Brevet FR3127417A1 — publié le 20230331

La présente invention se rapporte à un nouveau procédé de préparation d'une zéolithe de type structural EMT. Ce nouveau procédé permet de réaliser la synthèse d'une zéolithe de type structural EMT par transformation par dissolution puis recristallisation sous conditions hydrothermales d’une zéolithe de type structural EMT. En particulier, ledit nouveau procédé permet de réaliser la synthèse d’une zéolithe de type structural EMT, à partir d’une zéolithe de type structural EMT utilisée comme source de silicium et d’aluminium et d'une molécule organique ou structurant spécifique, choisi parmi l’éther 15-couronne-5 (1,4,7,10,13-pentaoxacyclopentadécane) ou l’éther 18-couronne-6 (1,4,7,10,13,16-hexaoxacyclooctadécane). Procédé de dissolution et de recristallisation de la zeolithe EMT avec un haut rapport Si/Al La présente invention se rapporte à un nouveau procédé de préparation d'une zéolithe de type structural EMT. Ce nouveau procédé permet de réaliser la synthèse d'une zéolithe de type structural EMT par transformation par dissolution puis recristallisation sous conditions hydrothermales d’une zéolithe de type structural EMT. En particulier, ledit nouveau procédé permet de réaliser la synthèse d’une zéolithe de type structural EMT, à partir d’une zéolithe de type structural EMT utilisée comme source de silicium et d’aluminium et d'une molécule organique ou structurant spécifique, choisi parmi l’éther 18-couronne-6 (1,4,7,10,13,16-hexaoxacyclooctadécane) ou l’éther 15-couronne-5 (1,4,7,10,13-pentaoxacyclopentadécane). Ladite zéolithe de type structural EMT obtenue selon le procédé de l'invention trouve avantageusement son application en tant que catalyseur, adsorbant ou agent de séparation. Art antérieur Le code structural EMT a été donné à la zéolithe EMC-2, un polymorphe hexagonal de la faujasite (FAU). La structure de ces deux zéolithes est bâtie par empilement de feuillets constitués de deux unités secondaires communes, à savoir la cage sodalite (sod) et le prisme hexagonal (d6r). Dans la structure FAU, l’empilement conduit à une symétrie cubique et à la formation d’une unique supercage qui possède un diamètre d’environ 1,2 nm et est accessible par des fenêtres à 12 tétraèdres de 0,74 nm de diamètre. Dans l’EMT, l’empilement génère deux types de supercages, la plus grande (hypercage) de dimensions internes de 1,3 x 1,4 nm (ouvertures ellipsoïdales de 0,69 x 0,74 nm et circulaires de 0,74 nm) et l’autre (hypocage) d’un diamètre maximal de 1,2 nm (ouvertures ellipsoïdales de 0,69 x 0,74 nm). Contrairement à la faujasite, la zéolithe EMT pure ne peut pas être synthétisée facilement à partir d’un gel uniquement minéral, c’est-à-dire en absence de molécules organiques. La possibilité d’avoir un polymorphe hexagonal de la faujasite a été évoquée par Moore et Smith (P.B. Moore, J.V. Smith, Mineralog. Mag., 34, 1964, 1008) dès 1964 puis plus tard par Breck (D.W. Breck, in “Zeolite Molecular Sieves: Structure, Chemistry and Use”, John Wiley and Sons, 1974, p. 56) (structure 6 de Breck) mais il a fallu attendre la fin des années 60s pour l’observer expérimentalement. Néanmoins, les premiers solides étaient tous constitués des deux polymorphes FAU et EMT en proportions variables. Un des premiers exemples, la zéolithe ZSM-3, brevetée en 1968, était synthétisée sans agent structurant organique mais en présence de lithium, avec un rapport SiO2/Al2O3 de réseau généralement compris entre 3 et 5 (G.T. Kokotailo, J. Ciric, Adv. Chem. Ser., 101, 1971, 109). On doit également une série de solides à D.E.W. Vaughan, en particulier la CSZ-1 (M.G. Barrett, D.E.W. Vaughan, UK Patent GB 2,076,793 A, 1981), la CSZ-3 (D.E.W. Vaughan, M.G. Barrett, US Patent 4,333,859, 1982), l’ECR-30 (D.E.W. Vaughan, Eur. Patent 0,351,461, 1989) ou la ZSM-20 (J. Ciric, US Patent 3,972,983, 1976). Les zéolithes CSZ-1 et CSZ-3 sont obtenues en absence de molécules organiques par addition de différentes quantités de césium à un gel aluminosilicique contenant du sodium. Les solides obtenus ont un rapport SiO2/Al2O3 de réseau autour de 5. Contrairement aux précédentes, les deux zéolithes ECR-30 et ZSM-20 ont été synthétisées en présence molécules organiques. L’ECR-30 est obtenue avec des cations méthyltriéthylammonium et possède un rapport SiO2/Al2O3 de réseau plus élevé, typiquement supérieur à 10. Quant à la ZSM-20, elle est synthétisée en présence d’ions tétraéthylammonium et possède également une composition riche en silicium, avec SiO2/Al2O3 compris entre 8 et 10. Dans ce dernier cas, la synthèse est délicate car les conditions de cristallisation sont très proches de celles de la zéolithe Beta, qui est très souvent obtenue comme sous-produit. La synthèse d’un composé purement hexagonal que l’on doit à Delprato n’a pu être effectuée qu’en présence de l’éther 18-couronne-6 (F. Delprato, J.L. Guth, D. Anglerot and C. Zivkov, Fr. Patent Ft. Pat. 8 813 269, 1988). Les zéolithes obtenues sont caractérisées par des rapports SiO2/Al2O3 de réseau généralement compris entre 7 et 8. La cristallisation s’effectue à des températures comprises entre 110°C et 130°C pour des durées allant de 7 à 15 jours. Récemment, Wang et coll. ont montré qu’il est possible d’obtenir des nanocristaux d’EMT sans l’aide d’une molécule organique à condition que la synthèse soit effectuée en absence de solvant, en chauffant les précurseurs solides à 40°C pendant 4 jours (Y. Wang, J. Zhang, X. Meng, S. Han, Q. Zhu, N. Sheng, L. Wang, F.-S. Xiao, Microporous Mesoporous Mater., 286, 2019, 105). Le polymorphe hexagonal a également été obtenu par conversion hydrothermale du polymorphe cubique en présence de 1,1’-(1,4-butanediyl)bis(1-azonia-4-azabicyclo [2,2,2]octane) dihydroxyde ([Dab-4]2+(OH)2) (K. Matsuda, N. Funase, K. Tsuchiya, N. Tsunoji, M. Sadakane, T. Sano, Microporous Mesoporous Mater., 274, 2019, 299). Des zéolithes HY avec différentes teneurs en Al (SiO2/Al2O3 compris entre 20 et 72) obtenues par désalumination d’une NH4Y commerciale (SiO2/Al2O3 = 5.6) ont été traitées dans une solution alcaline de [Dab-4]2+(OH)2 à 140°C pendant 6 heures. Dans certaines conditions une zéolithe EMT cristallise avec un rapport SiO2/Al2O3 compris entre 6,8 et 9,4. D’après les auteurs, la transformation FAU → EMT est possible car les deux zéolithes possèdent les mêmes CBUs ; la zéolithe NH4Y de départ est totalement dissoute en milieu alcalin mais certains éléments structuraux restent présents dans le gel et servent de « briques » pour construire le réseau de l’EMT. Néanmoins, cette dernière est instable et se transforme assez rapidement en zéolithe AFX dans les eaux de synthèse à 140°C. Description de l’invention De manière surprenante, le demandeur a mis au point un nouveau procédé de préparation d'une zéolithe de type structural EMT de haute pureté et cristallinité et présentant de préférence un rapport SiO2/Al2O3 plus élevé que ceux obtenus dans l’art antérieur, par transformation sous conditions hydrothermales d’une zéolithe de type structural EMT de rapport SiO2 (EMT)/Al2O3 (EMT) particulier, compris entre 15 et 40, en présence d’un composé organique l'éther 18-couronne-6, appelé également 1,4,7,10,13,16-hexaoxacyclooctadécane, ou 18-crown-6 selon la terminologie anglo-saxonne ou l'éther 15-couronne-5, appelé également 1,4,7,10,13-pentaoxacyclopentadécane, ou 15-crown-5 selon la terminologie anglosaxonne. En particulier, le demandeur a découvert que les composés organiques éther 18-couronne-6 (1,4,7,10,13,16-hexaoxacyclooctadécane) ou éther 15-couronne-5 (1,4,7,10,13-pentaoxacyclopentadécane), mis en mélange, avec une zéolithe de type structural EMT ayant un rapport molaire SiO2 (EMT)/Al2O3 (EMT) compris entre 15 et 40, utilisée comme source de silicium et d’aluminium, en présence ou non, d’un apport supplémentaire, au sein dudit mélange, d’au moins une source d'au moins un élément tétravalent XO2, et/ou d’au moins une source d’au moins un élément trivalent Y2O3, conduit à la production d’un gel précurseur d'une zéolithe de type structural EMT, ledit gel présentant un rapport molaire de la quantité totale exprimée en oxydes d’éléments tétravalents sur la quantité totale exprimée en oxydes d’éléments trivalents compris entre 15 et 40, puis à la production d’une zéolithe de type structural EMT de haute pureté et cristallinité. La zéolithe obtenue par le procédé selon l’invention présente également un rapport molaire de la quantité totale exprimée en oxydes d’éléments tétravalents sur la quantité totale exprimée en oxydes d’éléments trivalents plus élevé que les zéolithes obtenues dans l’art antérieur dans des procédés utilisant les mêmes structurants organiques et de préférence pouvant aller jusqu’à 17. La quantité totale en oxydes d’élément tétravalent représente la somme de la teneur en SiO2 (EMT) provenant de la zéolithe EMT et de la teneur en XO2 provenant de l’éventuelle source additionnelle d’un oxyde XO2, dans le cas où un ajout d’au moins une source additionnelle d’un oxyde XO2 est réalisé, et la quantité totale en oxydes d’éléments trivalents représente la somme de la teneur en Al2O3 (EMT) provenant de la zéolithe EMT et de la teneur en Y2O3 provenant de l’éventuelle source additionnelle d’un oxyde Y2O3, dans le cas où un ajout d’au moins une source additionnelle d’un oxyde Y2O3 est réalisé. Dans toute la suite du texte, on entend par zéolithe de haute pureté, selon la présente invention, une zéolithe dans laquelle toute autre phase cristallisée ou amorphe est généralement et très préférentiellement absente du solide cristallisé constitué de la zéolithe de type structural EMT obtenue à l'issue du procédé de préparation. On entend également par zéolithe de haute cristallinité selon la présente invention une zéolithe présentant un pourcentage de cristallinité d’au moins 95 % par rapport à une zéolithe de référence donnée et préparée selon un procédé standard utilisant des sources de silicium et d’aluminium conventionnelles non zéolithique connus de l’homme du métier [F. Delprato, L. Delmotte, J.L. Guth and L. Huve, Zeolites 10 (1990) 546]. La cristallinité est mesurée par comparaison directe des intensités des principales raies des diffractogrammes des rayons X obtenus. La présente invention a plus précisément pour objet un nouveau procédé de préparation d'une zéolithe de type structural EMT comprenant au moins les étapes suivantes : i) le mélange en milieu aqueux, d’au moins un métal alcalin de valence n, n étant un entier égal à 1 ledit métal étant de préférence le sodium, d’au moins un composé organique R, R étant l'éther 18-couronne-6 ou l'éther 15-couronne-5, d'au moins une zéolithe de type structural EMT ayant un rapport molaire SiO2 (EMT)/Al2O3 (EMT) compris entre 15 et 40, en présence ou non, d’un apport supplémentaire, au sein dudit mélange, d’au moins une source d'au moins un élément tétravalent XO2, et/ou d’au moins une source d’au moins un élément trivalent Y2O3, ladite zéolithe et les éventuelles sources d'au moins un élément tétravalent XO2, et/ou d’au moins une source d’au moins un élément trivalent Y2O3 étant ajoutées en dernier dans ledit mélange, le mélange présentant la composition molaire suivante : (XO2 + SiO2 (EMT))/(Al2O3 (EMT) + Y2O3) compris entre 15 et 40, H2O/(XO2 + SiO2 (EMT)) compris entre 5 et 25, R/(XO2 + SiO2 (EMT)) compris entre 0,03 et 1, Na2O/(XO2 + SiO2 (EMT)) compris entre 0,1 et 0,4, dans laquelle X est un ou plusieurs élément(s) tétravalent(s) choisi(s) dans le groupe formé par les éléments suivants : silicium, germanium, titane, de préférence X est le silicium, SiO2 (EMT) étant la quantité de SiO2 apportée par la zéolithe EMT, et Y est un ou plusieurs élément(s) trivalent(s) choisi(s) dans le groupe formé par les éléments suivants : aluminium, bore, gallium, de préférence Y est l‘aluminium, Al2O3 (EMT) étant la quantité de Al2O3 apportée par la zéolithe EMT, l’étape i) étant conduite pendant une durée comprise entre 5 et 20 minutes jusqu’à l’obtention d’un mélange homogène appelé gel précurseur, ii) le mûrissement du gel précurseur de ladite étape i) à une température comprise entre 20 et 40°C avec ou sans agitation, pendant une durée comprise entre 30 minutes et 24 heures, de préférence entre 1 heure et 6 heures, iii) le traitement hydrothermal du mélange obtenu à l’issue de l’étape ii) à une température comprise entre 90°C et 200°C, de préférence entre 100°C et 150 °C, pendant une durée comprise entre 1 jour et 10 jours, jusqu'à ce que ladite zéolithe de type structural EMT se forme. Un avantage de la présente invention est donc de fournir un nouveau procédé de préparation permettant la formation d’une zéolithe de type structural EMT de haute pureté et cristallinité et de rapport TO2/T’2O3, TO2 provenant à la fois de SiO2(EMT) et de XO2, avec X étant un élément tétravalent, de préférence le Silicium, et T’2O3 provenant à la fois de Al2O3(EMT) et de Y2O3, Y étant un élément trivalent de préférence l’aluminium et de préférence de rapport SiO2/Al2O3 dans le cas où X est le silicium et Y est l’aluminium plus élevé que ceux obtenus dans l’art antérieur, pouvant aller jusqu’à 17, à partir d’une zéolithe de type structural EMT, ledit procédé étant mis en œuvre en présence d’un structurant spécifique choisi parmi l'éther 18-couronne-6 ou l'éther 15-couronne-5. Procédé de préparation d'une zéolithe de type structural EMT comprenant au moins les étapes suivantes : i) le mélange en milieu aqueux, d’au moins un métal alcalin de valence n, n étant un entier égal à 1 ledit métal étant de préférence le sodium, d’au moins un composé organique R, R étant l'éther 18-couronne-6 ou l'éther 15-couronne-5, d'au moins une zéolithe de type structural EMT ayant un rapport molaire SiO2 (EMT)/Al2O3 (EMT) compris entre 15 et 40, en présence ou non, d’un apport supplémentaire, au sein dudit mélange, d’au moins une source d'au moins un élément tétravalent XO2, et/ou d’au moins une source d’au moins un élément trivalent Y2O3, ladite zéolithe et les éventuelles sources d'au moins un élément tétravalent XO2, et/ou d’au moins une source d’au moins un élément trivalent Y2O3 étant ajoutées en dernier dans ledit mélange, le mélange présentant la composition molaire suivante: (XO2 + SiO2 (EMT))/(Al2O3 (EMT) + Y2O3) compris entre 15 et 40, H2O/(XO2 + SiO2 (EMT)) compris entre 5 et 25, R/(XO2 + SiO2 (EMT)) compris entre 0,03 et 1, Na2O/(XO2 + SiO2 (EMT)) compris entre 0,1 et 0,4, dans laquelle X est un ou plusieurs élément(s) tétravalent(s) choisi(s) dans le groupe formé par les éléments suivants : silicium, germanium, titane, de préférence X est le silicium, SiO2 (EMT) étant la quantité de SiO2 apportée par la zéolithe EMT, et Y est un ou plusieurs élément(s) trivalent(s) choisi(s) dans le groupe formé par les éléments suivants : aluminium, bore, gallium, de préférence Y est l‘aluminium, Al2O3 (EMT) étant la quantité de Al2O3 apportée par la zéolithe EMT, l’étape i) étant conduite pendant une durée comprise entre 5 et 20 minutes jusqu’à l’obtention d’un mélange homogène appelé gel précurseur, ii) le mûrissement du gel précurseur de ladite étape i) à une température comprise entre 20 et 40°C avec ou sans agitation, pendant une durée comprise entre 30 minutes et 24 heures, de préférence entre 1 heure et 6 heures, iii) le traitement hydrothermal du mélange obtenu à l’issue de l’étape ii) à une température comprise entre 90°C et 200°C, de préférence entre 100°C et 150 °C, pendant une durée comprise entre 1 jour et 10 jours, jusqu'à ce que ladite zéolithe de type structural EMT se forme. Procédé selon la revendication 1 dans lequel X est le silicium. Procédé selon l’une des revendications 1 ou 2 dans lequel Y est l’aluminium. Procédé selon l’une des revendications 1 à 3 dans lequel le mélange de l’étape i) présente la composition molaire suivante : (XO2 + SiO2 (EMT))/(Al2O3 (EMT) + Y2O3) compris entre 15 et 25 H2O/(XO2 + SiO2 (EMT)) compris entre 7 et 15 R/(XO2 + SiO2 (EMT)) compris entre 0,04 et 0,08 Na2O/(XO2 + SiO2 (EMT)) compris entre 0,15 et 0,24. Procédé selon l’une des revendications 1 à 4 dans lequel l’étape ii) de mûrissement est réalisée pendant une durée comprise entre 1 heure et 6 heures. Procédé selon l’une des revendications 1 à 5 dans lequel l’étape iii) de traitement hydrothermal est effectuée sous une pression de réaction autogène, éventuellement en ajoutant du gaz. Procédé selon l’une des revendications 1 à 6 dans lequel l’étape iii) de traitement hydrothermal est réalisée à une température comprise entre 100°C et 150 °C pendant une durée comprise entre 1 jour et 7 jours. Procédé selon l’une des revendications 1 à 6 dans lequel la phase solide formée d’une zéolithe de type structural EMT est filtrée, lavée puis séchée, ladite étape de séchage étant réalisée à une température comprise entre 20 et 150°C pendant une durée comprise entre 5 et 24 heures. Procédé selon la revendication 8 dans lequel la zéolithe séchée est calcinée à une température comprise entre 450 et 700°C pendant une durée comprise entre 2 et 20 heures.