FR3139733A1 - Procede de preparation d’un catalyseur a base de carbure de silicium pour la deshydration d’acide hydroxypropanoïque et ses derives - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne un procédé de préparation d’un catalyseur comprenant au moins un composé d’un sel de phosphate, de type M1HxPOy, x étant un nombre fractionnaire compris entre [0-2] et y étant un nombre fractionnaire compris entre [3-4] avec M choisi dans le groupe formé par les métaux du groupe I et du groupe II de la classification périodique, pris seuls ou en mélange et un support comprenant du carbure de silicium SiC poreux, ledit procédé comprenant au moins une étape d’ajout dudit sel de phosphate sur le support comprenant le carbure de silicium.
Description
La présente invention concerne un procédé de préparation d’un catalyseur comprenant au moins un composé d’un sel de phosphate, de type M1HxPOy, x étant un nombre fractionnaire compris entre [0-2] et y étant un nombre fractionnaire compris entre [3-4] avec M choisi dans le groupe formé par les métaux du groupe I et du groupe II de la classification périodique, pris seuls ou en mélange et un support comprenant du carbure de silicium SiC poreux, ledit procédé comprenant au moins une étape d’ajout dudit sel de phosphate sur le support comprenant le carbure de silicium. Ledit catalyseur ainsi préparé peut avantageusement être utilisé dans un procédé de déshydratation d’acide hydroxypropanoïque et ses dérivés.
Le brevet US9849447 enseigne la préparation de catalyseur pour la déshydration d’acide hydroxypropanoïque. Le catalyseur est composé de sels de phosphates, choisi par le groupe constitué de Na+, K+, Rb+, Cs+ et comprend un support oxyde inorganique, de préférence de la silice SiO2 amorphe.
Le carbure de silicium SiC, poreux ou non poreux, est un support de catalyseur utilisé par exemple pour la préparation de catalyseurs métalliques, comme illustré dans la publication de Ledoux et al. (J. Catal 114 (1988)) et plus récemment dans la revue de Kulkarni et al. (Catalysis Reviews, 2022). On peut citer le brevet WO14140973 qui divulgue la préparation de catalyseur contenant du cobalt sur un support contenant du carbure de silicium pour la préparation d’hydrocarbures à partir d’un mélange d’hydrogène et de monoxyde de carbone (synthèse Fisher-Tropsch).
Il n’existe pas dans la littérature de catalyseur comprenant au moins un composé d’un sel de phosphate, un support comprenant du carbure de silicium SiC, et son utilisation pour la déshydratation d’acide hydroxypropanoïque et ses dérivés.
Le SiC ou carbure de silicium est un matériau inorganique possédant des propriétés particulières (stabilité, conductivité, résistance mécanique et chimique) qui le rendent intéressant pour des applications en catalyse.
La présente invention concerne un procédé de préparation d’un catalyseur comprenant au moins un composé d’un sel de phosphate, de type M1HxPOy, x étant un nombre fractionnaire compris entre [0-2] et y étant un nombre fractionnaire compris entre [3-4] avec M choisi dans le groupe formé par les métaux du groupe I et du groupe II de la classification périodique, pris seuls ou en mélange et un support comprenant du carbure de silicium SiC poreux, ledit procédé comprenant au moins une étape d’ajout dudit sel de phosphate sur le support comprenant le carbure de silicium.
Selon un mode de réalisation préféré de l’invention, un autre objet de l’invention peut également concerner ledit catalyseur comprenant au moins un composé d’un sel de phosphate, de type M1HxPOy, x étant un nombre fractionnaire compris entre [0-2] et y étant un nombre fractionnaire compris entre [3-4] avec M choisi dans le groupe formé par les métaux du groupe I et du groupe II de la classification périodique, pris seuls ou en mélange et un support comprenant du carbure de silicium SiC poreux et un procédé de déshydratation d’acide hydroxypropanoïque et ses dérivés utilisant le catalyseur préparé par le procédé de préparation selon l’invention.
Un avantage de la présente invention est de fournir un procédé de préparation d’un catalyseur stable dans les conditions du procédé de déshydratation d’acide hydroxypropanoïque et ses dérivés c’est à dire que sa structure et ses propriétés texturales ne sont pas ou peu modifiées après son utilisation dans le procédé.
La présente invention concerne un procédé de préparation d’un catalyseur comprenant au moins un composé d’un sel de phosphate, de type M1HxPOy, x étant un nombre fractionnaire compris entre [0-2] et y étant un nombre fractionnaire compris entre [3-4] avec M choisi dans le groupe formé par les métaux du groupe I et du groupe II de la classification périodique, pris seuls ou en mélange et un support comprenant du carbure de silicium SiC poreux, ledit procédé comprenant au moins une étape d’ajout dudit sel de phosphate sur le support comprenant le carbure de silicium.
Le catalyseur
Conformément à l’invention, le catalyseur préparé selon l’invention comprend au moins un sel de phosphate, de type M1HxPOy, x étant un nombre fractionnaire compris entre [0-2] et y étant un nombre fractionnaire compris entre [3-4] avec M étant au moins un métal choisi dans le groupe formé par les métaux du groupe I et du groupe II de la classification périodique, pris seuls ou en mélange et un support comprenant du carbure de silicium SiC.
De préférence, les sels de phosphates peuvent être présents sous la forme oxyde MPO3, totalement hydratée MH2PO4 ou partiellement hydratée MHxPOy avec x étant un nombre fractionnaire compris entre [0-2] et y étant un nombre fractionnaire compris entre [3-4]. Le catalyseur peut être employé indifféremment sous forme oxyde, partiellement hydratée ou totalement hydratée.
De préférence, les sels de phosphate sont choisis parmi les composés suivants M1H2PO4, M2HPO4, (MPO3)n avec n>1, M2H2P2O7, M3P3O9, M4P4O12, M6P6O18, M8P8O24 seuls ou en mélange.
De manière préférée, les sels de phosphate sont choisis parmi M1H2PO4, M2HPO4, (MPO3)n, n> 1 seuls ou en mélange.
De préférence, le ou les métaux M sont choisis parmi les métaux Li, Na K, Cs, Rb, pris seuls ou en mélange et de manière très préférée parmi Na, K, Cs, Rb pris seuls ou en mélange, et de manière encore plus préférée parmi K et Cs et de manière très préférée, le métal est le potassium K.
Dans le cas où plusieurs métaux Ma et Mb sont mis en œuvre, les sels de phosphates sont choisis parmi les composés suivants MaH2PO4, MaMbHPO4, MaMbH2P2O7, MaMb2P3O9, Ma3MbP4O12, Ma3Mb3P6O18, avec Ma et Mb choisis parmi les métaux Li, Na K, Cs, Rb, pris seuls ou en mélange et Ma + Mb = M et de manière très préférée parmi Na K, Cs, Rb pris seuls ou en mélange et de manière encore plus préférée parmi K et Cs.
De préférence, le catalyseur comprend un sel de phosphate, de formule MPO3 avec M choisi dans le groupe formé par les métaux du groupe I et du groupe II de la classification périodique, de préférence choisi parmi les métaux du groupe I, de préférence choisi parmi Li, Na K, Cs, Rb et de manière très préférée parmi Na, K, Cs, Rb pris seuls ou en mélange et de manière encore plus préférée parmi K et Cs et de manière très préférée, le métal est le potassium K.
Le catalyseur préparé selon l’invention présente avantageusement une surface spécifique supérieure à 5 m²/g, de préférence comprise entre 5 et 300 m²/g, et de manière encore préférée comprise entre 10 et 250 m²/g et un volume poreux compris entre 0.1 et 1.0 cm3/g, de préférence entre 0.15 et 0.8 cm3/g
Le support
Conformément à l’invention, le catalyseur préparé selon l’invention comprend un support comprenant et de préférence constitué de carbure de silicium SiC.
De préférence, le support est un carbure silicium mis en forme.
Le support du catalyseur préparé selon l’invention selon l’invention présente une phase cristallisée de β-SiC, caractérisable par diffraction des rayons X.
Le carbure de silicium utilisé dans le catalyseur préparé selon l’invention présente une surface spécifique supérieure à 5 m²/g, de préférence comprise entre 5 et 300 m²/g, et de manière encore préférée comprise entre 10 et 250 m²/g.
Le volume poreux du support est avantageusement compris entre 0,20 cm3/g et 1,5 cm3/g, de préférence compris entre 0,25 cm3/g et 1,4 cm3/g, et de manière encore préférée comprise entre 0,25 cm3/g et 1,2 cm3/g.
Le volume macroporeux du support, donc les pores sont supérieurs à 50nm, est avantageusement compris entre 0,01 cm3/g et 1 cm3/g, de préférence compris entre 0,05 cm3/g et 0,9 cm3/g, et de manière encore préférée comprise entre 0,10 cm3/g et 0,8 cm3/g.
La fabrication de supports de type carbure de silicium utilisables en catalyse hétérogène est déjà connue et enseignée dans les brevets tels que notamment le brevet EP 0440569 B1 ou encore le brevet US 6,184,178 B1, sans que cette liste soit limitative.
De préférence, le support se présente sous forme de poudre, de billes, de cylindres, de trilobes, de quadrilobes, d'extrudés, de pastilles, ou d'agglomérats irréguliers et non sphériques dont la forme spécifique peut résulter d'une étape de concassage. De manière très avantageuse, ledit support se présente sous forme de billes ou d'extrudés. La taille des objets mis en forme est comprise entre 0.5 mm et 10 mm, de préférence entre 1 et 5 mm.
Les valeurs de surface spécifique, volume poreux, et volume macroporeux du catalyseur et du support ont été déterminées par porosimétrie d’intrusion au mercure.
Le catalyseur ainsi préparé se avantageusement présente sous forme de poudre, de billes, de cylindres, de trilobes, de quadrilobes d'extrudés, de pastilles, ou d'agglomérats irréguliers et non sphériques dont la forme spécifique peut résulter d'une étape de concassage. De manière très avantageuse, ledit catalyseur se présente sous forme de billes ou d'extrudés. La taille des objets est comprise entre 0.5 mm et 10 mm, de préférence entre 1 et 5 mm.
De préférence, le catalyseur préparé selon l'invention comprend et est de préférence constitué, en pourcentage poids, par :
- 40 à 95 %, de manière préférée 50 à 90 % et de manière très préférée de 55 à 90 %, de manière encore plus préférée entre 70% et 85% de carbure de silicium (SiC),
- 5 à 60 %, de manière préférée de 10 à 50 % et de manière très préférée, de 10 à 45 %, de manière encore plus préférée entre 15% et 30% d’équivalent oxyde du sel de phosphate, notée MPO3.
- 40 à 95 %, de manière préférée 50 à 90 % et de manière très préférée de 55 à 90 %, de manière encore plus préférée entre 70% et 85% de carbure de silicium (SiC),
- 5 à 60 %, de manière préférée de 10 à 50 % et de manière très préférée, de 10 à 45 %, de manière encore plus préférée entre 15% et 30% d’équivalent oxyde du sel de phosphate, notée MPO3.
Préparation du catalyseur
Mode de préparation
De préférence, l’étape d’ajout du sel de phosphate sur le support comprenant le carbure de silicium peut être réalisé par toute méthode connue de l’homme de l’art, et de préférence par imprégnation à humidité naissance ou imprégnation à sec, par imprégnation en excès, par échange ionique, par le dépôt précipitation, ou par la déposition en phase vapeur. De manière préférée l’ajout du sel de phosphate sur le support comprenant le carbure de silicium est réalisée par imprégnation à sec.
De manière préférée, l’étape d’ajout du sel de phosphate sur le support comprenant le carbure de silicium de préférence réalisé par imprégnation à sec comprend les étapes suivantes :
- une étape a) de préparation d'une solution liquide d’un ou plusieurs sels de phosphate en phase aqueuse ou organique, la température de préparation étant avantageusement comprise entre 5°C et 80°C, de préférence entre 10°C et 70°C.
- une étape b) d’imprégnation de ladite solution préparée à l’étape a) sur le support comprenant le carbure de silicium, le volume de la solution étant avantageusement compris entre 0,7 et 1,1, de préférence entre 0,8 et 1,05 fois le volume poreux du support et la concentration en phosphate de la solution est de préférence comprise entre soit 50g/L à 2000g/L.
- une étape c) de maturation du support imprégné obtenu à l’étape b), pendant une durée comprise entre 5 min et 40 h, de manière préférée entre 10 min et 10h et de manière encore plus préférée entre 30min et 5h, de manière encore plus préférée entre 1 h et 5 h. à une température comprise de préférence entre 10°C et 40°C pour obtenir un précurseur de catalyseur,
- une étape d) de séchage dudit précurseur de catalyseur obtenu à l'étape c) pour obtenir un précurseur de catalyseur séché, ladite étape de séchage étant réalisée à une température comprise entre 70°C et 200°C, sous air, pendant une durée comprise entre 30 min et 12h de préférence entre 1h et 10h,
- Optionnellement une étape e) de calcination sous air du précurseur de catalyseur séché obtenu à l’étape d) pour obtenir un catalyseur, ladite étape de calcination étant mise en œuvre à une température comprise entre 300°C et 550°C, pendant une durée comprise entre 30 min et 12h, de préférence entre 1h et 10h.
- Optionnellement une étape f) de traitement thermique du catalyseur obtenu à l’étape e) optionnelle, ladite étape f) étant mise en œuvre sous gaz inerte, de préférence l’azote, l’hélium, le méthane, ou le dioxyde de carbone, seuls ou en mélange, à une température comprise entre 500°C et 1200°C, de préférence entre 600°C et 1100°C et de manière très préférée entre 750°C et 1000°C, pendant une durée comprise entre 30min et 12h, de préférence entre 1h et 10h,
- Optionnellement une étape g) de traitement thermique sous gaz contenant de la vapeur d’eau du catalyseur obtenu à l’étape d) et/ à l’étape f), à une température comprise entre 350°C et 1000°C, de préférence entre 450°C et 950°C et de manière très préférée entre 450°C et 900°C à une pression comprise entre 0,1 et 2 MPa, de manière préférée entre 0,15 et 1,5 MPa et de manière encore plus préférée entre 0,17 et 1,0 MPa.
- une étape a) de préparation d'une solution liquide d’un ou plusieurs sels de phosphate en phase aqueuse ou organique, la température de préparation étant avantageusement comprise entre 5°C et 80°C, de préférence entre 10°C et 70°C.
- une étape b) d’imprégnation de ladite solution préparée à l’étape a) sur le support comprenant le carbure de silicium, le volume de la solution étant avantageusement compris entre 0,7 et 1,1, de préférence entre 0,8 et 1,05 fois le volume poreux du support et la concentration en phosphate de la solution est de préférence comprise entre soit 50g/L à 2000g/L.
- une étape c) de maturation du support imprégné obtenu à l’étape b), pendant une durée comprise entre 5 min et 40 h, de manière préférée entre 10 min et 10h et de manière encore plus préférée entre 30min et 5h, de manière encore plus préférée entre 1 h et 5 h. à une température comprise de préférence entre 10°C et 40°C pour obtenir un précurseur de catalyseur,
- une étape d) de séchage dudit précurseur de catalyseur obtenu à l'étape c) pour obtenir un précurseur de catalyseur séché, ladite étape de séchage étant réalisée à une température comprise entre 70°C et 200°C, sous air, pendant une durée comprise entre 30 min et 12h de préférence entre 1h et 10h,
- Optionnellement une étape e) de calcination sous air du précurseur de catalyseur séché obtenu à l’étape d) pour obtenir un catalyseur, ladite étape de calcination étant mise en œuvre à une température comprise entre 300°C et 550°C, pendant une durée comprise entre 30 min et 12h, de préférence entre 1h et 10h.
- Optionnellement une étape f) de traitement thermique du catalyseur obtenu à l’étape e) optionnelle, ladite étape f) étant mise en œuvre sous gaz inerte, de préférence l’azote, l’hélium, le méthane, ou le dioxyde de carbone, seuls ou en mélange, à une température comprise entre 500°C et 1200°C, de préférence entre 600°C et 1100°C et de manière très préférée entre 750°C et 1000°C, pendant une durée comprise entre 30min et 12h, de préférence entre 1h et 10h,
- Optionnellement une étape g) de traitement thermique sous gaz contenant de la vapeur d’eau du catalyseur obtenu à l’étape d) et/ à l’étape f), à une température comprise entre 350°C et 1000°C, de préférence entre 450°C et 950°C et de manière très préférée entre 450°C et 900°C à une pression comprise entre 0,1 et 2 MPa, de manière préférée entre 0,15 et 1,5 MPa et de manière encore plus préférée entre 0,17 et 1,0 MPa.
Les étapes de traitements thermiques e) f) et g) peuvent être additionnées ou réalisées indépendamment.
La solution d’imprégnation de l’étape a) est de préférence préparée par dissolution en phase aqueuse ou organique d’un ou plusieurs précurseurs de phosphate et d’élément M.
La solution d’imprégnation peut avantageusement être préparée par mélange d’éléments phosphore et alcalins introduits indépendamment. Dans ce cas, le précurseur de métal M choisi parmi Li, Na, K, Cs, Rb est choisi par exemple parmi un ou plusieurs des sels de carbonate M2CO3, de nitrate MNO3, sulfate, de formiate HCOOM, d’acétate CH3COOM, de citrate, de lactate, de chlorure MCl, d’hydroxyde MOH, oxyde M2O.
Le ou les précurseurs de phosphate peuvent avantageusement être choisis, par exemple parmi H3PO4, (NH4)H2PO4, (NH4)2HPO4, (NH4)3PO4, P2O5.
La concentration en phosphate de la solution est de préférence comprise entre soit 50g/L à 2000g/L.
De préférence, l’étape d’imprégnation b) peut être précédée d’une étape de traitement thermique mise en œuvre à une température comprise entre 80°C et 550°C.
De préférence, l’étape d’imprégnation b) peut être suivie, optionnellement d’autres étapes d’imprégnations. Les étapes d’imprégnations suivant la première étape d’imprégnation b) peuvent avantageusement être réalisées, après l’étape d) de séchage ou après l’étape e) de calcination ou après les étapes f), g) et h) de traitements thermiques. De préférence une étape d’imprégnation suivant la première étape d’imprégnation b) est réalisée après l’étape e) de calcination.
Le procédé de préparation selon l’invention permet la préparation d’un catalyseur comprenant au moins un sel de phosphate, de type M1HxPOy, x étant un nombre fractionnaire compris entre [0-2] et y étant un nombre fractionnaire compris entre [3-4] avec M étant au moins un métal choisi dans le groupe formé par les métaux du groupe I et du groupe II de la classification périodique, pris seuls ou en mélange et un support comprenant du carbure de silicium SiC, ledit catalyseur pouvant avantageusement être utilisé dans un procédé de déshydratation d’acide hydroxypropanoïque et ses dérivés.
Procédé de transformation
Ledit procédé de déshydratation d’acide hydroxypropanoïque et ses dérivés opère en présence du catalyseur préparé selon l’invention, et est avantageusement mis en œuvre à une température comprise entre 180°C et 450°C, de préférence entre 190°C et 430°C, de manière très préférée entre 250°C et 420°C et de manière très préférée entre 270°C et 420°C, à une pression comprise entre 0,1 et 12 MPa, de préférence entre 0.11 MPa et 10 MPa, de manière préférée entre 0.13 MPa et 9 MPa et de manière très préférée entre 0.15 MPa et 8 MPa, et à un rapport débit massique de charge sur masse de catalyseur compris entre 0,01 h-1 et 100 h-1, de préférence entre 0,02 et 50 h-1, de préférence entre 0,03 h-1 à 30 h-1 et de manière très préférée de 0.05 h-1 à 20h-1.
Ledit procédé permet d'obtenir de façon sélective un mélange de produits comprenant de l’acide acrylique.
Lors de la déshydratation d’acide hydroxypropanoïque et ses dérivés en acide acrylique, on obtient un mélange de différents produits, appelés sous-produits, comprenant notamment l’acide propanoïque, le monoxyde de carbone, le dioxyde de carbone, l’acétaldéhyde, des composés lourds contenant plus de 3 atomes de carbone.
Ledit procédé peut avantageusement être opéré sous atmosphère neutre ou oxydante.
Ledit procédé est de préférence opéré en continu, en lit fixe, de préférence à une pression ajustée pour que les produits et les réactifs soient en phase gaz, la charge liquide étant injectée dans le procédé préférentiellement en phase liquide.
Charge
La charge alimentant ledit procédé comprend avantageusement au moins un composé compris dans la liste d’acide hydroxypropanoïque et ses dérivés. Ladite charge comprend avantageusement un acide hydroxypropanoïque choisi parmi l’acide 2 hydroxypropanoïque, 3- hydroxypropanoïque. De manière préférée, ladite charge comprend de l’acide 2 hydroxypropanoïque. Ladite charge comprend entre 1% et 99,9% poids, de préférence entre 5% et 99.5% en poids, de manière très préférée entre 7% et 99% en poids et de manière encore plus préférée entre 8% et 98% en poids d’acide hydroxypropanoïque et ses dérivés.
Ladite charge peut également comprendre des impuretés liées, en particulier, aux procédés d'obtention l’acide hydroxypropanoïque et ses dérivés tels que la fermentation. La teneur en impuretés est de préférence inférieure à 10% du poids de ladite charge. Le ou les acides hydroxypropanoïques et ses dérivés compris dans ladite charge peu(ven)t être de toute origine, chimique, pétrochimique ou biosourcée.
Ladite charge comprend entre 0,1% et 99% poids, de préférence entre 0,5% et 90% poids, de manière très préférée entre 1% et 80% poids et de manière encore plus préférée entre 2% et 70% en poids d’eau.
Ladite charge comprend entre 0,1% et 99% poids, de préférence entre 0,5% et 90% poids, de manière très préférée entre 1% et 80% poids et de manière encore plus préférée entre 2% et 70% en poids de solvant organique, comme par exemple un alcool.
Les principaux produits obtenus par ledit procédé sont les acides hydroxypropanoïques et ses dérivés non convertis, l’acide acrylique issus de la réaction de déshydratation.
Les exemples illustrent la portée de l’invention sans en limiter la portée.
Exemple 1 : Préparation d'un catalyseur C1 conforme à l'invention
Le support S1 carbure de silicium sous forme d’extrudés est fourni par la société SICAT, sous la forme de trilobes de diamètre 1.6 mm. Ses principales caractéristiques sont fournies dans le tableau 1 ci-dessous.
Tableau 1: principales caractéristiques du support S1.
| Phase cristallisée (DRX) | Beta-SiC |
| Surface spécifique (porosimétrie Hg) | 44 m²/g |
| Volume poreux total (porosimétrie Hg) | 0.94 ml/g |
| Vmacroporeux (porosimétrie Hg) | 0.55 ml/g |
100 grammes de carbure de silicium sont calcinés sous air dans un four à moufle en couche mince à 450°C durant 2 heures.
17 grammes dihydrogénophosphate de potassium (KH₂PO₄, M= 136 g/mol) avec x = 2 et y = 4 sont tout d'abord dissous dans 60 ml d'eau distillée à température ambiante. La concentration de la solution est de 283g de KH2PO4/l. Après complète dissolution, le mélange est ajouté goutte à goutte aux extrudés de SiC. Le solide est maturé à température ambiante 40 minutes puis séché 10 h à 120°C sous air. Le matériau est calciné sous air à 450°C pendant 4h.
L’analyse compositionnelle par FX donne une teneur pondérale en K de 4,3 % et en P de 3,5%. La teneur pondérale équivalente en KPO3 avec x = 0 et y=3 du catalyseur après calcination est de 13 %.
Le catalyseur présente en DRX des pics de diffraction majoritaires du β-SiC ainsi que des pics de diffraction de la phase métaphosphate KPO3.
La surface spécifique (porosimétrie Hg) du catalyseur C1 est de 35 m2/g, son volume poreux total (porosimétrie Hg) de 0.74 ml/g, son volume macroporeux de 0,52 ml/g.
Exemple 2 : Préparation d'un catalyseur C2 conforme à l'invention
100 grammes de carbure de silicium sous forme d’extrudés sont calcinés sous air dans un four à moufle en couche mince à 450°C durant 2 heures.
29,2 grammes d’acétate de potassium (CH3COOK M= 98 g/mol) sont tout d'abord dissous dans 60 ml d'acide acétique à température ambiante. La concentration de la solution est de 483 g/l. Après complète dissolution, le mélange est ajouté goutte à goutte aux extrudés de SiC. Le solide est maturé à température ambiante 20 minutes puis séché 10 h à 120°C sous air. Le matériau est calciné sous air à 450°C pendant 4h.
14 mL d’une solution à 85% d’acide phosphorique (H3PO4 M= 98 g/mol) sont tout d'abord dissous dans 40 ml d’eau à température ambiante. Après complète dissolution, le mélange est ajouté goutte à goutte au matériau calciné. Le solide est maturé à température ambiante 20 minutes puis séché 12 h à 120°C sous air. Le matériau est calciné sous air à 450°C pendant 4h.
L’analyse compositionnelle par FX donne une teneur pondérale en K de 8,35 % et en P de 6,5%. La teneur pondérale équivalente moyenne en KPO3 avec x = 0 et y = 3 du catalyseur après calcination est de 26 %.
Le catalyseur présente en DRX des pics de diffraction majoritaires du β-SiC ainsi que des pics de diffraction de la phase métaphosphate KPO3.
La surface spécifique (porosimétrie Hg) du catalyseur C2 est de 20 m2/g, son volume poreux total (porosimétrie Hg) de 0,60 ml/g, son volume macroporeux de 0.40ml/g.
Exemple 3 : Préparation d'un catalyseur C3 conforme à l'invention
100 grammes de carbure de silicium sont calcinés sous air dans un four à moufle en couche mince à 450°C durant 2 heures.
22 grammes de diaminophosphate ((NH4)2HPO4 M= 132 g/mol) avec x = 1 et y = 4 et 27 g de carbonate de césium (Cs2CO3 M=326 g/mol) sont tout d'abord dissous dans 60 ml d’eau distillée. Après complète dissolution, le mélange est ajouté goutte à goutte aux extrudés de SiC. Le solide est maturé à température ambiante 40 minutes puis séché 10 h à 120°C sous air. Le matériau est calciné sous air à 450°C pendant 4h.
L’analyse compositionnelle par FX donne une teneur pondérale en Cs de 17,7 % et en P de 3,6 %. La teneur pondérale moyenne équivalente en CsPO3 avec x = 0 et y = 3 du catalyseur après calcination est de 26,5 %.
Le catalyseur présente en DRX des pics de diffraction majoritaires du β-SiC ainsi que des pics de diffraction des phases CsH2PO4 avec x = 2 et y = 4 et Cs2H2P2O7 avec x = 1 et y = 3.5.
La surface spécifique (porosimétrie Hg) du catalyseur C3 est de 18 m2/g, son volume poreux total (porosimétrie Hg) de 0,45 ml/g, son volume macroporeux de 0.30ml/g.
Exemple 4 : Préparation d'un catalyseur C4 (non conforme à l'invention)
Le support S2 est une silice commerciale sous la forme de billes de diamètre inférieur à 2 mm. Ses principales caractéristiques sont fournies dans le tableau 2 ci-dessous.
Tableau 2 : principales caractéristiques du support S2.
| Phase cristallisée (DRX) | SiO2 amorphe |
| Surface spécifique (porosimétrie Hg) | 93 m²/g |
| Volume poreux total (porosimétrie Hg) | 0,92 ml/g |
| Vmacroporeux (porosimétrie Hg) | 0.07 ml/g |
17 grammes dihydrogénophosphate de potassium (KH2PO4M= 136 g/mol) avec x = 2 et y = 4 sont tout d'abord dissous dans 68 ml d'eau distillée à température ambiante. La concentration de la solution est de 250g de KH2PO4/l. Après complète dissolution, le mélange est ajouté goutte à goutte aux extrudés de SiO2. Le solide est maturé à température ambiante 20 minutes puis séché 12 h à 120°C sous air. Le matériau est calciné sous air à 450°C pendant 4h.
L’analyse compositionnelle par FX donne une teneur pondérale en K de 4.1 % et en P de 3,6%. La teneur pondérale moyenne équivalente en KPO3 avec x = 0 et y = 3 du catalyseur après calcination est de 13 %.
Le catalyseur présente en DRX des pics diffraction de la phase métaphosphate KPO3.
La surface spécifique (porosimétrie Hg) du catalyseur C4 est de 82 m2/g, son volume poreux total (porosimétrie Hg) de 0,72 mL/g, son volume macroporeux de 0.01mL/g et son volume mesopreux de 0.68mL/g.
Exemple 5 : Utilisation des catalyseurs C1, C2, C3, C4 pour la déshydratation l’acide lactique en acide acrylique.
Les catalyseurs conformes C1, C2, C3 et non conforme C4 sont utilisés pour la réaction de déshydratation de l’acide lactique.
6 grammes de catalyseur mis en forme sont chargés dans un réacteur tubulaire de diamètre 1 cm.
Le solide est alors chauffé sous flux d’azote de 6 NL/h à 365°C. La pression dans le réacteur est de 25 bar. Après 2h de stabilisation, une charge contenant 10% pds d’acide lactique dans 90% d’eau est introduite dans le réacteur avec un débit de 3g/h de charge. En sortie de réacteur l’effluent liquide est condensé, puis analysé par chromatographie en phase liquide. Après 100h de test catalytique le catalyseur est déchargé et analysé.
La conversion de l’acide lactique (AL) est calculée selon la formule suivante :
Conversion AL (%) = 100 x ([AL]charge – [AL]effluent) / [AL]charge. On a vérifié au préalable que le bilan matière liquide de l’unité était de plus de 95% masse de récupération.
avec [AL] = concentration massique en AL en g/L déterminée par chromatographie en liquide haute pression (HPLC).
Le rendement est déduit de la concentration en acide acrylique (AA) de l’effluent liquide rapporté à la charge injectée, calculé en base carbone uniquement. Rendement AA (%C) = 100 x (0.5*([AA]effluent) / (0.4*([AL]charge – [AL]effluent).
Tableau 3 : Conversion d’acide lactique des catalyseurs C1 à C4.
| Catalyseur | Conversion AL (%) | Rendement AA (%C) |
| C1 | 80 | 50 |
| C2 | 95 | 80 |
| C3 | 94 | 75 |
| C4 | 80 | 50 |
Tableau 4 : Caractérisations DRX du catalyseurs C1 à C4 avant et après 100h de test.
| Catalyseur | DRX Catalyseur avant test | DRX Catalyseur après test |
| C1 | β-SiC, KPO3 | β-SiC, KPO3, KH2PO4 |
| C2 | β-SiC, KPO3 | β-SiC, KPO3, KH2PO4 |
| C3 | β-SiC, CsH2PO4, Cs2H2P2O7. | β-SiC, CsH2PO4, Cs2H2P2O7 |
| C4 | Amorphe, KPO3 | Opal CT, KPO3, KH2PO4 |
Tableau 5 : Caractérisations par porosimétrie mercure des catalyseurs C1 à C4 avant et après 100h de test.
| Catalyseur | Surface spécifique SHg avant test | Surface spécifique SHg après test | Volume poreux total Avant test | Volume poreux Après test | Volume macroporeux Avant test | Volume macroporeux Après test |
| C1 | 35 | 30 (14%) | 0.74 | 0.65 (12%) | 0.52 | 0.45 (13%) |
| C2 | 20 | 15 (25%) | 0.60 | 0.54 (10%) | 0.40 | 0.33 (18%) |
| C3 | 18 | 15 (17%) | 0.45 | 0.40 (11%) | 0.30 | 0.25 (17%) |
| C4 | 82 | 7 (91%) | 0.72 | 0.21 (71%) | 0.01 | 0.20 (-19%) |
On entend par catalyseur avant test, le catalyseur avant son utilisation dans le procédé.
Les catalyseurs selon l’invention sont actifs pour la transformation de l’acide lactique (Tableau 3). La conversion en acide lactique est supérieure ou égale à 80%.
Ils ont stables dans les conditions de réaction. La structure cristalline beta-SiC du support est conservée après test catalytique (Tableau 4). Pour le catalyseur C4, non conforme à l’invention, la structure est modifiée et on observe des raies de diffraction de l’Opal CT après test qui sont caractéristiques d’une autre forme de silice que la silice commerciale utilisée dans le catalyseur C4 (Tableau 4). Les propriétés texturales ne sont peu modifiées. En effet, la surface spécifique du catalyseur et son volume poreux sont maintenus après test. Leur variation ∆x =100* (X avant test-X après test) / X avant test est inférieure à 25% alors qu’elles sont de 90% et 64% pour le catalyseur C4 non conforme (Tableau 5). Le volume macroporeux diminue de moins de 17% alors qu’il augmente de 30% pour le catalyseur C4. Les catalyseurs de l’invention ont leurs propriétés texturales peu modifiées par les conditions opératoires de la réaction contrairement au catalyseur non conforme C4.
Claims (10)
- Procédé de préparation d’un catalyseur comprenant au moins un sel de phosphate, de type M1HxPOy, x étant un nombre fractionnaire compris entre [0-2] et y étant un nombre fractionnaire compris entre [3-4] avec M étant au moins un métal choisi dans le groupe formé par les métaux du groupe I et du groupe II de la classification périodique, pris seuls ou en mélange et un support comprenant du carbure de silicium SiC, ledit procédé comprenant au moins une étape d’ajout dudit sel de phosphate sur le support comprenant le carbure de silicium.
- Procédé selon la revendication 1 dans lequel les sels de phosphate sont choisis parmi les composés suivants M1H2PO4, M2HPO4, (MPO3)n avec n>1, M2H2P2O7, M3P3O9, M4P4O12, M6P6O18, M8P8O24 seuls ou en mélange.
- Procédé selon l’une des revendications 1 ou 2 dans lequel le ou les métaux M sont choisis parmi les métaux Li, Na K, Cs, Rb, pris seuls ou en mélange et de manière très préférée parmi Na, K, Cs, Rb pris seuls ou en mélange et de manière encore plus préférée parmi K et Cs et de manière très préférée, le métal est le potassium K.
- Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel dans le cas où plusieurs métaux Ma et Mb sont mis en œuvre, les sels de phosphates sont choisis parmi les composés suivants MaH2PO4, MaMbHPO4, MaMbH2P2O7, MaMb2P3O9, Ma3MbP4O12, Ma3Mb3P6O18, avec Ma et Mb choisis parmi les métaux Li, Na K, Cs, Rb, pris seuls ou en mélange et Ma + Mb = M et de manière très préférée parmi Na K, Cs, Rb pris seuls ou en mélange et de manière encore plus préférée parmi K et Cs.
- Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel ledit catalyseur présente une surface spécifique supérieure à 5 m²/g, de préférence comprise entre 5 et 300 m²/g, et de manière encore préférée comprise entre 10 et 250 m²/g et un volume poreux compris entre 0.1 et 1.0 cm3/g, de préférence entre 0.15 et 0.8 cm3/g.
- Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel le carbure de silicium utilisé dans le catalyseur présente une surface spécifique supérieure à 5 m²/g, de préférence comprise entre 5 et 300 m²/g, et de manière encore préférée comprise entre 10 et 250 m²/g.
- Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel ledit support présente un volume poreux compris entre 0,20 cm3/g et 1,5 cm3/g, de préférence compris entre 0,25 cm3/g et 1,4 cm3/g, et de manière encore préférée comprise entre 0,25 cm3/g et 1,2 cm3/g.
- Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel le catalyseur comprend et est de préférence constitué, en pourcentage poids, par :
- 40 à 95 %, de manière préférée 50 à 90 % et de manière très préférée de 55 à 90 %, de manière encore plus préférée entre 70% et 85% de carbure de silicium (SiC),
- 5 à 60 %, de manière préférée de 10 à 50 % et de manière très préférée, de 10 à 45 %, de manière encore plus préférée entre 15% et 30% d’équivalent oxyde du sel de phosphate, notée MPO3. - Procédé de préparation selon l’une des revendications précédentes dans lequel l’étape d’ajout du sel de phosphate sur le support comprenant le carbure de silicium poreux peut être réalisé par imprégnation à humidité naissance ou imprégnation à sec, par ’imprégnation en excès, par échange ionique, par le dépôt précipitation, ou par la déposition en phase vapeur et de préférence par imprégnation à sec.
- Procédé de préparation selon l’une des revendications précédentes dans lequel l’étape d’ajout du sel de phosphate sur le support comprenant le carbure de silicium de préférence réalisé par imprégnation à sec comprend les étapes suivantes :
- une étape a) de préparation d'une solution liquide d’un ou plusieurs sels de phosphate en phase aqueuse ou organique, la température de préparation étant avantageusement comprise entre 5°C et 80°C, de préférence entre 10°C et 70°C.
- une étape b) d’imprégnation de ladite solution préparée à l’étape a) sur le support comprenant le carbure de silicium, le volume de la solution étant avantageusement compris entre 0,7 et 1,1, de préférence entre 0,8 et 1,05 fois le volume poreux du support et la concentration en phosphate de la solution est de préférence comprise entre soit 50g/L à 2000g/L.
- une étape c) de maturation du support imprégné obtenu à l’étape b), pendant une durée comprise entre 5 min et 40 h, de manière préférée entre 10 min et 10h et de manière encore plus préférée entre 30min et 5h, de manière encore plus préférée entre 1 h et 5 h. à une température comprise de préférence entre 10°C et 40°C pour obtenir un précurseur de catalyseur,
- une étape d) de séchage dudit précurseur de catalyseur obtenu à l'étape c) pour obtenir un précurseur de catalyseur séché, ladite étape de séchage étant réalisée à une température comprise entre 70°C et 200°C, sous air, pendant une durée comprise entre 30 min et 12h, de préférence entre 1h et 10h,
- Optionnellement une étape e) de calcination sous air du précurseur de catalyseur séché obtenu à l’étape d) pour obtenir un catalyseur, ladite étape de calcination étant mise en œuvre à une température comprise entre 300°C et 550°C, pendant une durée comprise entre 30min et 12h, de préférence entre 1h et 10h.
- Optionnellement une étape f) de traitement thermique du catalyseur obtenu à l’étape e) optionnelle, ladite étape f) étant mise en œuvre sous gaz inerte, de préférence l’azote, l’hélium, le méthane, ou le dioxyde de carbone, seuls ou en mélange, à une température comprise entre 500°C et 1200°C, de préférence entre 600°C et 1100°C et de manière très préférée entre 750°C et 1000°C, pendant une durée comprise entre 30min et 12h, de préférence entre 1h et 10h,
- Optionnellement une étape g) de traitement thermique sous gaz contenant de la vapeur d’eau du catalyseur obtenu à l’étape d) et/ à l’étape f), à une température comprise entre 350°C et 1000°C, de préférence entre 450°C et 950°C et de manière très préférée entre 450°C et 900°C à une pression comprise entre 0,1 et 2 MPa, de manière préférée entre 0,15 et 1,5 MPa et de manière encore plus préférée entre 0,17 et 1,0 MPa.
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- 2023-09-04 WO PCT/EP2023/074107 patent/WO2024056416A1/fr unknown
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| LEDOUX ET AL., J. CATAL, vol. 114, 1988 |
Also Published As
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| WO2024056416A1 (fr) | 2024-03-21 |
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