Brevet FR2011216A1 — publié le 19700227

La présente invention- concerne la production d'alumino-silicates cristallins et plus particulièrement des procédés perfectionnés de production rapide et avec un bon rendement de zéolites cristallines à partir d'un mélange aqueux contenant de l'alumine, de la silice et un hydroxyde de métal alcalin. On sait que les zéolites à base d1alumino-silicates cristallins peuvent être préparées synthétiquement à partir de mélanges alcalins contenant de la silice et de l'alumine. Par exemple, on a décrit antérieurement des procédés de préparation de la faujasite synthétique, c'est-à-dire de tamis moléculaires des types X et Y, qui font intervenir la préparation de mélanges alcalins contenant les proportions nécessaires d'alumine et de silice, constituant un précurseur, et un vieillissement dudit mélange à diverses températures pendant un à deux jours. Bien que des procédés antérieurs aient permis de préparer des zéolites cristallines synthétiques de bonne qualité, les durées de préparation étaient plus longues que souhaitées. La présente invention a pour but un procédé rapide de préparation de zéolites à base d'alumino-silicates cristallins. La présente invention concerne donc un procédé de préparation d'une zéolite à base d'aluminates cristallins qui comprend les opérations ci-après : 1) préparation d'un mélange précurseur aqueux pour zéolites contenant de la silice, de l'alumine et un hydroxyde de métal alcalin dans des proportions correspondant à celles nécessaires pour obtenir une zéolite ayant la composition désirée ; 2) l1addition audit mélange précurseur d'une proportion comprise entre 0,1 et 107=» en poids (basée sur le poids de la quantité de zéolite désirée qui devrait être obtenue théoriquement - dénommé ci-après " rendement pondéral théorique") - de germes constitués par des particules d'une zéolite qui ont des dimensions inférieures à environ 0,1 micron ; et 3) on fait réagir le mélange par phauffage de façon à obtenir un rendement élevé en zéolite. La température appropriée pour l'obtention d'une zéolite est comprise entre 60 et 150°C. La demanderesse a observé que la durée de la réaction nécessaire pour obtenir des rendements élevés en zéolite cristalline à base d'alumino-silicate peut être considérablement réduite en ajoutant seulement 0,1 à 10% environ en poids de germes constitués par une zéolite très finement divisée, dont les particules ont des dimensions inférieures à environ 0,1 micron, à un mélange précurseur d'hydroxyde de métal alcalin, d'alumine et de silice. 69 20337 2 2011216 Bien qu'on admette que 0,1 à 10% environ en poids de germes conduiront aux résultats les plus économiques dans la plupart des cas, on peut utiliser si on le désire des proportions supérieures à 10%. Cependant, une proportion supérieure à 10% n'augmente pas sensiblement la vitesse de 5 formation du prçduit. On observe, par exemple, qu'en utilisant les faibles proportions susmentionnées de germes qui représentent seulement environ 0,1 à 10% en poids du produit final désiré, une période de vieillissement ou de cristallisation de seulement 10 à 30 mn environ est nécessaire pour obtenir des rendements quasi théoriques en faujasite caractérisée par un 10 rapport silice/alumine compris entre 2 et 4 environ. De plus, on observe qu'en utilisant le procédé d'ensemencement selon l'invention, on peut facilement obtenir de la faujasite synthétique avec un rapport silice/alumine supérieur à 4 en utilisant comme source de silice des solutions peu coûteuses de silicate de métaux alcalins. 15 Les germes de petites dimensions utilisés dans la technique d'ensemencement selon l'invention n'ont pas une composition identique à celle de la zéolite produite, dont la composition est définie par les rapports des réactifs dans le mélange précurseur. Ils peuvent être non cristallins mais sont de préférence cristallins. Par exemple, ces germes de petites 20 dimensions peuvent avoir la composition d'ensemble attribuée à la faujasite synthétique. La faujasite synthétique qui est souvent dénommée "tamis moléculaire " du type X ou du type Y, suivant son rapport silice/alumine peut être préparée sous forme de particules de très petites dimensions en utilisant les procédés décrits dans les demandes de brevet n° 144 714 (folio 11 935) 25 et n° 148 242 (folio 11 745) de la demanderesse. Dans une forme de l'invention, les germes sont de nature fortement cristalline et peuvent être considérés comme représentant le produit final des brevets en instance susmentionnés. En variante, ces germes peuvent avoir un degré de cristallinité relativement faible et peuvent être préparés par 30 les procédés décrits dans les brevets susmentionnés, dans lesquels la durée du vieillissement qui conduit à la formation de cristaux est diminuée. Pour obtenir des résultats optimaux, les dimensions moyennes des particules desdits germes sont comprises entre 0,01 et 0,1 micron. Les mélanges précurseurs aqueux de silice, d'alumine et d'hydro-35 xyde de métal alcalin sont préparés en utilisant les rapports d'ingrédients nécessaires pour obtenir la zéolite désirée. Dans le cas d'une faujasite synthétique, par exemple le rapport de la silice à l'alumine variera en fonction du rapport silice/alumine désiré dans le produit final. Pour des 69 20337 3 2011216 exemples représentatifs de préparation de faujasite synthétique du type X (c'est-à-dire dans lesquels le rapport final silice/alumine sera compris entre 2 et 3) on utilise en général les rapports ou concentrations -ci-après d'ingrédients : 5 Si02/Al203 3 à 5 M20/Si02 lr2 à 1,5 H20/Na20 35 à 60 Si l'on désire préparer des faujasites synthétiques de composition correspondant au type Y (c'est-à-dire telle que le produit final est 10 caractérisé par un rapport silice/alumine de 3 à 7), on peut utiliser plusieurs gammes de proportions d'ingrédients. On peut citer comme exemples représentatifs : 111 ± Si02/Al203 7-40 10-30 7-30 8-30 15 M20/Si02 2-0,4 0,4-0,6 0,6-0,8 0,6-10 H20/Na20 25-60; 20-60 20-60 12-90 Dans les formules ci-dessus, dans lesquelles le cation de métal alcalin est désigné par M, il est entendu que bien que le métal alcalin préféré soit le sodium, on peut parfois utiliser d'autres cations constitués 20 par des métaux alcalins tels que le potassium et le lithium. Les mélanges précurseurs qui contiennent de l'eau, un hydroxyde de métal alcalin, de la silice et de l'alumine sont préparés en utilisant les procédés de mélange classiques et des matières de départ telles que le silicate de sodium et l'aluminate de sodium d'autres sources de silice et 25 d'alumine sont les gels d'alumine, les sels d'aluminium, les gels de silice et les sols de silice. On maintient en général ces mélanges à une température comprise entre 25 et 110°C environ et on observe qu'ils restent stables pendant des périodes raisonnables. Après avoir préparé le mélange de précurseurs de zéolite, on le 30 mélange avec 0,1 à 107<> en poids de germes constitués par une zéolite. Le procédé utilisé pour mélanger les germes cristallins au mélange précurseur doit conduire à une dispersion rapide et complète des germes à travers ledit mélange. Des proportions de germes cristallins supérieures à environ 107» n'augmentent pas la vitesse de production de la zéolite en proportion du coût 35 des germes supplémentaires. Bien qu'on puisse utiliser moins de 0,17» en poids de germes cristallins, on observe en général que la vitesse de production diminue rapidement quand on utilise moins de 0,17» environ en poids de germes cristallins. Par conséquent, on peut utiliser en général dans le présent procédé entre 0,1 et 10% environ en poids (basé sur le rendement pondéral en 40 zéolite constituant le produit final) de germes cristallins. r—"** " bad ôbigînal 20337 4 2011216 La suspension de mélange précurseur et de germes cristallins est ensuite maintenue à température élevée, en général entre 60 et 110°G environ, pendant une durée comprise en général entre 10 mn et 4 h environ'; cependant, on peut augmenter les durées de réaction si on le désire. On observe que, pendant la durée de cette réaction, la zéolite cristalline désirée se forme avec des rendements qui se rapprochent du rendement théorique" prévu à partir des matières de départ présentes dans la solution servant de précurseur. La réaction peut être mise en oeuvre à une température sensiblement uniforme ou, si on le désire, cette réaction peut être mise en oeuvre à une série de températures différentes. Autrement dit, la suspension ainsi préparée peut être tout d'abord vieillie entre 25 et 40°C environ pendant 10 mn à 24 h et chauffée ensuite à une température plus élevée entre 40 et 110°C environ, pendant 10 mn à 4 h environ. Il est aussi entendu que la réaction de vieillis sentent peut être exécutée alors que la température varie de manière continue. Après la réaction, le produit cristallisé obtenu est récupéré par un procédé approprié qui peut comporter une filtràtion ou une centrj-fu-gation. Le produit récupéré est de préférence lavé pour éliminer les réactifs en excès et peut ensuite être desséché ou utilisé soys forme d'une suspension aqueuse. Les zéolites cristallines préparées selon la présente invention ont de nombreuses applications y compris comme constituants de catalyseurs et comme absorbants. On décrit l'invention plus en détail dans les exemples ci-après. MATIERES DE DEPART On prépare les germes de zéolite en opérant comme suit : A) on dissout 29 g d'aluminate de sodium (Ka2O.Al2O2.3H2O) dans 368 g d'eau'. On prépare une solution de silicate de sodium contenant 420 g de silicate de sodium (28,5% de SiÛ2 ; 8,7% de P^Q), 112 g de NaOH et 100 g de H^O. 0n refroidit ces solutions à 0°C, les mélange et les vieillit en agitant pendant 1 h à 0°C. On laisse vieillir ensuite lêmélange sans agiter pendant 16 h à 20°C. On chauffe le mélange entre 90 et 100°C pendant 6 h et on récupère le produit par filtràtion et le lave. Ce produit a la structure cristalline des zéolites du type X et un rapport silice/alumine d'environ 2,5:1. Les dimensions des particules de ce produit sont comprises entre 0,01 et 0,05 micron. Sa surface spécifique mesurée avec de l'azote 2 3t de 720 m /g. B) On recommence les opérations indiquées en A ci-dessus, cependant on supprime, la période de chauffage entre 90 et 100"C et on réduit la durée du vieillissement à 20°C de 16 h à environ 4 h. Les germes de zéolite obtenus bad original 69 20337 5 2011216 sont caractérisés par des particules de dimensions inférieures à environ 0,01 micron, un rapport silice/alumine d'environ 2,5 et par une cristallinité non décelable. EXEMPLE 1 5 Dans les expériences figurant sur le tableau I ci-annexê, on ajoute au mélange réactionnel caractérisé par divers rapports des réactifs, à savoir Na^O, Al^O^, SiOH^O, et constitué par de 1'hydroxyde de sodium, du silicate de sodium du commerce (Na20.3,3 SiO^) et de l'aluminate de sodium avec O,57o en poids de germes A ou B préparés de la manière décrite sous la 10 rubrique " matière de départ". L'opération de préparation comprend le mélange des réactifs, un vieillissement pendant 16 h à 20°C et un vieillissement pendant 4 h entre 90 et 110°C. Les particules de zéolite obtenues sont caractérisées par un rapport silice/alumine compris entre 5/1 et 6/1 environ et leur structure cristalline est celle de la faujasite. 15 EXEMPLE II On exécute une série d'expériences d'une manière semblable à celle décrite dans l'exemple I, sauf qu'on supprime le vieillissement d'une durée de 16 h à 20°C. Quand c'est possible, la concentration des germes de zéolite est à nouveau égaleà 0,5% du poids théorique de la zéolite constituant le 20 produit fini (base A^O^). A noter en particulier, que lorsqu'on supprime les germes de zéolite, on n'observe aucune formation de zéolite (expérience I). On obtient par le présent procédé des faujasites à teneur élevée en silice (autrement dit avec un rapport silice/alumine de 5/1) sans vieillissement à froid à l'extérieur. 25 EXEMPLE III On procède à une série d'expériences en utilisant une solution préparée à partir de l'aluminate de sodium, de 1'hydroxyde de sodium et du silicate de sodium caractérisée par un rapport des réactifs Na^O/A^0^/3^2/1120 égal à 4,2:1:3:180. On adopte divers taux d'ensemencement, comme indiqué sur 30 le tableau III annexé, en utilisant des germes préparés par le procédé décrit en A ci-dessus. Les durées de vieillissement à 20°C et avec chauffage au reflux (90 à 110°C) sont également variables. Les produits obtenus sont identifiés comme étant de la faujasite avec un rapport silice/alumine voisin de 2,5. 35 EXEMPLE IV Pour mieux faire comprendre l'effet de l'addition de 1%. de germes aux ingrédients utilisés pour la préparation des produits de l'exemple III, on a procédé à des expériences dans lesquelles le produit est échantillonné avec diverses périodes de vieillissement entre 90 et 110°C atteignant jusqu'à 30 mn. La pétiode de vieillissement à 20°C est supprimée. 69 20337 6 2011216 REVENDICATIONS 1 - Procédé de préparation d'une zéolite cristalline à base d'alu-minosilicate dans lequel on prépare un mélange précurseur aqueux de zéolite contenant de la silice, de l'alumine et un hydroxyde de métal alcalin dans des 5 proportions correspondant à celles nécessaires pour la préparation d'une zéolite de composition désirée et on fait réagir ledit mélange en chauffant pour obtenir ladite zéolite, caractérisé en ce qu'on ajoute audit mélange précurseur entre 0,1 et 10% environ en poids par rapport au rendement théorique de germes constitués par des particules d'une zéolite de dimensions inférieures 10 à 0,1 micron environ. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les proportions dans le mélange réactionnel sont celles nécessaires pour une zéolite du type X. 3 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les 15 proportions dans le mélange réactionnel sont celles nécessaires pour une zéolite du type Y. 4 - Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la durée de la réaction est comprise entre 5 et 30 mn environ. 5 - Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé 20 en ce que la dimension moyenne des particules de zéolite constituant lesdits germes est comprise entre 0,01 et 0,1 micron environ. 6 - Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les germes sont essentiellement cristallins. 7 - Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que lesdits .25 germes sont constitués par une faujasite synthétique. S - Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les germes sont essentiellement non cristallins, comme indiqué par -les prodédés courants de diffraction des rayons X. 9 - Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé 30 en ce que ladite réaction pour préparer la zéolite comprend un vieillissement pendant 10 mn à 24 h entre 25° et 40°C, suivi d'un chauffage pendant 10 mn à 4 entre 40 et 110°C.