Brevet FR2746671A1 — publié le 19971003

PROCEDE DE SEPARATION D'UN CATALYSEUR PAR ELECTRODIALYSE MEMBRANAIRE La présente invention conceme un procédé de séparation par électrodialyse membranaire d'un catalyseur à partir d'une solution le contenant. Plus précisément, elle conceme la séparation d'un catalyseur mis en oeuvre dans une réaction d'oxydation en phase homogène. Les procédés d'oxydation en catalyse homogène sont relativement nombreux. Ainsi oxydation des cycloalcanes en diacides correspondants peut être réalisée en utilisant un sel soluble de métaux lourds comme le cobalt ou le manganèse. Le brevet US 2 223 493, publié en décembre 1940, décrit l'oxydation d'hydrocarbures cycliques en diacides correspondants, en phase liquide comportant généralement de l'acide acétique, à une température d'au moins 60"C, à l'aide d'un gaz contenant de l'oxygène et en présence d'un catalyseur d'oxydation tel qu'un composé du cobalt. Ce brevet prévoit un séparation de l'acide adipique formé par cristallisation, mais n'enseigne rien sur la manière de recycler le catalyseur, dans une nouvelle opération d'oxydation, ni a fortiori sur l'activité qu'aurait un catalyseur recyclé une ou plusieurs fois. Le brevet FR-A-2 722 783 décrit un procédé de séparation et de recyclage d'un catalyseur au cobalt, ayant servi pour l'oxydation du cyclohexane en acide adipique, après séparation du milieu réactionnel des principaux produits de la réaction et d'au moins une partie du solvant acide acétique. Ce procédé consiste essentiellement à extraire la majorité du catalyseur à l'aide de cyclohexane ou d'un mélange de cyclohexane et d'acide acétique. Ce procédé est efficace et le catalyseur recyclé n'a pas perdu de son activité. Cependant il fait intervenir des quantités importantes de solvant et nécessite plusieurs opérations successives. II apparaît donc souhaitable de disposer d'un procédé de séparation d'un catalyseur homogène dissous dans un milieu réactionnel, qui soit aussi efficace tout en étant de mise en oeuvre plus simple. La présente invention conceme précisément un procédé de séparation d'un catalyseur homogène dissous dans un milieu contenant aussi au moins un diacide aliphatique, caractérisé en ce que la séparation est effectuée par électrodialyse membranaire. Les catalyseurs homogènes sont les composés des métaux habituellement utilisés pour roxydation des cycloalcanes en diacides aliphatiques. Ce sont plus particulièrement les catalyseurs contenant des métaux lourds polyvalents tels que le cobalt, le manganèse, le cuivre, le fer, le vanadium, le cérium ou les mélanges de ces métaux. Ces métaux sont sous forme de composés solubles dans le milieu réactionnel d'oxydation des cycloalcanes. De tels composés sont les hydroxydes, les oxydes, les sels organiques ou minéraux. Les composés préférés sont les sels de ces métaux, plus particulièrement les sels de cobalt, seuls ou associés à d'autres composés à base de métaux tels que le manganèse etlou le cuivre et'ou le fer et'ou le cérium et'ou le vanadium. A titre d'exemples de ces sels de cobalt, on peut citer le chlorure de cobalt, le bromure de cobalt, le nitrate de cobalt, les carboxylates de cobalt comme racétate de cobalt, le propionate de cobalt. L'un des solvants utilisés le plus souvent pour l'oxydation des cydoalcanes étant l'acide acétique, I'acétate de cobalt tétrahydraté est particulièrement préféré. Le mélange soumis à l'électrodialyse membranaire contient au moins un diacide formé lors de l'oxydation du cycloalcane et fréquemment un ou plusieurs autres diacides également formés comme sous-produits. Ainsi lorsque le catalyseur est utilisé pour l'oxydation du cyclohexane, on obtient majoritairement de l'acide adipique, mais également de l'acide glutarique et de l'acide succinique. Bien que la réaction d'oxydation soit généralement réalisée dans un solvant organique, de préférence l'acide acétique pour l'oxydation du cyclohexane, ou le cas échéant sans solvant, le mélange à électrodialyser contient de préférence de reau. Le milieu dans lequel se trouve le catalyseur homogène comprend donc préférentiellement de l'eau, le solvant ayant éventuellement servi dans le procédé qui a conduit à la solution à traiter pouvant être entièrement ou partiellement remplacé par l'eau avant l'électrodialyse. Généralement l'eau représente de 10 % à 100 % du milieu solvant de la solution soumise à l'électrodialyse et de préférence de 50 % à 100 % de ce milieu solvant. Schématiquement, 'électrodialyse est un procédé qui permet, sous l'influence d'un champ électrique continu, d'extraire par migration au travers de membranes échangeuses d'ions les espèces ionisées contenues dans la solution à traiter. L'appareil d'électrodialyse mis en oeuvre est constitué par différents compartiments délimités altemativement par des membranes cationiques et des membranes anioniques. Ces compartiments se divisent en compartiments de dilution (D) qui s'appauvrissent en composé à séparer, c'est-à-dire en catalyseur dans le procédé de l'invention, et en compartiments de concentration (C) qui à l'inverse s'enrichissent en composé à séparer. En effet, sous l'action du champ électrique les cations de la solution à traiter migrent vers la cathode en sortant du compartiment (D) où ils se trouvent, à travers une membrane échangeuse de cations (membrane cationique). Lorsqu'ils sont passés dans le compartiment (C) suivant, ils ne peuvent pas le quitter en raison de la présence de la membrane échangeuse d'anions (membrane anionique) suivante. Simultanément les anions migrent vers l'anode en traversant une membrane anionique et passent dans un compartiment (C) adjacent, qu'ils ne peuvent ensuite pas quitter en raison de la présence de la membrane cationique suivante. Deux compartiments (C) et (D) adjacents forment une cellule d'électrodialyse. Un électrodialyseur comporte un empilement de plusieurs cellules. Ce nombre de cellules par électrodialyseur est de manière générale aussi élevé que possible. Par exemple, ce nombre peut varier avantageusement entre 10 et 500 cellules. En pratique, les membranes anioniques et cationiques sont disposées alternativement dans un système de type filtre-presse. Les membranes homopolaires utilisées dans le procédé de l'invention se divisent en deux grandes familles, selon leur mode de fabrication. Ce sont tout d'abord les membranes hétérogènes, préparées à partir de résines échangeuses d'ions, mélangées à un liant tel que polychlorure de vinyle, polyéthylène ou autre. L'ensemble ainsi formé peut enduire une trame comme par exemple un tissu de polyester ou de polyacrylonitrile. Ce sont également les membranes homogènes, obtenues par introduction d'un groupement fonctionnel sur un support inerte, par greffage chimique ou radiochimique. La méthode chimique, la plus utilisée, consiste généralement à fonctionnaliser un latex d'un polymère comportant des noyaux aromatiques, tel que styrèneldivinylbenzène ou styrène/butadiéne. Le latex ainsi fonctionnalisé sert ensuite à enduire une trame comme pour les membranes hétérogènes. La méthode radiochimique comporte généralement le greffage, sous l'influence d'un rayonnement, d'un composé aromatique, tel que le styrène, sur un support inerte comme une feuille de polyéthylène ou de polytétrafluoroéthylène. Le noyau aromatique est ensuite fonctionnalisé comme dans la méthode chimique. Les membranes échangeuses de cations (membranes cationiques) comportent des groupements acides forts, le plus souvent des groupements sulfonates, ou des groupements acides faibles, souvent des groupements carboxylates. Plus rarement les groupements acides peuvent être des groupements PO32-, Ho2 , Ase32~, Set3~. Les membranes échangeuses d'anions (membranes anioniques) comportent des groupement basiques forts, le plus souvent des groupements ammonium quatemaire, ou des groupements basiques faibles, le plus souvent des groupements amines. Plus rarement les groupements basiques peuvent être des groupements phosphonium quatemaire ou des groupements sulfonium. Dans le présent procédé, les membranes cationiques comportent de préférence des groupements acides forts et parmi ceux-ci préférentiellement des groupements sulfonates et les membranes anioniques comportent de préférence des groupements basiques forts et parmi ceux-ci préférentiellement des groupements ammonium quatemaire. Outre les membranes, I'électrodialyseur comporte bien entendu une cathode et une anode. L'anode est constituée en des matériaux classiquement utilisés en électrodialyse, par exemple en graphite, en titane revêtu par des métaux précieux ou des oxydes de métaux précieux, notamment le titane platiné. La cathode est également constituée en des matériaux classiquement utilisés en électrodialyse, par exemple en graphite, en acier inoxydable, en nickel. L'électrodialyseur est alimenté avec la solution au moins partiellement aqueuse à traiter. II est également nécessaire de faire circuler à l'anode une solution d'un anolyte et à la cathode une solution d'un catholyte. Ces solutions constituent souvent une solution unique d'électrolyte. Dans le présent procédé, un circuit unique d'électrolyte convient bien. Le role de la solution d'électrolyte est d'assurer une conductivité suffisante. De préférence, cette conductivité sera égale ou supérieure à 20 millisiemens par centimètre (mS'cm), sans que cette limite inférieure soit à considérer comme critique pour la mise en oeuvre du présent procédé. L'électrolyte mis en oeuvre est un composé ionisable tel qu'un sel, un acide ou une base. L'électrolyte est de préférence choisi parmi les composés non électroactifs. Ainsi, par exemple, il est préférable de ne pas utiliser industriellement des chlorures qui généreraient du chlore à l'anode. On peut citer comme exemples d'électrolytes, des sels neutres comme les sulfates, des acides comme l'acide sulfamique, les acides carboxyliques solubles dans l'eau, I'acide sulfurique. Dans le présent procédé, il faudra éviter d'utiliser des solutions d'électrolyte dont le pH pourrait conduire à la précipitation du composé métallique que l'on souhaite séparer par électrodialyse. C'est pourquoi, on choisira de préférence un électrolyte acide. La tension appliquée à l'électrodialyseur doit être de nature à éviter la polarisation du système, c'est-à-dire une dissociation de l'eau sous l'effet d'un champ électrique trop intense. En général, une tension de 0,5 volt à 2,5 volticellule et de préférence de 0,5 volt à 1,5 volticellule est appropriée. L'effet de polarisation peut etre diminué en augmentant la turbulence du liquide, par l'utilisation de cellules minces conjointement avec des cadres séparateurs. On préfère des cellules ayant une largeur de 0,5 mm à 2 mm et de préférence de 0,75 mm à 1,5 mm. La température à laquelle est mis en oeuvre le procédé de l'invention se situe dans un domaine compatible avec la stabilité des membranes. En effet, si en principe les températures élevées sont favorables, en accroissant la mobilité électrolytique et en réduisant la viscosité de la solution à traiter, I'augmentation de la température diminue la durée de vie des membranes. On opérera donc de préférence à une température inférieure ou égale à 50"C et plus particulièrement entre 20"C et 40"C. L'électrodialyseur peut fonctionner de différentes façons. II peut tout d'abord fonctionner en continu (fonctionnement en passage direct), la solution à traiter traversant en continu l'empilement; plusieurs étages sont alors disposés en série si le taux de traitement à obtenir l'exige. II peut aussi fonctionner en discontinu (fonctionnement en recirculation), la solution à traiter recirculant sur une cuve jusqu'à ce que le taux de traitement souhaité soit obtenu. Enfin il peut fonctionner en passage direct avec une recirculation partielle. Le mélange réactionnel, dans lequel se trouve le catalyseur homogène à séparer ainsi que les diacides, provient essentiellement, comme cela à été indiqué précédemment, des procédés d'oxydation des cycloalcanes en diacides correspondants. Pour simplifier, il sera question généralement dans la description qui suit de l'oxydation du cyclohexane en acide adipique, conduisant à la formation de quantités plus faibles, mais néanmoins importantes, d'acide glutarique et d'acide succinique. Avant de traiter par électrodialyse un tel mélange, il est généralement avantageux de réaliser certaines opérations permettant en particulier de séparer la majeure partie de l'acide adipique, composé dont la préparation est visée. Cette séparation peut être effectuée de manière connue, par exemple en précipitant l'acide adipique par refroidissement de ce mélange. La solution restante est alors reprise par de l'eau, après éventuellement une élimination partielle ou totale du solvant organique qu'elle peut contenir, afin d'être soumise à l'électrodialyse selon l'invention. Généralement la solution que l'on électrodialyse contient de 0,0001 mole à 1 mole de catalyseur par kilogramme, de 0,001 mole à I mole d'acide glutarique par kilogramme, de 0,001 mole à 1 mole d'acide succinique par kilogramme et de 0,001 mole à 1 mole d'acide adipique par kilogramme. L'exemple qui suit illustre l'invention. EXEMPLE L'électrodialyseur utilisé est constitué par un empilement de 10 cellules de 2 dm2 de surface active, composées chacune d'un compartiment où l'on introduit la solution à traiter (compartiment D où ladite solution sera diluée en catalyseur) et d'un compartiment C qui recevra le catalyseur au cours de l'électrodialyse. Les membranes séparant chaque compartiment D du compartiment C adjacent sont: - membrane anionique de marque NEOSEPTA AMX à groupements ammonium quatemaire, - membrane cationique de marque NEOSEPTA CMX à groupements sulfonates. L'électrolyte est constitué par une solution aqueuse d'acide sulfamique, ayant une conductivité de 20 mS/cm à 20"C. Le débit de circulation de cette solution est de 400 "h et son volume est de 2 I. La solution à traiter est de 1,6 1 et elle contient au départ: - 0,18 mol/kg d'acide adipique - 0,87 mollkg d'acide glutarique - 0,36 moilkg d'acide succinique - 0,27 mollkg de cobalt sous forme d'acétate de cobalt. On a utilisé le mode de fonctionnement discontinu (fonctionnement en rearculation). Le débit de circulation de cette solution dans les compartiments D est de 180 Uh. La solution qui circule dans les compartiments C et qui va recevoir le sel de cobalt est au départ une solution aqueuse de chlorure de sodium à 5 g"; elle a un volume de 1,6 1 et elle circule avec un débit de 180 Vh. La conductivité initiale de chacune des solutions des compartiments C est de 10 mS/um. L'électrodialyse est conduite à tension imposée de 18 V. Des échantillons des différentes solutions sont prélevés périodiquement afin de suivre l'évolution de l'opération. On dose le cobalt par absorption atomique et les diacides par chromatographie en phase vapeur. On suit également le pH, la conductivité et le volume des solutions. Le tableau 1 ci-après rassemble les résultats des mesures concemant le pH, la conductivité et le volume des solutions. Le tableau 2 ci-après rassemble les résultats concemant les concentrations en mol/kg des différents prélèvements. Par définition, LI représente la solution des compartiments D, aussi appelée solution alimentaire, L2 représente la solution des compartiments C, aussi appelée solution concentrée et L3 représente la solution de l'électrolyte. Comme cela peut etre constaté dans les résultats du tableau 1, la solution alimentaire s'appauvrit en eau ; cela s'explique par le fait que les ions qui migrent sont hydratés et qu'en fin d'essai la différence de conductivité entre la solution alimentaire et la solution concentrée est importante (phénomène d'osmose). Pour établir des bilans précis, on exprimera dans le tableau 2 les résultats en tenant compte des variations de volume. Les résultats du tableau 2 sont exprimés en considérant que l'on part de 1 kg de flux à traiter. Le symbole "-" dans le tableau signifie que la mesure n'a pas été effectuée. Temps Solution Température pH Conductivitô Volume on min rélevée en "C en mS/cm en ml 0 LI 20,0 3,5 10,7 1600 0 L2 20,0 4,6 10,1 1600 0 L3 20,0 - 20,0 2000 18 LI - 3,5 9,6 1567 20 5 L2 4,7 14,1 1639 38 L1 - 3,2 7,6 1530 40 L2 27,2 4,7 16,4 1677 57 L1 28,4 2,9 5,1 1495 58 L2 - 4,9 17,8 1712 80 L1 - 2,1 1,9 1416 80 L2 - 4,8 18,8 1793 86 LI 30,2 2,0 1,8 1405 86 L2 - 4,8 18,9 1805 Tableau 1 Temps Solution Co Acide Acide Acide en min prélevée en mollkg adipique glutamique succinique en mollkg en mol/kg en mollkg 0 L1 0,267 0,183 0,869 0,355 0 L2 0 0 0 0 0 L3 0 0 0 0 O Total 0,267 0,183 0,869 0,355 18 LI 0,192 0,184 0,867 0,340 20 L2 0,066 0 0 0,002 20 Total 0,258 0,184 0,867 0,342 38 LI 0,137 0,175 0,822 0,316 40 L2 0,127 0,005 0,050 0,036 40 Total 0,264 0,180 0,872 0,352 57 L1 0,064 0,174 0,827 0,306 58 L2 0,193 0 0,044 0,076 58 Total 0,257 0,174 0,871 0,382 80 L1 0,005 0,149 0,753 0,271 80 L2 0,251 0 0,082 0,080 80 Total 0,256 0,149 0,835 0,351 86 L1 0,0005 0,163 0,774 0,269 86 L2 0,244 0 0,081 0,078 86 L3 0,001 0 0 0,004 86 Total 0,245 0,163 0,855 0,351 Tableau 2 REVENDICATIONS 1) - Procédé de séparation d'un catalyseur métallique homogène dissous dans un milieu contenant aussi au moins un diacide aliphatique, caractérisé en ce que la séparation est effectuée par électrodialyse membranaire. 2) - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le catalyseur est choisi parmi les métaux lourds polyvalents tels que le cobalt, le manganèse, le cuivre, le fer, le vanadium, le cérium ou les mélanges de ces métaux. 3) - Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que les métaux sont sous forme de composés solubles dans le milieu réactionnel d'oxydation des cycloalcanes, tels que les hydroxydes, les oxydes, les sels organiques ou minéraux. 4) - Procédé selon l'une des revendications i à 3, caractérisé en ce que le catalyseur est choisi parmi les sels de métaux, de préférence parmi les sels de cobalt, seuls ou associés à d'autres composés à base de métaux tels que le manganèse et/ou le cuivre et/ou le fer et/ou le cérium et/ou le vanadium. 5) - Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le mélange soumis à l'électrodialyse membranaire contient au moins un diacide formé lors de l'oxydation du cycloalcane et un ou plusieurs autres diacides également formés comme sous-produits, de préférence de l'acide adipique et également de l'acide glutarique et de l'acide succinique. 6) - Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le milieu dans lequel se trouve le catalyseur homogène comprend l'eau, le solvant ayant éventuellement servi dans le procédé qui a conduit à la solution à traiter pouvant être entièrement ou partiellement remplacé par l'eau avant l'électrodialyse. 7) - Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'eau représente de 10 % à 100 % du milieu solvant de la solution soumise à l'électrodialyse et de préférence de 50 % à 100 % de ce milieu solvant. 8) - Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'appareil d'électrodialyse mis en oeuvre comporte un empilement de plusieurs cellules, chaque cellule étant constitué par deux compartiments de concentration (C) et de dilution (D) adjacents délimités alternativement par de membranes cationiques et des membranes anioniques. 9) - Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les membranes sont constituées d'une matrice sur laquelle sont greffés des groupes fonctionnels, soit anioniques tels que des groupes sulfonates pour les membranes cationiques, soit cationiques tels que des groupes ammonium quatemaire pour les membranes anioniques. 10) - Procédé selon rune des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la solution que l'on électrodialyse contient de 0,0001 mole à 1 mole de catalyseur par kilogramme, de 0,001 mole à 1 mole d'acide glutarique par kilogramme, de 0,001 mole à 1 mole d'acide succinique par kilogramme et de 0,001 mole à 1 mole d'acide adipique par kilogramme.