Brevet FR2918049A1 — publié le 20090102

Domaine de l'invention L'invention concerne le domaine de la préparation de solides constitués de magadiite. Il s'agit de solides lamellaires à base de silicates, connus également sous le nom de solides lamellaires de type phyllosilicates ou silicates lamellaires. On entend par solide lamellaire à base de silicate un composé solide formé de couches (ou feuillets) superposées niais séparées les unes des autres d'une distance variant entre 2 et 5 A, lesdites couches étant constituées de silicium arrangé en coordination tétraédrique (SiO4). D'autres éléments que le silicium Si peuvent être présents dans le solide également en position tétraédrique. i0 Art antérieur Parmi les silicates lamellaires, on peut citer la magadiite, natrosilite, kenyaite, makatite, nekoite, kanemite, okenite, dehayelite, macdonalite et rhodesite. 15 Ces solides existent souvent à l'état naturel avec une composition du type AxSiYOZ, nH2O,avec 1 x15,2y32,4z80et0n5. 20 (x, y, z et n étant des nombres entiers ou rationnels), A pouvant être, par exemple, un élément sodium ou potassium. De tels solides lamellaires présentent, par exemple, la composition Na2Si14O29.9H2O pour la magadiite et la composition Na2Si20O41.1OH2O pour la 20 kenyaite. Les solides obtenus par synthèse présentent la même composition que les solides présents à l'état naturel. Ces silicates lamellaires, en particulier la magadiite, présentent souvent une structure tridimensionelle, avec des interactions de type Van der Walls entre les feuillets ainsi qu'une faible surface spécifique. 25 Ces silicates lamellaires et en particulier la magadiite possèdent des propriétés d'absorption et d'échange qui sont intéressantes. Ces solides sont particulièrement adaptés pour l'adsorption d'eau ou de molécules organiques ainsi que pour l'échange cationique de surface. Récemment, les silicates lamellaires ont été largement étudiés pour leur capacité à devenir un solide acide par échange protonique. D'autres études 30 ont également montré que l'introduction de piliers dans les espaces interlamellaires permet de créer une mésoporosité et d'augmenter la surface spécifique. Il est connu de la demande de brevet WO 88/00091 de synthétiser un silicate lamellaire ponté à partir d'un silicate lamellaire constitué par de la magadiite de synthèse laquelle a été préparée en utilisant un structurant organique choisi parmi le chlorure de benzyltriéthylammonium, le chlorure de benzyltriméthylammonium, le chlorure de dibenzyldiméthylammonium, le N,N'-diméthylpiperazine, la triéthylamine, ou d'autres composés quaternaires ou des amines hétérocycliques. II est également connu de la demande de brevet WO 91/12204 de synthétiser un silicate lamellaire cristallisé de type kenyaite en utilisant un composé organique sélectionné parmi une alkylamine, une trialkylamine, un composé io tétraalkylammonium et une diamine triméthylhexaméthylenediamine, ledit alkyl ayant de 1 à 12 atomes de carbone. II est connu de la demande de brevet EP -A-1.559.681 de synthétiser des solides lamellaires à base de silicates de type kenyaite et magadiite en utilisant un structurant organique choisi parmi la tyramine, le 4-aminophénol, le trans-4aminocyclohexanol, le 2-(4-amino-phényl)-éthanol, ou d'autres composés comportant au moins un groupement alcool et au moins un groupement amine séparés par une chaîne hydrocarbonée ayant de 1 à 20 atomes de carbone. Description sommaire de l'invention 20 L'invention a pour objet un procédé de préparation d'un solide lamellaire cristallisé constitué de magadiite consistant à procéder dans une étape (i) au mélange d'au moins une source de silice, d'au moins un sel de N,N,N',N'-tétraméthyl-N,N'-dibenzylhexanediammonium, d'au moins un métal alcalin et/ou alcalino-terreux M et de l'eau puis à procéder dans une étape (ii) au traitement hydrothermal dudit 25 mélange jusqu'à ce que ledit solide lamellaire cristallisé constitué de magadiite se forme. De manière avantageuse, ledit mélange formé au cours de ladite étape (i) comprend au moins une source d'au moins un élément X à coordinence tétraédrique et différent du silicium. 30 Il a été découvert que, de manière surprenante, un structurant organique azoté comportant deux fonctions ammoniums quaternaires séparées par le motif d'une chaîne méthylène û(CH2)- répété 6 fois, un sel de N,N,N',N'-tétraméthyl-N,N'- dibenzylhexanenediammonium, mis en mélange avec une source de silice, au moins un métal alcalin et/ou alcalino-terreux et de l'eau, conduit à la production d'une magadiite de haute pureté. Le procédé selon l'invention conduit le plus souvent à une magadiite pure, en l'absence de toute autre phase cristallisée ou amorphe. La magadiite obtenue par le procédé de l'invention est obtenue avec une meilleure sélectivité que les solides constitués de magadiite obtenus selon les procédés de l'état de la technique antérieure. De plus, une telle magadiite, préparée par le procédé selon l'invention, est obtenue avec une très bonne cristallinité. La pureté et la sélectivité sont déterminées par diffraction des rayons X. Par ailleurs, le procédé io de préparation du solide lamellaire constitué de magadiite selon l'invention est avantageux car ledit solide est obtenu selon un temps de synthèse raccourci par rapport aux solides préparés selon les procédés de l'état de la technique antérieure. Description détaillée de l'invention 15 La présente invention a pour objet un procédé de préparation d'un solide lamellaire cristallisé constitué de magadiite consistant à procéder dans une étape (i) au mélange d'au moins une source de silice, d'au moins un sel de N,N,N',N'-tétraméthyl-N,N'-dibenzylhexanediammonium, d'au moins un métal alcalin et/ou alcalino-terreux M et de l'eau puis à procéder dans une étape (ii) au traitement hydrothermal dudit 20 mélange jusqu'à ce que ledit solide lamellaire cristallisé constitué de magadiite se forme. Le sel de N,N,N',N'-tétraméthyl-N,N'-dibenzylhexanediammonium incorporé dans l'étape (i) du procédé de préparation selon l'invention est de préférence un 25 dihalogénure de N,N,N',N'-tétraméthyl-N,N'-dibenzylhexanediammonium et de manière très préférée un dibromure de N,N,N',N'-tétraméthyl-N,N'-dibenzylhexanediammonium. Ledit sel est synthétisé par toute méthode connue de l'Homme du métier. S'agissant d'un dihalogénure de N,N,N',N'-tétraméthyl-N,N'-dibenzylhexanediammonium, on procède au mélange d'une mole de 30 dihalogénohexane et d'au moins 2 moles de N-benzyldiméthylamine. Pour la synthèse du dibromure de N,N,N',N'-tétraméthyl-N,N'-dibenzylhexanediammonium, on procède au mélange d'une mole de 1,8-dibromohexane et d'au moins 2 moles de N-benzyldiméthylamine. Ledit métal alcalin et/ou alcalino-terreux M incorporé dans l'étape (i) du procédé de préparation selon l'invention est choisi parmi le lithium, le potassium, le sodium et le calcium et le mélange d'au moins deux de ces métaux. De préférence, ledit métal M est un métal alcalin et de manière très préférée il s'agit du sodium. Ladite source de silice incorporée dans l'étape (i) du procédé de préparation selon io l'invention peut être l'une quelconque de celle couramment utilisée dans la synthèse de solides lamellaires cristallisés à base de silicates, par exemple de la silice en poudre, de l'acide silicique, de la silice colloïdale ou de la silice dissoute ou du tétraéthoxysilane (TEOS). Parmi les silices en poudre, on peut utiliser les silices précipitées, notamment celles obtenues par précipitation à partir d'une solution de 15 silicate de métal alcalin, telle que des silices aérosils, des silices pyrogénées, par exemple du "CAB-O-SIL" et des gels de silice. On peut utiliser des silices colloïdales présentant différentes tailles de particules, par exemple de diamètre équivalent moyen compris entre 10 et 15 nm ou entre 40 et 50 nm, telles que celles commercialisées sous les marques déposées telle que "LUDOX". De manière 20 préférée, la source de silicium est le LUDOX. Conformément au procédé de préparation du solide lamellaire cristallisé constitué de magadiite selon l'invention, ledit mélange formé au cours de ladite étape (i) comprend avantageusement au moins une source d'au moins un élément X à coordinence tétraédrique et différent du silicium. De manière plus préférée, l'élément 25 X est choisi dans le groupe formé par l'aluminium, le bore, le chrome, le fer, le gallium, l'indium, le nickel, le zirconium, le cobalt, le titane, le zinc, le cuivre, le niobium et l'europium et le mélange d'au moins deux de ces éléments. De manière encore plus préférée, l'élément X est l'aluminium. La source de l'élément X peut être tout composé comprenant l'élément X et pouvant libérer cet élément en solution 30 aqueuse sous forme réactive. L'élément X peut être incorporé dans le mélange sous une forme oxydée XOä avec 1 s n Dans le cas préféré où X est l'aluminium, la source d'alumine est de préférence de l'aluminate de sodium, ou un sel d'aluminium, par exemple du chlorure, du nitrate, de l'hydroxyde ou du sulfate, un alkoxyde d'aluminium ou de l'alumine proprement dite, de préférence sous forme hydratée ou hydratable, comme par exemple de l'alumine colloïdale, de la pseudoboehmite, de l'alumine gamma ou du trihydrate alpha ou io bêta. On peut également utiliser des mélanges des sources citées ci-dessus. Conformément au procédé de préparation selon l'invention, le mélange réactionnel obtenu à l'étape i) présente une composition chimique exprimée, en termes de moles d'oxydes, par la formule : 15 SiO2 : w XOn : x M+OH" : y H2O : z RO - w étant compris entre 0 et 0,5, de préférence entre 0 et 0,1, et de manière très préférée entre 0,001 et 0,1, - x étant compris entre 0,001 et 1, de préférence entre 0,01 et 0,6, y étant compris entre 10 et 100, 20 z étant compris entre 0,05 et 3, de préférence entre 0,1 et 1, n étant compris entre 1 et 3, et où X est au moins un élément à coordinence tétraédrique et différent du silicium, de préférence choisi dans le groupe formé par l'aluminium, le bore, le chrome, le fer, le gallium, l'indium, le nickel, le zirconium, le cobalt, le titane, le zinc, le cuivre, le 25 niobium et l'europium et le mélange d'au moins deux de ces éléments, de manière encore plus préférée X est l'aluminium, M est au moins un cation choisi parmi le lithium, le potassium, le sodium et le calcium et le mélange d'au moins deux de ces métaux, de préférence, le sodium, R est le N,N,N',N'-tétraméthyl-N,N'-dibenzylhexanediammonium. w, x, y et z représentent respectivement le nombre de 30 moles de XOn, de M+OH-, de H2O et de RO. Conformément à l'étape (ii) du procédé selon l'invention, on procède au traitement hydrothermal dudit mélange réactionnel jusqu'à ce que ledit solide lamellaire cristallisé constitué de magadiite se forme. Le mélange réactionnel est avantageusement mis sous conditions hydrothermales sous une pression de réaction autogène, éventuellement en ajoutant du gaz, par exemple de l'azote, à une température de cristallisation comprise entre 100 et 200 C, de préférence entre 110 C et 170 C, de manière plus préférée entre 135 et 170 C et de manière encore plus préférée entre 145 et 170 C jusqu'à la formation des cristaux lamellaires de magadiite. La durée nécessaire pour obtenir la cristallisation varie généralement io entre 1 et 7 jours, de préférence entre 1 et 4 jours, de manière plus préférée entre 1 et 2,5 jours et de manière encore plus préférée entre 1,5 et 2,5 jours. Pendant la durée de l'étape (ii) de cristallisation, le mélange réactionnel peut être vigoureusement agité ou ne pas l'être. Les conditions opératoires pour la cristallisation sont choisies par l'Homme du métier pour obtenir la magadiite pure, en 15 l'absence de toute autre phase cristallisée ou amorphe. Le procédé de préparation selon l'invention est aussi hautement sélectif car il conduit à la magadiite pure dans les conditions opératoires de cristallisation données ci-dessus. De préférence, le produit obtenu à l'issue de l'étape ii) de cristallisation est soumis à 20 au moins une des étapes suivantes, de préférence à l'ensemble desdites étapes suivantes : iii) une étape de séparation du solide lamellaire cristallisé du mélange de cristallisation, iv) une étape de lavage du solide lamellaire cristallisé, et 25 v) une étape de séchage dudit solide lamellaire cristallisé. Le solide cristallisé est généralement séparé du mélange selon l'étape iii) du procédé de préparation selon l'invention par toute méthode connue de l'Homme du métier telle que la filtration. Le solide est ensuite lavé à l'eau conformément à l'étape iv) du 30 procédé selon l'invention, de préférence de l'eau dé-ionisée. L'étape v) de séchage est généralement réalisée à une température comprise entre 50 et 150 C pendant une durée allant de 12 à 30 heures. Le séchage est, de préférence, réalisé à pression atmosphérique mais peut également être effectué sous pression. A l'issue de l'ensemble de ces étapes, on obtient un solide lamellaire cristallisé constitué de magadiite. Conformément à l'invention, il est avantageux de réaliser un échange cationique du métal alcalin et/ou alcalino-terreux introduit au cours de ladite étape i) du procédé de préparation dudit solide lamellaire cristallisé, ledit échange cationique étant réalisé avec des ions hydrogène à l'issue de l'étape v) de séchage du solide lamellaire. Cet échange cationique avec des protons confère de l'acidité au solide lamellaire io cristallisé constitué de magadiite. Les exemples qui suivent illustrent l'invention sans en limiter la portée. Exemple 1 : synthèse du dibromure de N,N,N',N'-tétraméthyl-N,N'-dibenzylhexane-15 diammonium 50 g de 1,8-dibromohexane (0,20 mole, 99%, Aldrich) sont ajoutés dans un ballon de 500 ml contenant 150 ml d'éthanol et 61 g de N-benzyldiméthylamine (0,45 mole, 99%, Aldrich). Le milieu réactionnel est agité et porté à reflux pendant 3 h. Le mélange est ensuite refroidi à température ambiante, versé dans 300 ml de 20 diéthyléther puis filtré et lavé avec 100 ml de diéthyléther. Le solide obtenu est séché sous vide pendant 12 h. On obtient 74 g d'un solide blanc (soit un rendement de 98 %). Le produit possède le spectre 1H RMN attendu. 1H RMN (D2O, ppm/TMS) : 1,28 (4H,m) ; 1,75 (4H,m) ; 2,86 (12H,$) ; 3,10-3,15 (4H,m) ; 4,32 (4H,$) ; 7,37-7,43 25 (10H,m). Exemple 2 : synthèse de la magadiite silicique 19,8 g d'une suspension colloïdale de silice, connue sous le terme commercial Ludox HS-40 commercialisée par Aldrich, est incorporée dans une solution composée de 30 1,66 g de soude (prolabo), 11,332 g de dibromure de N,N,N',N'-tétraméthyl-N,N'-dibenzylhexanediammonium dans 67,17 g d'eau déionisée. Le mélange est agité vigoureusement pendant une demi-heure. Le mélange est ensuite transféré, après homogénéisation, dans un autoclave. L'autoclave est chauffé pendant 2 jours à 160 C sous agitation. Le produit cristallisé obtenu est filtré, lavé à l'eau déionisée (pour atteindre un pH neutre) puis séché une nuit à 100 C. Le diffractogramme (DRX) effectué sur l'échantillon brut de synthèse est 5 caractéristique de la magadiite pure. Exemple 3 : synthèse de la magadiite substituée avec de l'aluminium 19,797 g d'une suspension colloïdale de silice, connue sous le terme commercial Ludox HS-40 commercialisée par Aldrich, est incorporée dans une solution io composée de 0,415 g d'aluminate de sodium (Carlo Erba), 1,457 g de soude (prolabo), 11,306 g de dibromure de N,N,N',N'-tétraméthyl-N,N'-dibenzylhexanediammonium dans 67,03 g d'eau déionisée. Le rapport Si/AI du gel de synthèse est de 30. Le mélange est agité vigoureusement pendant une demi-heure. Le mélange est ensuite transféré, après homogénéisation, dans un autoclave. 15 L'autoclave est chauffé pendant 4 jours à 160 C sous agitation. Le produit cristallisé obtenu est filtré, lavé à l'eau déionisée (pour atteindre un pH neutre) puis séché une nuit à 100 C. Le diffractogramme (DRX) effectué sur l'échantillon brut de synthèse est caractéristique de la magadiite pure. 20 Exemple 4 : synthèse de la maqadiite substituée avec de l'aluminium 13,87 g d'une suspension colloïdale de silice, connue sous le terme commercial Ludox HS-40 commercialisée par Aldrich, est incorporée dans une solution 25 composée de 0,146 g d'aluminate de sodium (Carlo Erba), 1,09 g de soude (prolabo), 7,92 g de dibromure de N,N,N',N'-tetramethyl-N,N'-dibenzylhexanediammonium dans 46,97 g d'eau déionisée. Le rapport Si/AI du gel de synthèse est de 60. Le mélange est agité vigoureusement pendant une demi-heure. Le mélange est ensuite transféré, après homogénéisation, dans un autoclave. 30 L'autoclave est chauffé pendant 4 jours à 150 C sous agitation. Le produit cristallisé obtenu est filtré, lavé à l'eau déionisée (pour atteindre un pH neutre) puis séché une nuit à 100 C. Le diffractogramme (DRX) effectué sur l'échantillon brut de synthèse est caractéristique de la magadiite pure. Exemple 5 (non conforme à l'invention) : synthèse du dibromure de N,N,N',N'-5 tétraméthyl-N,N'-dibenzylbutanediammonium 50 g de 1,4-dibromobutane (0,23 mole, 99%, Aldrich) sont ajoutés dans un ballon de 500 ml contenant 150 ml d'éthanol et 72 g de N-benzyldiméthylamine (0,53 mole, 99%, Aldrich). Le milieu réactionnel est agité et porté à reflux pendant 10 h. Le mélange est ensuite refroidi à température ambiante, versé dans 300 ml de 10 diethyléther puis filtré et lavé avec 100 ml de diethyléther. Le solide obtenu est séché sous vide pendant 12 h. On obtient 105 g d'un solide blanc (soit un rendement de 94 %). Le produit possède le spectre 1H RMN attendu. 1H RMN (D2O,ppm/TMS) : 1,79 (4H,m) ; 2,88 (12H,$) ; 3,23 (4H,m) ; 4,34 (4H,$) ; 7,49 (10H,m). 15 Exemple 6 (non conforme à l'invention) : synthèse hydrothermale en présence de dibromure de N,N,N',N'_tétraméthyl-N,N'-dibenzylbutanediammonium en tant qu'agent structurant 13,9 g d'une suspension colloïdale de silice, connue sous le terme commercial Ludox 20 HS-40 commercialisée par Aldrich, est incorporée dans une solution composée de 0,344 g d'aluminate de sodium (Carlo Erba), 1,11 g de soude (prolabo), 7,53 g de N,N,N',N'-tétraméthyl-N,N'-dibenzylbutanediammonium dans 47,07 g d'eau déionisée. Le mélange est agité vigoureusement pendant une demi-heure. Le mélange est ensuite transféré, après homogénéisation, dans un autoclave. 25 L'autoclave est chauffé pendant 7 jours à 130 C dans une étuve sans agitation. Le produit obtenu est filtré, lavé à l'eau déionisée (pour atteindre un pH neutre) puis séché une nuit à 100 C. L'analyse par diffraction des rayons X montre que le solide formé n'est constitué que de phases amorphes. 30 io Exemple 7 (non conforme à l'invention) : synthèse hydrothermale en présence de dibromure de N,N,N',N'-tétraméthyl-N,N'-dibenzylbutanediammonium en tant qu'agent structurant. 14,0 g d'une suspension colloïdale de silice, connue sous le terme commercial Ludox HS-40 commercialisée par Aldrich, est incorporée dans une solution composée de 1,26 g de soude (prolabo), 7,54 g de N,N,N',N'-tétramethyl-N,N'-dibenzylbutanediammonium dans 47,22 g d'eau déionisée. Le mélange est agité vigoureusement pendant une demi heure. Le mélange est ensuite transféré, après homogénéisation, dans un autoclave. L'autoclave est chauffé pendant 4 jours à 160 C dans une étuve lo sans agitation. Le produit obtenu est filtré, lavé à l'eau déionisée (pour atteindre un pH neutre) puis séché une nuit à 100 C. L'analyse par diffraction des rayons X montre que le solide formé n'est constitué que de phases denses telles que le quartz et la cristobalite ainsi que de zéolithe ZSM-12. 15 Exemple 8 (non conforme à l'invention, selon WO 88/00091) : synthèse de magadiite substituée avec de l'aluminium en présence de chlorure de dibenzyldimethylammonium en tant qu'agent structurant. 24,5 g de chlorure de dibenzyldimethylammonium sont ajoutés à une solution contenant 0,63 g d'aluminate de sodium, 4,0 g d'hydroxyde de sodium et 30,0 g 20 d'eau déionisée. Le mélange est ajouté à 134,0 g de silice colloïdale puis mélangé. Le mélange est chauffé à 140 C dans un réacteur statique pendant 21 jours. L'analyse par diffraction des rayons X indique que le produit obtenu est constitué de magadiite ainsi que de trace de mordenite. REVENDICATIONS 1. Procédé de préparation d'un solide lamellaire cristallisé constitué de magadiite consistant à procéder dans une étape (i) au mélange d'au moins une source de silice, d'au moins un sel de N,N,N',N'-tétraméthyl-N,N'-dibenzylhexanediammonium, d'au moins un métal alcalin et/ou alcalino-terreux M et de l'eau puis à procéder dans une étape (ii) au traitement hydrothermal dudit mélange jusqu'à ce que ledit solide lamellaire cristallisé constitué de magadiite se forme. io 2. Procédé de préparation selon la revendication 1 tel que ledit sel de N,N,N',N'-tétraméthyl-N,N'-dibenzylhexanediammonium est un dihalogénure de N,N,N',N'-tétraméthyl-N,N'-dibenzylhexanediammonium. 3. Procédé de préparation selon la revendication 1 ou la revendication 2 tel que ledit sel est un dibromure de N,N,N',N'-tétraméthyl-N,N'dibenzylhexanediammonium. 4. Procédé de préparation selon l'une des revendications 1 à 3 tel que ledit métal alcalin et/ou alcalino-terreux M est choisi parmi le lithium, le potassium, le sodium et le calcium et le mélange d'au moins deux de ces métaux. 5. Procédé de préparation selon la revendication 4 tel que ledit métal alcalin et/ou 20 alcalino-terreux M est le sodium. 6. Procédé de préparation selon l'une des revendications 1 à 5 tel que ladite source de silice incorporée dans ladite étape (i) est une silice colloïdale. 7. Procédé de préparation selon l'une des revendications 1 à 6 tel que ledit mélange formé au cours de ladite étape (i) comprend au moins une source d'au 25 moins un élément X à coordinence tétraédrique et différent du silicium. 8. Procédé de préparation selon la revendication 7 tel que ledit élément X est l'aluminium. 9. Procédé de préparation selon l'une des revendications 1 à 8 tel que le mélange réactionnel obtenu à ladite étape (i) présente une composition chimique 30 exprimée, en termes de moles d'oxydes, par la formule : SiO2 : w XOn : x M+OH" : y H2O : z ROw étant compris entre 0 et 0,5, x étant compris entre 0,001 et 1, y étant compris entre 10 et 100, z étant compris entre 0,05 et 3, n étant compris entre 1 et 3, et où X est au moins un élément à coordinence tétraédrique et différent du silicium, M est au moins un cation choisi parmi le lithium, le potassium, le sodium et le calcium et le mélange d'au moins deux de ces métaux, R est le N,N,N',N'-tétraméthyl-N,N'-dibenzylhexanediammonium, w, x, y et z représentant respectivement le nombre de moles de XOn, de M+OH-, de H2O et de RO. 10. Procédé de préparation selon l'une des revendications 1 à 9 tel que ladite étape (ii) est mise en oeuvre par mise dudit mélange réactionnel sous conditions hydrothermales sous une pression de réaction autogène à une température de cristallisation comprise entre 135 et 170 C. 11. Procédé de préparation selon l'une des revendications 1 à 10 tel que la durée de ladite étape (ii) varie entre 1 et 4 jours. 12. Procédé de préparation selon l'une des revendications 1 à 11 tel que ledit 1s produit issu de ladite étape (ii) de cristallisation est soumis à au moins : iii) une étape de séparation du solide lamellaire cristallisé du mélange de cristallisation, iv) une étape de lavage du solide lamellaire cristallisé, et v) une étape de séchage dudit solide lamellaire cristallisé. 20