LU83014A1 - Matiere synthetique cristalline poreuse constituee par des oxydes de silicium et de titane,son procede de preparation et ses applications - Google Patents

Matiere synthetique cristalline poreuse constituee par des oxydes de silicium et de titane,son procede de preparation et ses applications Download PDF

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LU83014A1
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Description

% i , , "Matière synthétique cristalline poreuse constituée par des oxydes de silicium et de titane, son procédé de préparation et ses applications." 5 La présente invention concerne une matière synthétique cristalline poreuse constituée par des oxydes de silicium et de titane, son procédé de préparation et ses applications .
Dans la suite de la description, la matière synthétique » 10 en question sera désignée par silicalite de titane ou en abrégé TS-1.
Le brevet US N° 3 329 481 décrit des zéolites contenant du titane qui sont préparés à partir de matières siliceuses et de composés minéraux du titane en l'absence de bases orga-15 niques. La silicalite qui est une structure zéolite constituée par SiC>2 cristallisée pure a été décrite par Flanigen E.M et collaborateurs (Nature 271, 512 (1978)).
Une silice poreuse cristalline ayant une structure du type silicalite dans laquelle le titane est mentionné, 2o parmi beaucoup d'autres métaux, comme modificateurs, est décrite dans la demande de brevet française N° 7 916 000.
La même demande de brevet décrit une réalisation dans laquelle la quantité de titane est d'environ 29,5 % en moles par rapport à la silice.
25 Dans la gamme de compositions de 0,0001—1 Ti02 . 1 Si0o décrite dans la demande de brevet sus-mentionnée, une gamme > de composition a maintenant été découverte qui permet d'obtenir une silicalite de titane ayant des propriétés catalytiques surprenantes dans celles des réactions où ces 30 catalyseurs sont utilisés.
La gamme de compositions de la silicalite de titane selon la présente invention, exprimée en termes de rapports molaires entre les réactifs est la suivante :
Rapport molaire entre les De préférence ' - 35 réactifs
Si02 / Ti02 5-200 ' 35-65 1 O ET / Si02 O,1-1,0 0,3-0,6 _jL H O / SiO., 20-200 60-100 2
Me/Si09 0,0-0,5 Ο RN /SiO^ 0,1-2,0 0,4-1,0 RN ludique le cation organique azoté provenant de la base organique utilisée pour préparer la silicalite 5 de titane selon la présente invention.
Me est un ion alcalin, de préférence Na ou K.
La TS-1 finale a une composition correspondant à la formule x T.iû2 . (1-x) Si02, où x est entre 0,0001 et 0,04, de préférence entre 0,01 et 0,025. La TS-1 est du type si-.10 licalite, et tout le titane se substitue au silicium.
La matière synthétique selon la présente invention a des caractéristiques qui sont décelées par un examen aux rayons X et aux infra-rouges.
L'examen aux rayons X est effectué au moyen d'un dif-15 fractomètre à poudre inuni d'un système de comptage à im- pulsionsélectronique utilisant la radiation CuK ·/> . Les produits selon la présente invention sont caractérisés par un spectre de diffraction des rayons X comme le montre la figure lb. Ce spectre est similaire globalement au spectre 20 typique de la silicalite (figure la), cependant il comprend quelques réflexions nettemait,‘sinples'i là où des réflexions doubles nettes sont présentes dans le spectre de la silicalite pure. Comme les différences spectrales entre TS-1 et la silicalite sont relativement petites, il faut prendre 25 des soins particuliers dans l'établissement du spectre.
Pour cette raison TS-1 et la silicalite sont examinées par le même appareil utilisant l'^Al^-^ comme étalon interne.
Le tableau 1 montre les résultats spectraux les plus significatifs pour une TS-1 avec x= 0,017 et une silicalite pure. 30 Les constantes de cellules cristallines élémentaires sont déterminées par le procédé des carrés minimums basé sur les distances entre plans des réflexions simples 7-8 dans la gamme de 10 à 40° pour 2 h.
Une grande partie des distances entre plans pour 35 la TS-1 ont tendance, quoique légèrement, à être supérieures aux distances correspondantes pour la silicalite pure,en ν accord avec la valeur prévisible supérieure de la longueur jr _ de liaison Ti-0 par rapport à celle de la longueur de
V
3 liaison Si-O.
Le passage d'une réflexion double à une réflexion simple est interprété comme un changement d'une symétrie mono-clinique (pseudo orthorhombique) (silicalite) à une symétrie 5 orthorhombique effective (silicalite de titane (Ts-1) ) . Les flèches sur les figures la et lb montrent les plus apparentes des différences spectrales précédentes.
Le passage de la structure monoclinique (silicalite) à la structure orthorhombique a lieu pour une concentration en titane supérieure à 1 %.
10 Cependant, aussi bien le volume cellulaire élémentaire que 11 intensité sd'une bande d'absorption caractéristique IR (voir plus loin) montrent clairement la continuité du phénomène de substitution (voires figures 3a et 3b).
Examen aux infra-rouges. La TS-1 montre une bande d'absorp-15 tion caractéristique à environ 950 απ-"*" (voir figure 2, spectres B, C et D) qui n'existe pas dans le spectre de la silicalite pure (figure 2, spectre A), et est absente dans les oxydes de titane (rutile, anatase) et dans les ti-tanates alcalins.
20 Le spectre B est celui de la TS-1 contenant 5 % en mole de Ti 0^·
Le spectre C est celui de la TS-1 contenant 8 % en mole de Ti O 2·
Enfin le spectre D est celui de la TS-1 contenant 2,3 % 25 en mole de Ti O2· ^ - Comme on peut le voir d'après la figure 2, l'intensité de la bande à environ 950 cm~^ augmente avec la quan tité de titane qui se substitue au silicium dans la structure silicalite .
30 Morphologie. En termes morphologiques, la TS-1 est sous la forme de parallélépipèdes à angles arrondis. Un examen avec une microsonde S rayons X a montré que la ré partition du titane dans le cristal est parfaitement unifor-- . me, confirmant ainsi que le titane se substitue au silicium idans la structure silicalite.et n'existe pas sous d'autres formes.
A
i 4
Adsorption . L'isotherme d'adsorption déterminé par le procédé BET avec de l'oxygène montre que la TS-1 a le comportement typique d'un tamis moléculaire avec une capacité de saturation 3 -1 en volume des pores de 0,16-0,18 cm g 5 Cette propriété rend la TS-1 apte à être utilisée comme adsorbant avec des caractéristiques hydrophobes.
Les propriétés chimiques et catalytiques de la TS-1 peuvent être modifiées en introduisant d'autres éléments de substitution tels que le bore, l'aluminium, le fer, etc.
2q pendant l'opération de synthèse .
. La présente invention concerne également un procédé pour préparer la matière synthétique constituée par des oxydes de silicium et de titane.
Dans la demande de brevet sus-mentionnée, on décrit un •^5 procédé pour préparer une matière à base d'oxydes de silicium et de titane en utilisant une solution de peroxyde d'hydrogène à 30 % pour permettre la solubilisation des composés ( du titane dans un milieu basique.
Les auteurs de la présente invention ont découvert que 2o l'addition de la solution de peroxyde d’hydrogène n'est pas nécessaire dans certaines conditions et ainsi le procédé de préparation pour la matière selon la présente invention est fortement simplifié.
Le procédé de préparation de la TS-1 comprend la prépa-25 ration d'un mélange réactionnel constitué par des sources d'oxyde de silicium et d'oxyde de titane et,éventuellement, un oxyde alcalin, une base organique azotée et de l'eau, ayant une composition des réactifs dans un rapport molaire mentionné précédemment .
30 La source d'oxyde de silicium peut être un tétra-alkyl- orthosilicate, de préférence le tétra-éthylorthosilicate ou simplement une silice sous forme colloïdale, ou encore un silicate d'un métal alcalin, de préférence Na ou K.
La source d'oxyde de titane est un composé de titane 35 hydrolysable choisi de préférence parmi Ti Cl^, Ti 0 Cl^ fet Ti (alcoxy)^, de préférence Ti (OC2
La base organique est un hydroxyde de tétra-alkylammonium, en particulier 1'hydroxyde de tétrapropylammonium.
5 3
Le mélange réactionnel est soumis à un traitement hydrothermique dans un autoclave à une température comprise entre 130° et 200°C sous sa propre pression pendant une durée de 6 à 30 jours jusqu'à ce que les cristaux du précurseur de § TS-1 soient formés. Ces cristaux sont séparés de la solution mère soigneusement lavés à l'eau et séchés.
A l'état anhydre, ils ont la composition suivante : x Ti Oj . (1-x) Si O2 . ^V0,04 (RN+) 2^· Les cristaux du pré curseur sont chauffés pendant 1 à 72 heures à l’air à 3-0 550°C afin d'éliminer complètement la base organique azotée.
La TS-1 finale a la composition : x Ti 02 - (1-x) Si-02 où x a la définition ci-dessus. Les examens chimiques et physiques sont effectués sur les produits ainsi obtenus.
Les applications de la silicalite de titane selon la présente 15 invention sont en particulier les suivantes : 1) alkylation du benzène avec l'éthylène ou l'éthanol, et alkylation du toluène avec le méthanol 2) dismutation du toluène pour obtenir le paraxylène 3) craquage et hydrocraquage 2o 4) isomérisation des n-paraffines et des naphtènes.
5) reformage 6) isomérisation des composés aromatiques polyalkylés substitués 7) dismutation des composés aromatiques 25 S) conversion du diméthyléther et/ou du méthanol,ou d'autres alcools à bas poids moléculaire, en hydrocarbures 9) polymérisation de composés qui contiennent des liaisons oléfiniques ou acétylénigues 10) conversion de composés carbonyle aliphatiques en des 30 hydrocarbures au moins partiellement aromatiques 11) séparation de 1’éthylbenzène d'avec d'autres hydrocarbures aromatiques en CÖ 12) hydrogénation et déshydrogénation des hydrocarbures " ' - 13) méthanation 35 14) oxydation / 15) déshydratation des composés aliphatiques contenant de —l'oxygène i 6 16) conversion des oléfines en composés à haut indice d'octane.
La présente invention est illustrée par les exemples descriptifs et non limitatifs ci-après.
5 EXEMPLE 1
Cet exemple illustre la préparation de la TS-1 avec un degré de pureté élevé.
455 g de tétra-éthylorthosilicate sont placés dans un récipient en verre pyrex muni, d'un agitateur et maintenu sous une atmosphère exempte de et 15 g de tétra-éthyl- ’ titanate sont ajoutés, suivi d'une addition progressive de 800 g d'une solution à 25 % en poids d'hydroxyde de tétra-propyle-ammonium (débarrassé d'alcali minéral). Le mélange est maintenu agité pendant environ 1 heure puis le chauffage ^ est commencé avec précaution afin d'accélérer l'hydrolyse et d'évaporers1'alcool éthylique qui est libéré.
Au bout d'environ 5 heures à 80 -90°C, l'alcool est complètement éliminé. On complète le volume à 1,5 litre avec de l'eau distillée et la solution homogène opalescente 2q est transférée dans un autoclave en titane muni d'un agitateur. Le mélange est chauffé à 175°C et maintenu agité à cette température sous sa propre pression pendant une durée de 10 jours. Quand le traitement est terminé, l'autoclave est refroidi, le contenu est déchargé et la masse de cristaux „ 25 fins obtenus est récupérée.Ceux-ci sont lavés soigneusement plusieurs fois sur filtre avec de l'eau distillée chaude.
Le produit est ensuite séché puis calciné à 550°C pendant 6 heures.
Le spectre de diffraction des rayons X pour le produit 2q calciné correspond à celui de la TS-1 donnée sur la figure lb et dans le tableau 1.
EXEMPLE 2
Cet exemple illustre la préparation de la TS-1 en utilisant le tétrapropylammonium peroxytitanate comme source .. _ 25 d'oxyde de titane.
I Les pertitanates sont connus pour être stables dans une y solution fortement basique.
“TP 150 g de tétra-éthyltitanate sont hydrolyses en les ; 7 faisant tomber goutte à goutte lentement dans 2,5 1 d'eau distillée tout en agitant. Une suspension gélatineuse blanche est obtenue. Elle est refroidie à 5°C et 1,8 litre de peroxyde d'hydrogène à 30 %, également refroidie à 5°C, est ajoutée 5 puis l'agitation est poursuivie éventuellement pendant 2 .
heures tout en maintenant la température basse. Une solution limpide de couleur orangé est obtenue. A ce moment, 2,4 litres d'une solution aqueuse d'hydroxyde de tétrapropyl-ammonium prérefroidie à 5°C sont ajoutés. Au bout d'une .10 heure, 500 g de silice colloïdale "Ludox" contenant 40 % de S1O2 sont ajoutés, mélangés avec précaution et le mélange est laissé au repos toute une nuit à la température ordinaire . Il est ensuite chauffé sous agitation à 700-80°C pendant 6 à 7 heures. Le mélange ainsi obtenu est transféré 15·· dans un autoclave et les opérations décrites dans l'exemple 1 sont ensuite effectuées.
Le produit final examiné aux rayons X est trouvé être la TS-1 pure convenablement cristallisée.
EXEMPLES 3 à 7 20 En opérant dans les conditions décrites dans l'exemple 2, cinq préparations sont réalisées dans lesquelles les rapports molaires des réactifs (exprimés sous la forme Si O^/Ti 02) et la quantité de tétrapropylammonium (exprimée par RN /Si 0^) varient.
„ 25 Les résultats de l'analyse chimique, la variation du volume réticulaire et le taux d'absorption IR pour les bandes à * 950 cm (Ti) et à 800 cm ^ (Si) sont résumés dans le ta bleau 2.
Les figures 3a et 3b montrent respectivement la varia-30 tion du rapport entre les intensités des bandes d'absorption IR et la variation des volumes réticulaires.
Les abscisses sur ces figures représentent la teneur x de Ti 02 exprimée en % molaires.
Le point 0 sur les abscisses correspond aux valeurs men-·· - 35 tionnégs ci-dessus pour la silicalite pure. On peut voir que les deux quantités mentionnées ci-dessus varient d'une façon J sensiblement linéaire avec la concentration du titane.
t 8 EXEMPLE 8
Cet exemple montre comment les propriétés acides de la TS-1 sont considérablement influencées par l'introduction de traces d'aluminium.
5 Enopérant exactement comme dans l'exemple 2, 4,27 g de NaAlC>2 sont ajoutés au préalable aux 500 g de silice colloïdale *Ludox" (rapport molaire des réactifs Si O2/AI2 = 128). Bien que la TS-1 obtenue ne montre pas de différences appréciables dans l'examen aux rayons X avec celle obtenue 10 dans 1'exemple 2, elle montre sous sa forme H une acidité ‘ considérablement augmentée (en passant d'une concentration " _3 , + de 1.10 meq H /g pour la TS-1 à une concentration de 0,5 méq H+/g pour l'échantillon dopé avec l'aluminium).
EXEMPLE 9 15 Cet exemple montre comment l'acidité de la TS-1 est in fluencée par l'introduction du bore.
En opérant exactement comme dans l'exemple 2, 40 g d'acide borique dissous dans 35 g de KOH sont ajoutés à la silice' Ludox? 20 L'acidité du produit final est de 0,8-1 méq H+/g.
Dans ce cas, la substitution simultanée par le bore et le titane est montrée par l'examen IR. En plus de la bande du titane à 950 cru \ la bande caractéristique du bore en ; coordination tétrahédrique est nettement visible à 920 cm 25 EXEMPLE 10 5,8 g d'alcool allylique sont ajoutés à une solution d'alcool butylique tertiaire (80 ml) contenant 64 g d'une » solution de peroxyde d'hydrogène à 6,3 % dans l'alcool butylique tertiaire anhydre. 2 g du catalyseur TS-1 (2 % en moles 30 - de Ti02) sont ajoutés à ce mélange, et le mélange résultant est agité à la température ordinaire. Après 12 heures le mélange réactionnel est filtré et le solvant est chassé par distillation sous vide.
Le résidu purifié contient 8 g de glycérine avec un ren-35 j dement de 86 %.
" A
/ 9 TABLEAU 1 TS-1 ' Silicalite ^ 2 & Distance Intensité 2 û · Distance Intensi- (CUK-^) entre plans relative (b) (CUK“^) efre re- plans lative 5 d(Â) (d(Â) (b) î--—-- 7,94 11,14 vs 7,94 11,14 vs 8,85 9,99 s 8,85 9,99 s 9,08 9,74 m 9,08 9,74 m *10 13,21 6,702 w 13,24 6,687 w 13.92 6,362 mw 13,95 6,348 mw 14,78 5,993 mw 14,78 5,993 mw 15,55 5,698 w 15,55 5,698 w* 15,90 5,574 w 15,90 5,574 w 15 17,65 5,025 w 17,65 5,025 w 17,81 4,980 w 17,83 4,975 w 20,37 4,360 w 20,39 4,355 w 20,85 4,260 mw 20,87 4,256 mw 23,07 3,855 s 23,08 3,853 s 2o 23,28 3,821 ms 23,29 3,819 s 23,37 3,806 ms \ 23,71 3,753 ms 23,72 3,751 s 25 23,80 3,739 ms 23.92 3,720 s 23,94 3,717 s v 24,35 3,655 mw 24,41 3,646 m 24,60 3,619 mw 30 25,84 3,448 w 25.87 3,444 w 25,97 3,431 w 26.87 3,318 w* 26,95 3,308 w* 29,23 3,055 w 35 | 29,27 3,051 mw jL· · 29,45 3,033 w Γ !ι i- I 10 29,90 2,988 mw 29,90 2,988 mw 30,34 2,946 w 30,25 2,954 w 45,00 2,014 mw* 45,05 2,012 mw* 45,49 1,994 mw* 45,60 1,989 mw* 5 (a) préparé par le procédé du brevet US N° 4061 724.
Produit calciné à 550°C.
(b) VS : très forte; s: forte : ms : moyennement forte m : moyenne mw : moyennement faible w : faible Φ : multiplet
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Claims (9)

12 'i Ί
1. Matière synthétique cristalline poreuse à base d'oxyde de silicium et d'oxyde de titane, possédant une structure du type silicalite dans laquelle le titane se subs- 5 titue au silicium, et qui est représentée par 3a formule : x Ti O2 · (1—x) Si O2 dans laquelle x se situe entre 0,0005 et 0,04, de préférence entre 0,01 et 0,025.
2. Procédé pour préparer une matière synthétique selon 10 la revendication 1, caractérisé par le fait que les réactifs de départ sont constitués par une source d'oxyde de silicium et d'oxyde de titane et éventuellement un oxyde alcalin, une base organique azotée et de 1’eau dans les rapports molaires suivants : 1 15 SÎ02/TÎ02 de 5 à 200, de préférence de 35 à 65 OH /S1O2 de 0,1 à 1,0, de préférence 0,03 à 0,6 H2O/S1O2 de 20 à 200, de préférence 60 à 100 Me/Si09 de 0,0 à 0,5, de préférence zéro + Δ RN /SiO de 0,1 à 2,0, de préférence 0,4 à 1,0 20 ou Me est un ion alcalin,de préférence Na ou K, et RN est le cation de la base organique azotée, le mélange des réactifs avec l'eau est soumis à un traitement hydrothermique dans un autoclave à une température de 130° à 200°C sous sa propre pression pendant une durée de 6 à 25 30 jours, les cristaux obtenus sont ensuite séparés de la solution mère, lavés à l'eau et séchés, et puis chauffés pendant 1 heure à 72 heures à l'air à 550°C.
3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé par le fait que la source d'oxyde de silicium est un tétra- 30 alkylorthosilicate.
4. Procédé selon la revendication 2, caractérisé par le fait que la source d'oxyde de silicium est une silice sous forme colloïdale.
5. Procédé selon la revendication 2, caractérisé par 35 le fait que la source d'oxyde de silicium est un silicate d'un métal alcalin, de préférence de sodium ou de potassium.
6. Procédé selon la revendication 2, caractérisé Φ- par le fait que la source d'oxyde de titane est un composé 13 m de titane hydrolysable.
7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé par * le fait que le composé de titane hydrolysable est choisi parmi TiCl4# TiOCl2 et Ti(alcoxy)4- 8, - Procédé selon la revendication 7, caractérisé par le fait que le Ti(alcoxy)4 est le Ti(OC2H^)4.
9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 8, caractérisé par le fait que la base organique azotée est un hydroxyde de tétra-alkylammonium, en particulier - l'hydroxyde de tétrapropylammonium. __
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