Brevet FR2359073A1 — publié le 19780217

L'invention concerne un nouveau procédé pour la préparation de zéolites synthétiques ; elle se rapporte également aux zéolites ainsi obtenues et leurs applications. Les zéolites synthétiques, désignées également sous le nom de "tamis moléculaires" sont des matériaux adsorbants solides formés à partir daluminosilicates zéolitiques cristallins de synthèse, préalablement dé shydra - tés par chauffage, de formule générale M20. M2 03. x SiO2. y H20. dans laquelle M n représente un métal alcalin ou alcalino-terreux n la valence de ce métal x une valeur variant suivant le type de la zéolite y une valeur variant suivant le degré de déshydratation de la zéolite. De tels corps chimiques, notamment à l'état naturel sont connus depuis fort longtemps, de sorte qu'il n'y a pas lieu de les décrire ici en détail Les zéolites sont cIassées de différentes manières, dénommées A > B.... X, Y... HS, etc. . suivant leur structure cristalline et lueur proportion en aluminium et silicium que lton définit soit par le rapport SiO2/Al203, soit par le rap port Sisal. Il existe à ce jour plusieurs dizaines de zéolites répertoriées dont la teneur en silice varie généralement entre quarante et quatre-vingt pour cent La structure des zéolites consiste essentiellement en un assemblage par, ticulier pour chaque type de zéolites, de tétraèdres Si94 et AlO4 liés entre eux par leurs sommets. L'élément de base en forme de tétraèdre comporte au centre soit un atome de silicium, soit un atome d'aluminium et quatre atomes d'oxygène aux sommets.La charge négative associée à chacun des tétraèdres MO4 est neutralisée par la présence dans le cristal de cations tels que par exemple des cations alcaiins ou alcalinoterreux. L'ensemble des tétraèdres SiO4 et ATOLL liés entre eux par les cations possède une struc ture ouerte.(cavités) comportant des canaux vides ou pores de dimensions uniformes par le; fait qutils ont subi un traitement de déshydratation pendant leur préparation. Pour un type de zéolite déterminé, l'ouverture des pores peut etre réglée par la nature ét le taux d'échange des cations compensateurs des charges négatives des tétraèdres AlO4.Par exemple dans le cas de la variété sodique de la zéolite type A qui contient dans sa structure des cavités alpha de diamètre voisin de onze A-t des cavités becta de diamètre voisin de six , les pores qui relient les cavités alpha entre elles ont une dimension o o voisine de quatre A. La valeur de cette dimension diminue à trois A lorsque une part importante (au moins soixante pour cent) des cations sodium sont échangés par-des cations potassium, et en revanche augmente jusqu'à cinq A lorsque les ions sodiums sont remplacés par des ions calcium. En revanche, la valeur des pores de deux virgule six qui relient les cavités alpha aux cavités bêta reste inchangé. Il existe de très nombreux procédés pour la préparation des zéolites de synthèse. Généralement ces procédés consistent à préparer la variété sodique de la zéolite par synthèse tdrothermale, les autres variétés étant obtenues par échange ionique des ions sodium. Schématiquement ces procédés consis-tent essentiellement - à former en milieu aqueux sensiblement à température ambiante un mélange réactionnel homogène, formé en proportions molaires appropriées de silice, d'agent alcalin et de composé riche en aluminium - à chauffer ce mélange jusqu'à cristallisation de la masse réactionnelle - à séparer les cristaux formés puis à laver jusqu'à ce que le pH de l'eau effluente soit compris entre neuf et douze - enfin à sécher les cristaux obtenus à 100, 1500C. Les procédés connus à ce jour peuvent essentiellement se diviser en trois groupes. Le premier groupe consiste à réaliser la cristallisation à partir d'un gel d'alumino-silicate, c'est-à-dire à partir d'un mélange sous forme de gel de silice et d'alumine pures. Cette technique quoique largement répandue, car la plus ancienne, nécessite l'emploi de matières premières pures donc relativement conteuses (voir notamment brevet américain 2 882 243 et 2 882 244) Selon les matières premières utilisées et les rapports molaires choisis, on obtient des zéolites du type A (brevet américain 2 882 243) du type X (brevet américain 2 882 244), du type B (brevet américain 3 008 803) du type Y (brevet français 1 231 239 et 1 286 674), du type HS, dénommé aussi Zh ou de tout autre type répertorié. Le deuxième groupe consiste à faire appel à des alumino-silicates cristallins issus de minéraux argileux, tels que l'argile ou le kaolin, à compléter éventuellement ce composé avec des alumino-silicates et/ou des silicates appropriés et à provoquer la réaction chimique Cette technique nécessite des traitements mécaniques, thermiques et/ou chimiques préalables des minéraux argileux. Par exemple, le kaolin doit être préalablement broyé puis calciné soit à 5500C dans le cas du méta-kaolin, soit à 950"C dans le cas de kaolin (voir brevet français 1 264 441). Egalement pour enrichir -le milieu réactionnel en silice, on peut effectuer un traitement préalable à l'acide chlorhydrique (voir brevet américain 3 340 958). Là également, ces traitements préalables sont longs et coûteux, de sorte qu'ils grèvent le prix de revient des zéolites. Le troisième groupe de procédés fait appel à des matières premières diverses, contenant de la silice et de l'alumine. Là encore l'emploi de ces matières premières nécessite des traitements préalables mécaniques et/ou chimiques et/ou thermiques coûteux Par exemple, les verres naturels ou synthétiques exigent un broyage préalable (voir brevet français 2 020 996) les terres de diatomées nécessitent un broyage suivi dtun lavage, puis d'un traitement à l'acide chlorhydrique, puis d'une calcination à 450"C environ (voir brevet américain 3 341 284) ; les cendres des centrales thermiques requièrent également un broyage suivi d'un traitement à l'acide, puis d'un traitement thermique à 700"C. Enfin, certains types de zéolites ne peuvent pas être obtenus à partir de ces matières, sans compter que les produits qui peuvent entre préparés demandent généralement des conditions de synthèse plus onéreuses, en particulier des durées de traitement plus longues que celles qui sont utilisées dans les procédés conventionnels du premier et du deuxième groupe, et enfin les zéolites obtenues n'ont pas toujours le degré de pureté voulu, de sorte que leur emploi reste parfois limité; La présente invention pallie ces inconvénients. Elle se rapporte à un procédé perfectionné pour la préparation de zéolites beaucoup plus économique que les procédés connus jusqu'à ce jour. Ce e procédé de préparation de zéolites, dans lequel de manière connue - on forme en milieu aqueux et sensiblement à température ambiante , un mélange réactionnel homogène, contenant en proportions molaires appropriées de la silice, un agent alcalin et de l'alumine, - on chauffe ce mélange jusqu'à cristallisation de la masse réactionnelle, - on sépare les cristaux formés au sein de la liqueur-mère, - puis on lave jusqu'à ce que le pH de l'eau effluente soit compris entre neuf et douze, - et enfin, éventuellement, on sèche les cristaux formés entre 100 et 150"C, se caractérise en ce que comme matière première contenant de la silice, on met en oeuvre des poussières de silice provenant de la fabrication des ferro -alliages. Les ferro-alliages, c'est-à-dire les alliages de fer et de silicium et de chrome, etc., sort généralement élaborés dans des fours électriques. La fabrication du ferro-silicium et du silicium métal dans des fours ouverts provoque un dégagement de fumées qui contiennent principalement des poussières de silice formées par l'oxydation du gaz SiO qui s'échappe au cours du procédé de réduction. Ces poussières de silice dont les caractéristiques chimiques et physiques sont bien connues des métallurgistes (voir par exemple "Journal du four électrique" n" 3-1 975 page 51) sont produites en très grosses quantités et constituent des déchets nocifs, dangereux et polluants dont jusqu'à présent on ne savait que faire, et qu'il fallait éliminer avec des installations de plus en plus coûteuses. Comme source d'alumine, on peut utiliser les sources connues pour ce type d'application, c'est-à-dire les aluminates de sodium, les différentes variétés d'alumine telles que les alumines alpha, bêta, gamma, l'alumine activée, l'alumine trihydratée, etc. On utilise de préférence la source la plus économique pour le résultat envisagé. Comme agent alcalin on utilise avantageusement de manière classique la soude. La durée du traitement éventuel de mûrissage qui s'effectue sensiblement à température ambiante et pendant lequel on met les constituants en présence au repos peut varier dans de larges limites, par exemple entre trente minutes et une semaine, suivant les matières utilisées et les résultats envisagés. Un technicien est aisément à mEme de déterminer ces durées. De meme le traitement de chauffage jusqu'à cristallisation du mélange réactionnel peut aussi varier dans de larges limites. De la même façon, la composition du milieu réactionnKel, c'est-à-dire les rapports molaires des mélanges d'oxydes SiO2/ M2 O3 > Na2 O/SiO2 H2O/Na2O peuvent varier dans de larges limites, notamment en fonction du type de zéolite recherché On a déterminé toutefois que l'on obtenait d'excellents résultats avec des mélanges d'oxydes dans les limites suivantes - SiO2/Al2O3 de 0,1 à 4Q - Na2O/SiO2 de 0,1 àîO - H2O/Na2O de 10 à 400 Comme on le voit, des limites très larges permettent de préparer avec succès une gamme variée de zéolites de différents types, ce qui n'est pas le cas avec la plupart des procédés connus actuellement, qui en revanche permettent généralement de travailler dans des four chettes plus réduites conduisant seulement à certains types de zéolites. La phase de séparation des cristaux formés et le ravage et le séchage optionnel s'effectuent de manière classique par exemple par filtration sur un filtre rotatif à vide. De même lorsqu'on veut échanger les ions sodium par d'autres ions alcalins ou alcalino-terreux, on opère de manière connue, par exemple en envoyant le gateau de filtration dans une cuve de chlorure alcalin ou alcalino- terreux. On procède enfin à la mise en forme des zéolites obtenues, avec ou sans liant argileux puis on les active > c'est-à-dire que l'on chasse l'eau d'hydratation naturelle afin de libérer leurs cavités, en les chauffant à des températures comprises entre 200 et 700"C, de préférence entre 400 et 501)OC, pendant une à plusieurs heures. La manière dont l'invention peut etre réalisée et les avantages qui en découlent ressortiront mieux des exemples de réalisation qui suivent, donnés à titre indicatif et non limitatif Afin d'identifier les zéolites préparées, on a déterminé, comme il est habituel pour de tels produits, leurs caractéristiques suivantes - structure cristalline : par analyse radiocristallographique à l'aide des diagrammes de poudre réalisés avec un appareil KRISTALOFLEX II, commercoalisé par SIEMENS, équipé d'une chambre de 360 mm et en utilisant la radiation Cuir. - rapports Si/A1 et Na/Al : par analyse chimique - capacité d'adsorption d'eau : par saturation de l'échantillon avec de l'eau à 25"C sous une pression de 10 mm de mercure, pendant 18 heures, puischauffage à 340"C à l'air pendant une durée voisine de 4 heures avec pesées comparatives. - habitus (forme) et dimension des particules : par examen au microscope électronique à balayage à l'aide d'un appareil MeB 07 commercialisé par CAMECA. Exemple 1 Dans les exemples 1 à 10 > on utilise comme source de silice des poussières de silice issues de la fabrication des ferro-alliages ayant les caractéristiques suivantes - couleur: gris clair - granulométrie : particules sensiblement sphériques dont la majorité ont des dimensions comprises entre 0 > 1 et 0, 5 micron - structure : pratiquement amorphe, leur diagramme X ne présen tant que quelques raies d'intensité très faible, carac téristiques de la silice mal cristallisée - composition chimique exprimée en pour cents Si: 40, 0 (SiO2: 85,7) Na : 0,4 4 K : 1, 0 Fe 2,6 6 C: 4,5 5 Dans un becher en verre, on prépare une solution aqueuse d'un litre d'eau du réseau, contenant 180g d'aluminate de sodium de rapport Na/Al égal à 1, 41 et 96g de soude commerciale en paillettes. Après refroidissement, on ajoute dans ce becher un autre mélange aqueux d'un litre doleau de réseau contenant 72g de poussières de silice ci-dessus. Après homogénéisation de ce milieu réactionnel de composition : SiO2/ Al2O3 =1,36 Na2 O/SiO2 = 2, 20 HZO/Na20 = 50 on le chauffe, sous reflux, à environ 100"C pendant 9 heures avec agitation de manière à provoquer la cristallisation de la masse réactionnelle. On sépare ensuite les cristaux formés de la liqueur-mère par filtration, puis on les lave sur filtre jusqu'à ce que le pH des eaux de lavage soit voisin de 10, puis on les sèche à l'étuve à 110 C pendant 6 heures. On obtient une zéolite Zh, dénommée aussi hydroxysodalite ou zéolite HS de caractéristiques suivantes structure cristalline: cubique, paramètre de maille voisin de 8, 8 A rapport Si/Al : voisin de 1, 1 rapport Na/Al: voisin de 1, 1 capacité d'adsorption d'eau : voisine de 12, 5 % habitus (forme) des particules : sphéroidal dimensions des particules : majorité comprise entre 1 et 1, 5 micron Exemple 2 On répète l'exemple 1 en réduisant toutefois le temps de chauffage sous agitation à 90 minutes. On obtient comme précédemment une zéolite Zh présentant sensiblement les memes propriétés que celle obtenue à l'exemple 1. Dans cet exemple, comme dans l'exemple 1, il est surprenant que l'on obtienne une zéolite type Zh, alors que le brevet américain 2 882 243 enseigne qu'en travaillant avec de telles proportions molaires de mélanges d'oxydes, on devrait obtenir une zéolite type A. Exemple 3 Comme précédemment, on constitue un mélange réactionnel aqueux dont le volume est voisin de 1 litre de composition chimique SiO2/Al2O3 = 4,68 Na2O/SiO2 = 1, 25 H2O/Na2O = 50 à partir des memes poussières qu'à l'exemple 1, de soude commerciale en paillettes et d'aluminate de sodium technique de rapport Na/AI égal à 1, 41. On soumet ce mélange à un mûrissage sans agitation pendant 17 heures à température ambiante, puis on chauffe à 100"C environ avec agitation et sous reflux pendant 24 heures. On sépare ensuite les cristaux formés de la liqueurmère, puis on les lave sur filtre jusqu'à ce que le pH des eaux de lavage soit voisin de 10, puis on les sèche à l'étuve à l100C pendant 6 heures.On obtient une zéolite type A de caractéristiques suivantes - structure cristalline: cubique, paramètre de maille voisin de 12, 3 A - rapport Si/AI: voisin de 1,1 - rapport Naja: : voisin de 1, 0 - capacité d'adsorption d'eau : voisine de 20 % - habitus des particules : cubique - dimension des particules : majorité comprise entre 1, 5 et 3 microns Exemple 4 On répète l'exemple 3 en réduisant le temps de chauffage à 1 heure. On obtient également une zéolite type A ayant sensiblement les mêmes propriétés que celle obtenue à l'exemple 3. Exemple 5 On répète l'exemple 3 en supprimant l'étape de mûrisse à température ambiante. On obtient un mélange de zéolites du type A et du type Zh. Exemple 6 On répète l'exemple 3 en supprimant l'épage de mûrissage à température ambiante et en réduisant le temps de chauffage à 100"C environ, à 4 heures. On obtient également un mélange de zéolites du type A et du type Zh. Comme précédemment, il est surprenant que l'on obtienne dans cet exemple comme dans l'exemple 5 un mélange de zéolites du type A et du type Zh, ainsi que dans les exemples 3 et 4 une zéolite du type A seule, alors que le brevet américain 2 882 244 enseigne qu'en travaillant avec de telles proportions molaires de mélanges d'oxydes, on devrait obtenir une zéolite type X. Exemple 7 On prépare un mélange réactionnel aqueux de 1 litre de composition chimique. SiO2/Al203 = 9 > 30 Na2O/SiO2 = 0, 63 H2 O/Na2 O = 52 en utilisant les mêmes réactifs qu'à l'exemple 1. On soumet ce mélange à un mûrissage pendant 3 jours sans agitation à température ambiante. On chauffe ensuite sous reflux progressivement en 4 heures jusqu'à atteindre 95"C sous agitation,puis on maintient cette tempe rature pendant 29 heures. On sépare ensuite les cristaux formés de la liqueur mère par filtration, puis on les lave sur filtre jusqu'à ce que le pH des eaux de lavage soit voisin de 10, puis on les sèche à l'étuve pendant 6 heures. On obtient une zéolite B de caractéristiques suivantes - structure cristalline : cubique, paramètre de maille voisin de 10 A - rapport Si/Al : voisin de 2, 3 - rapport Na/Al: voisin de 1 > 0 - capacité d'adsorption d'eau : voisine de 21 % - habitus des particules : sphérolitique - dimensions des particules : majorité comprises entre 5 et 30 microns Exemple 8 On répète l'exemple 7 en réduisant toutefois le temps de chauffage à 95 C sous agitation à 20 heures. On obtient un mélange de zéolite isostructurale à la faujasite (X ou Y) et de zéolite B. Exemple 9 On répète l'exemple 7, mais on supprime le chauffage à 95 C sous agitation. On obtient un mélange de zéolite A et de phase amorphe; Exemple 10 On prépare un mélange réactionnel aqueux de composition chimique SiO2/Al2 O3 = I > 76 Na2O/SiO2 = 0,80 H2O/Na2O = 40 en utilisant les mêmes réactifs qu'à l'exemple 1. On chauffe ce mélange sous agitation à 100 C environ pendant 7 heures. Aucune zéolite ne s'est formée. Exemple 11 Dans les exemples 11 à 15, on utilise une nouvelle source de poussières de silice issues de la fabrication des ferro-alliages, ayant les caractéristiques suivantes - rouleur: gris foncé - granulométrie : particules sensiblement sphériques dont la majorité ont des dimensions comprises entre 0, 1 et 0, 5 - structure : pratiquement amorphe, leur diagramme X ne présen tant que quelques raies d'intensité très faible"carac- téristiques de la silice mal cristallisée. - composition chimique exprimée en pour cents Si = 35, 8 (SiO2 = 76, 7) Na = 0,7 K = 3,3 Fe = 0, 5 C= 6,5 On prépare un mélange réactionnel dans 2 litres d'eau du réseau contenant ces poussières de silice, de la soude commerciale en paillettes et dtalu minate de sodium technique de rapport Na/Al égal à 41, ledit mélange réactionnel ayant la composition chimique suivante SiO2/Al2O3 = 1,26 Na2O/SiO2 = 2,29 H2O/Na2O = 50 On chauffe ce mélange à 100 C environ sous agitation et sous reflux pendant 90 minutes puis dans un autre exemple pendant 8 heures. Dans chaque cas, on obtient une zéolite Zh de caractéristiques semblables à celle de l'exem- ple 1. Comme on l'a souligné à l'exemple 2, la composition du mélange réactionnel en oxydes appartient au domaine de compositions des mélanges qui devraient normalement conduire à la formation de la zéolite type A Il est donc surprenant que l'on obtienne ici des zéolites type Zh. Exemple 12 On répète l'exemple 11 avec les mêmes constituants en préparant un milieu réactionnel aqueux de composition chimique SiO2/Al2O3 = 1,50 Na2O/SiO2 = 1,30 H2O/Na2O= 50 Après 1 heure de chauffage sous reflux à 1 000C environ, on obtient un mélange de zéolite Zh et de phase amorphe, ce qui est surprenant car, comme on l'a fait remarquer aux exemples 2 et 11 en travaillant avec de telles proportions molaires de mélanges d'oxydes, on devrait obtenir de la zéolite de type A. Exemple 13 On répète l'exemple 11 avec les memes constituants en préparant un milieu réactionnel aqueux de composition chimique SiO2/Al2O3 = 4,19 Na2O/SiO2 =1,39 H2O/Na2O = 50 On fait mûrir ce mélange à température ambiante pendant 17 heures sans agitation, puis on le chauffe sous agitation et sous reflux à 1000C environ pendant 24 heures, puis dans un autre exemple pendant seulement 1 heure. Dans chacun des cas, on obtiént un mélange de zéolite type Zh et de zéolite type A. Comme on l'a fait remarquer à l'exemple 6, il est surprenant que l'on obtienne ici ces types de zéolites puisqu'en travaillant avec de telles proportions molaires de mélanges d'oxydes, on devrait obtenir une zéolite type X. Exemple 14 On répète l'exemple 11 avec les mêmes constituants en préparant un milieu réactionnel aqueux de composition chimique SiO2/Al2O3 = 6,00 Na2O/SiO2 =2 30 H2O/Na2 O = 50 Après 90 minutes de chauffage à 100 C environ s ous reflux, on obtient une zéolite type A de caractéristiques semblables à celle de l'exemple 3. Exemple 15 On répète l'exemple 11 avec un mélange réactionnel aqueux de composition chimique: SiO2/Al2O3 = 6 Na2O/SiO2 = 2, 30 H2 O/Na2O = 50 Après 1 heure de chauffage à 100 C environ sous reflux, on obtient une zéolite type A de caractéristiques semblables à celle de l'exemple 3. I1 est surprenant de constater, dans cet exemple et dans l'exemple 14, que l'on obtienne de la zéolite type A à partir de mélanges réactionnels dont la composition chimique n'appartient pas au domaine de compositions chimiques correspondant à la formation de la zéolite type A. Le procédé selon l'invention présente de nombreux avantages techniques, économiques ou autres par rapport aux procédés connus à ce jour et décrits dans le préambule et notamment: - par rapport aux procédés du premier groupe > essentiellement par une économie importante du fait de la mise en oeuvre d'une source de silice très bon marché, - par rapport aux procédés du deuxième groupe > outre l'économie cidessus, aucun traitement préalable mécanique, physique ou chimique ntest nécessaire, ce qui diminue d'autant le prix de revient des zéolites, - par rapport aux procédés du troisième groupe, en plus des avantages économiques et techniques énoncés ci-dessus, les zéolites obtenues sont d'une très grande variété et d'une bonne pureté. Par àilleurs, le procédé de l'invention procure un débouché important aux poussières de silice issues de la fabrication des ferro-alliages qui jusqu'à ce jour étaient des déchets encombrants, polluants et dangereux dont on ne savait que faire et qulil fallait éliminer aux prix d'investissements importants. Ainsi, l'invention contribue avantageusement à diminuer de manière sensible la pollution dans les secteurs où se fabriquent les ferro-alliages et à valoriser les déchets sans importance et de faible valeur marchande. Outre des utilisations nouvelles dans dès domaines tels que la lutte contre la pollution, le stockage et les économies d'énergie, les économies de matières premières, les zéolites préparées selon l'invention peuvent présenter des applications connues des zéolites telles que notamment celles dues - à leurs propriétés d'adsorbants sélectifs : le séchage des fluides, la séparation des hydrocarbures, l'enrichissement des gaz en certains cons tituants, etc. - à leurs propriétés d'échange d'ions : adoucissement de liteau, etc. - à leurs propriétés catalytiques: craquage et reformage catalytique, isomérisation des hydrocarbures, etc. On ne pouvait pas prévoir que parmi les très nombreuses sources de silice connues, la mise en oeuvre d'un type particulier de silice, considéré en plus comme un déchet, permettrait d'obtenir de tels résultats et présence terait des propriétés aussi nattendues. REVENDICATIONS 1 - Procédé pour la préparation de zéolites, dans lequel de manière connue - on forme en milieu aqueux, essentiellement à température ambiante, un mélange réactionnel homogène comprenant, en proportions molaires appropriées, de la silice, un agent alcalin et de l'alumine, - on chauffe ce mélange jusqu'à cristallisation de la masse réactionnelle, - on sépare les cristaux formés au sein de la liqueur-mère, - puis on lave, jusqu'à ce que le pH de l'eau effluente soit compris entre 9 et 12, - et enfin, éventuellement, on sèche les cristaux formés entre 100 et 1 50 C, caractérisé en ce que comme matière première contenant de la silice, on met en oeuvre des poussières de silice issues de la fabrication des ferro alliage s. 2 - Procédé selon revendication 1, caractérisé en ce que comme source d'alumine on utilise un composé choisi dans le groupe constitué par les aluminates de sodium, les différentes variétés d'alumine telles que les alumines alpha, bêta et gamma, l'alumine activée, l'alumine trihydratée. 3 - Procédé selon revendication 1, caractérisé en ce que comme agent alcalin on utilise de la soude. 4 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que dans le milieu réactionnel, les rapports molaires des mélanges d'oxydes sont compris dans les limites suivantes SiO2/Al203 de 0,1 à 40 Na2O/5iO2 de 0,1 àîO H2O/Na2O de 10 à 400 5 5 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'on active les cristaux de zéolites obtenus en les chauffant à des température res comprises entre 200"C et 700"C, de préférence de 4000C à 500"C pendant une à plusieurs heures.