°C pendant 10 heures, de la zéolithe calcinée. La mesure de l’isotherme d’adsorption d’azote à 77 Kelvin (77K) est ensuite effectuée sur un appareil de type ASAP 2020 M de Micromeritics, en prenant au moins 35 points de mesure à des pressions relatives de rapport P/P0 compris entre 0,002 et 1.
Le volume microporeux est déterminé à partir de l’isotherme obtenue, par la méthode du t-plot en appliquant la norme ISO 15901-3:2007 et en calculant l’épaisseur statistique t par l’équation de Harkins-Jura. Le volume microporeux est obtenu par régression linéaire sur les points du t-plot compris entre 0,45 et 0,57 nm, respectivement à partir de l’ordonnée à l’origine et de la pente de la régression linéaire. Le volume microporeux évalué s’exprime en cm3 d’adsorbat liquide par gramme d’adsorbant anhydre.
Très avantageusement, la zéolithe de type structural MOR, obtenue selon le procédé de la présente invention, présente un volume microporeux entre 0,15 et 0,22 cm3/g.
Le solide obtenu par le procédé selon la présente invention, composé avantageusement de zéolithe de type structural MOR, peut également être analysé par spectrométrie de fluorescence des rayons X (FX), pour déterminer en particulier les teneurs en élément silicium et en élément aluminium du solide obtenu et le rapport SiO2/Al2O3. La spectrométrie de fluorescence des rayons X (FX) est une technique d'analyse chimique utilisant une propriété physique de la matière, la fluorescence de rayons X. Elle permet l’analyse de la majorité des éléments chimiques à partir du Béryllium (Be) dans des gammes de concentration allant de quelques ppm à 100%, avec des résultats précis et reproductibles. On utilise les rayons X pour exciter les atomes qui sont dans l'échantillon, ce qui leur fait émettre des rayons X à énergie caractéristique de chaque élément présent. L'intensité et l'énergie de ces rayons X sont ensuite mesurées pour déterminer la concentration des éléments dans le matériau.
Il est également avantageux d'obtenir la forme protonée de la zéolithe de type structural MOR obtenue par le procédé selon l'invention. Ladite forme protonée peut être obtenue en effectuant un échange d'ions avec un acide, en particulier un acide minéral fort comme l'acide chlorhydrique, sulfurique ou nitrique, ou avec un composé tel que le chlorure, le sulfate ou le nitrate d'ammonium. L’échange d’ions peut être effectué par mise en suspension de ladite zéolithe de type structural MOR en une ou plusieurs fois avec la solution d'échange d'ions. Ladite zéolithe peut être calcinée avant ou après l'échange d'ions, ou entre deux étapes d’échange d’ions. La zéolithe est, de préférence, calcinée avant l’échange d’ions, afin d’éliminer toute substance organique incluse dans la porosité de la zéolithe, dans la mesure où l’échange d’ions s’en trouve facilité.
La zéolithe de type structural MOR obtenue par le procédé de l'invention peut être utilisée, en particulier après échange ionique, comme solide acide pour la catalyse dans les domaines du raffinage et de la pétrochimie. Elle peut également être utilisée comme adsorbant ou comme tamis moléculaire.
EXEMPLES
L’invention est illustrée par les exemples suivants qui ne présentent, en aucun cas, un caractère limitatif.
Exemple 1 : préparation d’une zéolithe de type structural MOR (mordénite) selon l'invention.
63,49 g d'eau déionisée ont été mélangés avec 7,23 g de bromure de 1,6-bis(méthylpiperidinium)hexane (SACHEM) et avec 2,04 g d’hydroxyde de sodium (99% en poids, Prolabo). Le mélange obtenu est maintenu sous agitation pendant 5 minutes. 6,57 g d’une zéolithe de type structural FAU (CBV780, Zeolyst, SiO2/Al2O3= 57,79) sont ajoutés dans le mélange de synthèse et maintenu sous agitation pendant 5 minutes. Par la suite, 0,678 g de gel amorphe d’hydroxyde d’aluminium (Al(OH)3, 58,55% Al2O3, Merck) ont été incorporés dans le mélange de synthèse qui est maintenu sous agitation pendant 30 minutes. Le gel précurseur obtenu présente la composition molaire suivante: 1 SiO2: 0,05 Al2O3: 0,167 R: 0,26 Na2O: 36,79 H2O, soit un ratio SiO2/Al2O3de 20. Le mélange est ensuite transféré dans un réacteur à pression autogène de 160 ml, doté d’un système d’agitation à 4 pales inclinées, puis chauffé pendant 36 heures à 170°C sous agitation à 200 tr/min. Apres cette période le produit solide est récupéré, filtré et lavé 5 fois avec 100 ml d’eau distillée. Le solide obtenu est séché à 100°C durant 12 heures dans une étuve ventilée. La perte au feu (PAF) du solide obtenu après séchage et avant calcination est de 14% poids. Le solide séché est ensuite introduit dans un four à moufle où est réalisée une étape de calcination: le cycle de calcination comprend une montée de 1,5°C/min en température jusqu'à 200°C, un palier à 200°C maintenu durant 2 heures, une montée de 1°C/min en température jusqu'à 550°C suivi d'un palier à 550°C maintenu durant 8 heures puis un retour à la température ambiante.
Le produit solide calciné a été analysé par diffraction des rayons X et identifié comme étant constitué d’une zéolithe de type structural MOR (Fiche PDF 4+ : 04-017-1315), avec une pureté supérieure à 99% poids. Le produit présente un rapport molaire SiO2/Al2O3de 14 tel que déterminé par fluorescence X. Le volume microporeux obtenu par la méthode du t-plot à partir de l’isotherme d’adsorption d’azote après activation du solide calciné à 400°C pendant 12 heures est de 0,18 cm3/g.
Exemple 2 : préparation d’une zéolithe de type structural MOR (mordénite) selon l'invention.
64,48 g d'eau déionisée ont été mélangés avec 7,24 g de bromure de 1,6-bis(méthylpiperidinium)hexane (SACHEM) et avec 2,04 g d’hydroxyde de sodium (99% en poids, Prolabo). Le mélange obtenu est maintenu sous agitation pendant 5 minutes. 6,24 g d’une zéolithe de type structural FAU (CBV720, Zeolyst, SiO2/Al2O3= 33,6) sont ajoutés dans le mélange de synthèse et maintenu sous agitation pendant 30 minutes. Le gel précurseur obtenu présente la composition molaire suivante : 1 SiO2: 0,0298 Al2O3: 0,167 R : 0,26 Na2O : 36,79 H2O, soit un ratio SiO2/Al2O3de 33,6. Le mélange est ensuite transféré dans un réacteur à pression autogène de 160 ml, doté d’un système d’agitation à 4 pales inclinées, puis chauffé pendant 38 heures à 170°C sous agitation à 200 tr/min. Apres cette période, le produit solide est récupéré, filtré et lavé 5 fois avec100 ml d’eau distillée. Le solide obtenu est séché à 100°C durant 12 heures dans une étuve ventilée La perte au feu (PAF) du solide obtenu après séchage et avant calcination est de 13% poids. Le solide séché est ensuite introduit dans un four à moufle où est réalisée une étape de calcination: le cycle de calcination comprend une montée de 1,5°C/min en température jusqu'à 200°C, un palier à 200°C maintenu durant 2 heures, une montée de 1°C/min en température jusqu'à 550°C suivi d'un palier à 550°C maintenu durant 8 heures puis un retour à la température ambiante.
Le produit solide calciné est analysé par diffraction des rayons X et identifié comme étant constitué d’une zéolithe de type structural MOR (Fiche PDF 4+ : 04-017-1315), avec une pureté supérieure à 99,5% poids.
Le produit présente un rapport molaire SiO2/Al2O3de 12,5 tel que déterminé par fluorescence X.
Le volume microporeux obtenu par la méthode du t-plot à partir de l’isotherme d’adsorption d’azote après activation du solide calciné à 400°C pendant 12 heures est de 0,18 cm3/g.

Claims (13)

  1. Procédé de préparation d'une zéolithe de type structural MOR comprenant :
    i) le mélange en milieu aqueux d’une zéolithe de type structural FAU, ayant un ratio molaire SiO2 (FAU)/ Al2O3 (FAU)compris entre 10 et 90, du dibromure de 1,6-bis(méthylpiperidinium)hexane, et d’au moins une source d'au moins un métal alcalin et/ou alcalino-terreux M de valence n, n étant un nombre entier supérieur ou égal à 1, jusqu’à l’obtention d’un gel précurseur, le mélange réactionnel présentant les rapports molaires suivants :
    (SiO2 (FAU))/(Al2O3 (FAU)) compris entre 10 et 90,
    H2O/(SiO2 (FAU)) compris entre 25 et 45,
    R/(SiO2 (FAU)) compris entre 0,10 et 0,25,
    M2/nO/(SiO2 (FAU)) compris entre 0,20 et 0,35,
    dans laquelle :
    SiO2 (FAU)désigne la quantité molaire d’élément tétravalent Si, exprimée en oxyde SiO2, apportée par la zéolithe de type structural FAU,
    Al2O3 (FAU)désigne la quantité molaire d’élément trivalent Al, exprimée en oxyde Al2O3, apportée par la zéolithe de type structural FAU,
    H2O désigne la quantité molaire d’eau dans le mélange réactionnel,
    R désigne la quantité molaire dudit dibromure de 1,6-bis(méthylpiperidinium)hexane,
    M2/nO désigne la quantité molaire exprimée sous forme oxyde de métal alcalin et/ou de métal alcalino-terreux apporté par ladite source de M ;
    ii) le traitement hydrothermal dudit gel précurseur obtenu à l’issue de l’étape i) à une température comprise entre 160°C et 200°C, pendant une durée comprise entre 24 et 48 heures.
  2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la zéolithe de type structural FAU, incorporée dans le mélange de l’étape i), présente un ratio molaire SiO2 (FAU)/ Al2O3 (FAU)compris entre 15 et 85.
  3. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le rapport molaire H2O/(SiO2 (FAU)) est compris entre 30 et 40.
  4. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le rapport molaire R/(SiO2 (FAU)) est compris entre 0,15 et 0,20.
  5. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le rapport molaire M2/nO/(SiO2 (FAU)) est compris entre 0,25 et 0,30.
  6. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel M est choisi parmi le lithium, le sodium, le potassium, le calcium, le magnésium et leurs mélanges, de manière préférée M étant le sodium.
  7. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la source d'au moins un métal alcalin et/ou alcalino-terreux M est sous forme hydroxyde, l’hydroxyde de sodium étant préféré.
  8. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le mélange réactionnel de l’étape i) comprend au moins une source additionnelle d’un oxyde Al2O3, le mélange présentant les rapports molaires suivants :
    SiO2 (FAU)/(Al2O3 (FAU)+ Al2O3) compris entre 10 et 90, de préférence entre 15 et 85
    H2O/SiO2 (FAU)compris entre 25 et 45, de préférence entre 30 et 40
    R/SiO2 (FAU)compris entre 0,10 et 0,25, de préférence entre 0,15 et 0,20
    M2/nO/SiO2 (FAU)compris entre 0,20 et 0,35, de préférence entre 0,25 et 0,30
    dans laquelle
    SiO2(FAU)est la quantité molaire de Si, exprimée en oxyde SiO2, apportée par la zéolithe de type structural FAU,
    Al2O3(FAU)est la quantité molaire de Al, exprimée en oxyde Al2O3, apportée par la zéolithe de type structural FAU,
    Al2O3est la quantité molaire de Al, exprimée en oxyde Al2O3, apportée par source additionnelle d’aluminium,
    R est la quantité molaire dudit dibromure de 1,6-bis(méthylpiperidinium)hexane, et
    M2/nO est la quantité molaire d’un ou plusieurs métal(aux) alcalin(s) et/ou alcalino-terreux sous forme d’oxyde.
  9. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel des germes cristallins d’une zéolithe de type structural MOR, de préférence ayant un ratio molaire SiO2/Al2O3compris entre 10 et 90, de manière préférée entre 15 et 85, sont ajoutés au mélange réactionnel de l’étape i), de préférence en quantité massique comprise entre 1,0 et 10,0% de la masse totale des sources desdits élément(s) silicium et aluminium sous forme anhydre, exprimée en oxyde de Si et oxyde de Al, présentes dans le mélange réactionnel, lesdits germes cristallins n’étant pas pris en compte dans la masse totale des sources des éléments silicium et aluminium.
  10. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le traitement hydrothermal de l’étape ii) est réalisé sous pression autogène à une température comprise entre 160°C et 200°C, de préférence entre 165°C et 190°C, pendant une durée comprise entre 24 et 48 heures, de préférence entre 34 et 40 heures.
  11. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la phase solide obtenue à l’issue de l’étape ii) est filtrée, lavée, et séchée de préférence à une température comprise entre 20 et 150°C, de manière préférée entre 60 et 100°C, et de préférence pendant une durée comprise entre 5 et 24 heures, pour obtenir une zéolithe séchée.
  12. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel la zéolithe séchée est calcinée à une température comprise entre 450 et 700°C pendant une durée comprise entre 2 et 20 heures, la calcination étant éventuellement précédée d’une montée en température progressive.
  13. Zéolithe de type structural MOR de rapport SiO2/Al2O3compris entre 10 et 30, de préférence entre 10 et 20, obtenue par le procédé selon l’une des revendications précédentes.
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