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FR3111886A1 - Synthese directe d’un catalyseur a base de zeolithe afx contenant du cuivre pour la reduction selective des nox - Google Patents

Synthese directe d’un catalyseur a base de zeolithe afx contenant du cuivre pour la reduction selective des nox Download PDF

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FR3111886A1
FR3111886A1 FR2006818A FR2006818A FR3111886A1 FR 3111886 A1 FR3111886 A1 FR 3111886A1 FR 2006818 A FR2006818 A FR 2006818A FR 2006818 A FR2006818 A FR 2006818A FR 3111886 A1 FR3111886 A1 FR 3111886A1
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David Berthout
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IFP Energies Nouvelles IFPEN
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Abstract

L’invention concerne un procédé de préparation d’un catalyseur à base de zéolithe de type structural AFX contenant du cuivre comprenant au moins les étapes suivantes :a) le mélange, en milieu aqueux, d’au moins une source de silicium, d’au moins une source d’aluminium, d’au moins une source de soude, d’au moins une source de cuivre, d’un agent complexant organique N-[3-(trimethoxysilyl)propyl]ethylenediamine (TPE), et d’un agent structurant de la zéolithe AFX qui est le dihydroxyde de 1,6-bis(méthylpiperidinium)hexane (bMP6) pour obtenir un gel de composition molaire déterminée ;b) le traitement hydrothermal dudit gel à une température comprise entre 140 et 200°C, sous pression de réaction autogène, pendant une durée comprise entre 3 et 36 heures sous agitation ;c) le traitement thermique par séchage dudit matériau suivi d’une calcination.L’invention concerne également le catalyseur obtenu et son utilisation pour la réduction sélective des NOx. Figure à publier : Figure 1

Description

SYNTHESE DIRECTE D’UN CATALYSEUR A BASE DE ZEOLITHE AFX CONTENANT DU CUIVRE POUR LA REDUCTION SELECTIVE DES NOX
L’invention se rapporte à un procédé de préparation d’un catalyseur contenant du cuivre à base d’une zéolithe de type structural AFX, le catalyseur préparé ou susceptible d’être préparé par le procédé, et son utilisation pour la réduction sélective catalytique des NOx en présence d’un réducteur, en particulier sur les moteurs à combustion interne.
Les émissions d'oxydes d'azote (NOx) qui résultent de la combustion de combustibles fossiles sont une préoccupation majeure pour la société. Des normes de plus en plus sévères sont mises en place par les instances gouvernementales afin de limiter l’impact des émissions issues de la combustion sur l’environnement et sur la santé. Pour les véhicules légers en Europe dans le cadre de la réglementation Eu1ro 6d, les émissions de NOx et de particules doivent atteindre un niveau très bas pour l’ensemble des conditions de fonctionnement. Le nouveau cycle de conduite WLTC (Worldwide harmonized Light vehicles Test Cycle) et la réglementation des émissions en conduite réelle (RDE) associée aux facteurs de conformité, exige le développement d'un système de dépollution hautement efficace pour atteindre ces objectifs. La réduction catalytique sélective, désignée par l’acronyme anglo-saxon « SCR » pour « Selective Catalytic Reduction », apparaît comme une technologie efficace pour éliminer les oxydes d'azote dans les gaz d’échappement riches en oxygène, typiques des moteur Diesel et à allumage commandé en mélange pauvre. La réduction catalytique sélective est réalisée grâce à un réducteur, généralement l’ammoniac, et peut ainsi être désignée par NH3-SCR. L’ammoniac (NH3) impliqué dans le processus SCR est généralement généré via la décomposition d’une solution aqueuse d'urée (par exemple une solution commerciale de type AdBlue ou DEF), et produit N2et H2O lors de la réaction avec NOx.
Les zéolithes échangées avec des métaux de transition sont notamment utilisées comme catalyseurs pour les applications NH3-SCR, dans les transports. Les zéolithes à petit pores, en particulier les chabazites échangées au cuivre, sont particulièrement adaptées. Elles existent commercialement sous la forme
silico-aluminophosphate Cu-SAPO-34 et aluminosilicates Cu-SSZ-13 (ou Cu-SSZ-62). Leur tenue hydrothermale et leur efficacité de conversion des NOx en font les références actuelles. Cependant, les normes étant de plus en plus contraignantes, les performances des catalyseurs doivent encore être améliorées.
L’utilisation des zéolithes de type structural AFX pour les applications NH3-SCR est connue, mais peu de travaux évaluent l’efficacité de catalyseurs mettant en œuvre cette zéolithe.
Le document Fickel et al. (Fickel, D. W., & Lobo, R. F., The Journal of Physical Chemistry C, 2010, 114(3), 1633-1640) étudie l’utilisation d’une SSZ-16 (type structural AFX) échangée au cuivre pour l’élimination des NOx. Cette zéolithe est synthétisée conformément au brevet US 5,194,235 (synthèse à 150°C pendant 6 jours), dans lequel le cuivre est introduit par échange en utilisant du sulfate de cuivre(II) à 80°C pendant 1 heure. Des résultats récents (Fickel, D. W., D’Addio, E., Lauterbach, J. A., & Lobo, R. F., Applied Catalysis B: Environmental, 2011, 102(3), 441-448) montrent une excellente conversion et une bonne tenue hydrothermale pour un chargement à 3,78% poids en cuivre.
Les zéolithes de type structural AFX comprennent en particulier la zéolithe SSZ-16, et les zéotypes SAPO-56 et MEAPSO-56. La zéolithe de type structural AFX présente un système tridimensionnel de pores délimités par huit tétraèdres et est formé par deux types de cages: gmelinite (cage GME) et une grande cage AFT (~8,3 x 13,0 Ǻ). De nombreuses méthodes de synthèse de zéolithes de type structural AFX, en particulier de la zéolithe SSZ-16, sont connues. La zéolithe SSZ-16 a été synthétisée en utilisant des espèces organiques azotées dérivées de type 1,4-di(1-azoniabicyclo[2.2.2]octane)butyl dibromide et avec une durée de cristallisation typiquement supérieure à 3 jours et à une température égale ou supérieure à 140°C (US. Patent No. 4,508,837). Chevron Research and Technology Company a préparé la zéolithe SSZ-16 en présence de cations DABCO-Cn-diquat, où DABCO représente le 1,4-diazabicyclo[2.2.2]octane et n est 3, 4 ou 5 avec une durée de cristallisation typiquement supérieure à 3 jours et à une température supérieure à 100°C, de préférence supérieure à 130°C (U.S. Patent No.5,194,235). S.B. Hong et al ont utilisés l’ion alkylammonium diquaternaire Et6-diquat-n, où Et6-diquat représente N’,N’-bis-triethylpentanediammonium et n est 5, comme agent structurant pour la synthèse de la zéolithe SSZ-16 avec une durée de formation de la zéolithe SSZ-16 comprise entre 7 et 14 jours et à une température de 160°C, (Micropor. Mesopor. Mat., 60 (2003) 237-249). On peut citer également l'utilisation des cations 1,3-bis(adamantyl)imidazolium comme agent structurant pour la préparation de zéolithe de type structural AFX avec une durée de cristallisation comprise entre 7 et 10 jours et généralement comprise entre 2 et 15 jours, et à une température supérieure à 100°C, de préférence entre 120 et 160°C (R.H. Archer et al., Microp. Mesopor. Mat., 130 (2010) 255-265, Johnson Matthey Company W02016077667A1). Inagaki Satoshi et al. (JP2016169139A) ont utilisé des cations divalents N,N,N',N'-tétraarquirubicyclo[2.2.2]oct-7-ene-2,3:05,6-dipyrrolidium substitués avec des groupes alkyle avec une durée de cristallisation généralement comprise entre 20 et 400 heures et à des températures comprises entre 100 et 200°C, de préférence entre 150 et 175°C, pour préparer la zéolithe SSZ-16. Chevron U.S.A. (WO2017/200607 A1) propose de réaliser la synthèse d’une zéolithe SSZ-16 avec une durée de cristallisation de 1 à 28 jours et à des températures comprises entre 130 et 175°C en utilisant les dications : 1,1’-(1,4-cyclohexylenedimethylene)bis[1-methylpiperidinium], 1,1’-(1,4-cyclohexylenedimethylene)bis[1-methylpyrrolidinium], 1,1’-(1,4-cyclohexylenedimethylene)bis[1-ethylpyrrolidinium]. H.-Y. Chen et al. (Johnson Matthey Company, US2018/0093897) ont utilisé un mélange de cations contenant au moins le 1,3-bis(adamantyl)imidazolium et une amine neutre pour préparer la zéolithe JMZ-10 de type structural AFX en absence de cations alcalins avec une durée de cristallisation entre 1 et 20 jours et à des températures comprises entre 100 et 200°C. H.-Y. Chen et al. (Johnson Matthey Company, US2018/0093259) ont utilisé un mélange de cations contenant une molécule organique choisie parmi le 1,3-bis(adamantyl)imidazolium, le N,N-dimethyl-3,5-dimethylpiperidinium, le N,N-diethyl-cis-2,6-dimethylpiperidinium, le N,N,N-1-trimethyladamantylammonium, le N,N,N-dimethylethylcyclohexylammonium et au moins un cation de métal alcalino-terreux pour obtenir la zéolithe JMZ-7 de type structural AFX qui présente des sites Al proches par rapport à une zéolithe obtenue par une synthèse mettant en œuvre des cations alcalins. La durée nécessaire pour obtenir cette zéolithe varie de 3 à 15 jours à une température supérieure à 100°C, de préférence entre 120 et 180°C.
K.G Strohmaier et al. (Exxon Mobil, WO2017202495A1) ont utilisé la molécule organique 1,1’-(hexane-1,6-dyil)bis(1-méthylpipéridinium) en présence d’un complexe métallique stabilisé par des ligands d’amine pour obtenir une zéolithe de type structural AFX avec une durée de cristallisation de 1 jour à environ 100 jours et à des températures comprises entre 100 et 200°C, de préférence entre 150 et 170°C.
Le brevet FR3069238B décrit la préparation d’une zéolithe de type structural AFX contenant du cuivre en utilisant un agent complexant organique de type TETA (triéthylènetétramine) ou TEPA (tetraéthylènepentamine) et un agent structurant
1,4-diazabicyclo[2,2,2]octane-C4-diquat dibromure (DABCO-C4).
La demanderesse a découvert qu’un procédé de préparation d’un matériau zéolithique de type structural AFX contenant du cuivre et comprenant éventuellement un métal de transition additionnel, présente des performances intéressantes de conversion des NOxet de sélectivité vers N2O. Les performances de conversion des NOx, en particulier à basse température (T<250°C), sont notamment supérieures à celles obtenues avec des catalyseurs de l’art antérieur, tels que les catalyseurs à base de zéolithe de type structural AFX échangée au cuivre, tout en conservant une bonne sélectivité vers le protoxyde d’azote N2O.
L’invention concerne un procédé de préparation d’un catalyseur à base de zéolithe de type structural AFX contenant du cuivre comprenant au moins les étapes suivantes :
a) le mélange, en milieu aqueux, d’au moins une source de silicium, d’au moins une source d’aluminium, d’au moins une source de soude, d’au moins une source de cuivre, d’un agent complexant organique N-[3-(trimethoxysilyl)propyl]ethylenediamine (TPE), et d’un agent structurant de la zéolithe AFX qui est le dihydroxyde de 1,6-bis(méthylpiperidinium)hexane (bMP6) pour obtenir un gel de composition molaire :
aSiO2:bAl2O3:cNa2O:dbMP6:eCuO :fTPE:gH2O tel que :
-a/best compris entre 10 et 100
-c/aest compris entre 0,05 et 0,25
-d/aest compris entre 0,05 et 0,4
-e/aest compris entre 0,005 et 0,08
-f/eest compris entre 2 et 3
-g/aest compris entre 15 et 50.
b) le traitement hydrothermal dudit gel à une température comprise entre 140 et 200°C, sous pression de réaction autogène, pendant une durée comprise entre 3 et 36 heures sous agitation pour obtenir la cristallisation d’un matériau aluminosilicate de type structural AFX comprenant du cuivre.
c) le traitement thermique par séchage dudit matériau à une température comprise entre 80 et 120°C suivi d’une calcination sous air, éventuellement précédée d’une calcination sous flux de gaz inerte, à une température comprise entre 400 et 600°C.
Le procédé de préparation peut comprendre une étape c1) d’échange ionique par mise en contact dudit matériau séché et calciné obtenu à l’étape c) avec une solution comprenant des ions NH4 +, suivie d’une nouvelle étape c2) de traitement thermique par séchage à une température comprise entre 80 et 120°C et calcination sous flux d’air à une température comprise entre 400 et 600°C pour obtenir un matériau aluminosilicate à base de zéolithe AFX contenant du cuivre et protonée.
Le procédé de préparation peut comprendre :
-une étape d) d’échange ionique comprenant la mise en contact du matériau aluminosilicate obtenu à l’issue de l’étape c), ou à l’issue de l’étape c2) avec une solution comprenant une espèce apte à libérer au moins un métal de transition en solution sous forme réactive sous agitation à température ambiante pendant une durée comprise entre 1 heure et 2 jours, la concentration en ladite espèce apte à libérer le métal de transition dans ladite solution étant fonction de la quantité de métal de transition que l’on souhaite incorporer audit matériau ;
-une étape e) de traitement thermique du matériau obtenu à l’étape d) par séchage à une température comprise entre 80 et 120°C, puis calcination sous air à une température comprise entre 400 et 600°C,
pour obtenir un matériau aluminosilicate à base de zéolithe AFX, éventuellement protonée, contenant du cuivre et éventuellement au moins un autre métal de transition.
Ledit au moins un métal de transition introduit à l’étape d) peut être sélectionné dans le groupe formé des éléments suivants : Ti, V, Mn, Mo, Fe, Co, Cu, Cr, Zn, Nb, Ce, Zr, Rh, Pd, Pt, Au, W, Ag, de préférence Fe, Cu, Nb, Ce ou Mn, de manière très préférée Fe ou Cu et préférentiellement seulement Cu.
Avantageusement, la composition molaire du gel est telle que:
-a/best compris entre 15 et 60, de manière plus préférée de 17 à 50,
-c/aest compris entre 0,05 et 0,25, de manière préférée compris entre 0,10 et 0,24, de manière plus préférée de 0,15 à 0,24,
-d/aest compris entre 0,05 et 0,4, de manière préférée compris entre 0,06 et 0,3 de manière plus préférée entre 0,07 et 0,2,
-e/aest compris entre 0,005 et 0,08, de manière préférée compris entre 0,005 et 0,07, de manière plus préférée entre 0,006 et 0,06,
-f/eest compris entre 2 et 3, de manière préférée compris entre 2 et 2,5
-g/aest compris entre 15 et 50. de manière préférée compris entre 20 et 50.
L’étape a) peut comprendre une étape de mûrissement du mélange réactionnel à une température comprise entre 20 et 100°C, de préférence à température ambiante, avec ou sans agitation, pendant une durée comprise entre 30 minutes et 48 heures.
Le traitement hydrothermal de l’étape b) peut être réalisé à une température comprise entre 140 et 190°C, pendant une durée comprise entre 4 et 30 heures et avec une vitesse d’agitation comprise entre 100 et 1000 tr/min, de préférence entre 200 et 500 tr/min.
On peut ajouter des germes cristallins d’une zéolithe de type structural AFX au mélange de l’étape a), de préférence en quantité comprise entre 0,05 et 10% de la masse totale de SiO2et Al2O3.
L’invention concerne également un catalyseur zéolithique comprenant une zéolithe AFX, du cuivre et éventuellement au moins un autre métal de transition directement préparé ou susceptible d’être préparé par le procédé dans l’une quelconque de ses variantes décrites, dans lequel le rapport molaire SiO2/Al2O3de la zéolithe AFX est compris entre 7 et 20, de préférence entre 8 et 16, bornes incluses et la quantité totale de métal ou métaux de transition, y compris le cuivre,est comprise entre 0,5% et 8% en masse par rapport à la masse totale de catalyseur anhydre.
L’invention concerne également l’utilisation dudit catalyseur ou du catalyseur directement préparé ou susceptible d’être préparé par le procédé selon l’une quelconque de ses variantes décrites pour la réduction sélective de NOxpar un réducteur tel que NH3ou H2.
Ledit catalyseur peut être mis en forme par dépôt sous forme de revêtement sur une structure nid d’abeilles ou une structure à plaques.
La structure nid d’abeilles peut être formée de canaux parallèles ouverts aux deux extrémités ou comporte des parois poreuses filtrantes pour lesquelles les canaux parallèles adjacents sont alternativement bouchés de part et d’autre des canaux.
La quantité de catalyseur déposé sur ladite structure peut être comprise entre 50 à 180 g/L pour les structures filtrantes et entre 80 et 200 g/L pour les structures avec canaux ouverts.
Le catalyseur peut être associé à un liant tel que la cérine, l’oxyde de zirconium, l’alumine, la silice-alumine non zéolithique, l’oxyde de titane, un oxyde mixte de type cerine-zircone, un oxyde de tungstène et/ou une spinelle pour être mis en forme par dépôt sous forme de revêtement.
Ledit revêtement peut également être associé à un autre revêtement présentant des capacités d’adsorption de polluants en particulier de NOx, de réduction de polluants en particulier des NOx ou favorisant l’oxydation de polluants.
Ledit catalyseur peut être sous forme d’extrudé, contenant jusqu’à 100% dudit catalyseur.
La structure revêtue par ledit catalyseur ou obtenue par extrusion dudit catalyseur peut avantageusement être intégrée dans une ligne d’échappement d’un moteur à combustion interne.
LISTE DES FIGURES
[Fig 1]
La représente le composé organique azoté (dihydroxyde de 1,6-bis(méthylpiperidinium)hexane, bMP6) utilisé comme structurant dans le procédé de synthèse selon l’invention.
[Fig 2]
La représente le composé organique (N-[3-(trimethoxysilyl)propyl]ethylenediamine, TPE) utilisé comme complexant du cuivre dans le procédé de synthèse selon l’invention.
[Fig 3]
La représente le diagramme de diffraction X du catalyseur à base de zéolithe AFX CuAFX1 obtenu selon l’exemple 2.
[Fig 4]
La représente le diagramme de diffraction X du catalyseur à base de zéolithe AFX protonée CuHAFX1 obtenu selon l’exemple 2.
[Fig 5]
La représente le diagramme de diffraction X du catalyseur à base de zéolithe AFX CuAFX2 obtenu selon l’exemple 3.
[Fig 6]
La représente le diagramme de diffraction X du catalyseur à base de zéolithe AFX protonée Cu2HAFX2 obtenu selon l’exemple 3.
[Fig 7]
La représente le diagramme de diffraction X du catalyseur à base de zéolithe AFX protonée CuOPSSZ-16 obtenu selon l’exemple 5.
[Fig 8]
La représente la conversion C en % obtenue lors d’un test catalytique de réduction des oxydes d’azote (NOx) par l’ammoniac (NH3) en présence d’oxygène (O2) dans des conditions Standard SCR en fonction de la température T en °C, pour les catalyseurs synthétisés suivant les exemples 2, 3 et 4, CuHAFX1 courbe symbolisée par les ronds, Cu2HAFX2 courbe symbolisée par les carrés et CuSSZ-16, comparatif, courbe symbolisée par les croix.
[Fig 9]
La représente la conversion C en % obtenue lors d’un test catalytique de réduction des oxydes d’azote (NOx) par l’ammoniac (NH3) en présence d’oxygène (O2) dans des conditions Standard SCR en fonction de la température T en °C, pour les catalyseurs synthétisés suivant les exemples 2, 4 et 5 et vieillis suivant l’exemple 6, CuHAFX1 vieilli courbe symbolisée par les ronds, CuSSZ-16 vieilli, comparatif, courbe symbolisée par les croix et CuOPSSZ-16 vieilli, comparatif, courbe symbolisée par les triangles.
D'autres caractéristiques et avantages du procédé de préparation du catalyseur selon l'invention, apparaîtront à la lecture de la description ci-après d'exemples non limitatifs de réalisations, en se référant aux figures annexées et décrites ci-après.
L’invention concerne un procédé de préparation d’un catalyseur à base de zéolithe de type structural AFX contenant du cuivre comprenant au moins les étapes suivantes :
a) le mélange, en milieu aqueux, d’au moins une source de silicium, d’au moins une source d’aluminium, d’au moins une source de soude, d’au moins une source de cuivre, d’un agent complexant organique N-[3-(trimethoxysilyl)propyl]ethylenediamine (TPE), et d’un agent structurant de la zéolithe AFX le dihydroxyde de 1,6-bis(méthylpiperidinium)hexane (bMP6) pour obtenir un gel de composition molaire :
aSiO2:bAl2O3:cNa2O:dbMP6:eCuO :fTPE:gH2O
-a/bétant compris entre 10 et 100
-c/aétant compris entre 0,05 et 0,25
-d/aétant compris entre 0,05 et 0,4
-e/aétant compris entre 0,005 et 0,08
-f/eétant compris entre 2 et 3
-g/aétant compris entre 15 et 50.
b) le traitement hydrothermal dudit gel à une température comprise entre 140 et 200°C, sous pression de réaction autogène, pendant une durée comprise entre 3 et 36 heures sous agitation pour obtenir la cristallisation dudit matériau aluminosilicate de type structural AFX comprenant du cuivre.
c) le traitement thermique par séchage sous air à une température comprise entre 80 et 120°C suivi d’une calcination qui peut commencer sous flux de gaz inerte, puis sous air à une température comprise entre 400 et 600°C.
c1) un éventuel échange ionique par mise en contact dudit matériau avec une solution comprenant des ions NH4 +, suivie d’un traitement thermique dans une étape c2) par séchage à une température comprise entre 80 et 120°C et éventuellement par calcination sous flux d’air à une température comprise entre 400 et 600°C pour obtenir un matériau à base de zéolithe AFX contenant du cuivre et protonée ;
d) un éventuel échange ionique, comprenant la mise en contact du solide obtenu à l’issue de l’étape c), voire c2) avec une solution comprenant une espèce apte à libérer un métal de transition en solution sous forme réactive sous agitation à température ambiante pendant une durée comprise entre 1 heure et 2 jours, la concentration en ladite espèce apte à libérer le métal de transition dans ladite solution étant fonction de la quantité de métal de transition que l’on souhaite incorporer audit solide ;
e) une éventuelle étape de traitement thermique par séchage à une température comprise entre 80 et 120°C, suivie d’une calcination, sous air à une température comprise entre 400 et 600°C, si l’étape d) est présente,
Etape a) de mélange
Le procédé de préparation selon l’invention comprend une étape a) de mélange, en milieu aqueux, d’au moins une source de silicium, d’au moins une source d’aluminium, d’au moins une source de soude, d’au moins une source de cuivre, d’un agent complexant organique N-[3-(trimethoxysilyl)propyl]ethylenediamine (TPE), et d’un agent structurant de la zéolithe AFX, le dihydroxyde de 1,6-bis(méthylpiperidinium)hexane (bMP6), pour obtenir un gel de composition molaire :
aSiO2:bAl2O3:cNa2O:dbMP6:eCuO :fTPE:gH2O
-a/bétant compris entre 10 et 100, de manière préférée compris entre 15 et 60, de manière plus préférée de 17 à 50,
-c/aétant compris entre 0,05 et 0,25, de manière préférée compris entre 0,10 et 0,24, de manière plus préférée de 0,15 à 0,24,
-d/aétant compris entre 0,05 et 0,4, de manière préférée compris entre 0,06 et 0,3 de manière plus préférée entre 0,07 et 0,2,
-e/aétant compris entre 0,005 et 0,08, de manière préférée compris entre 0,005 et 0,07, de manière plus préférée entre 0,006 et 0,06,
-f/eétant compris entre 2 et 3,
-g/aétant compris entre 15 et 50.
La source de silicium peut être toute source de silicium connue de l’Homme du métier. En particulier, la source de silicium est de préférence de la silice en poudre, du silicate de sodium, de l'acide silicique, de la silice colloïdale, de la silice dissoute ou du tetraethoxysilane (TEOS) ou une zéolithe alumino-silicique comme par exemple la zéolithe Y ou les USY (Ultrastable Y, de type structural FAU tels que : CBV712, CBV720, CBV760, CBV780 produites par Zeolyst). Toute autre zéolithe de type structural FAU, avantageusement obtenue par des techniques bien connues de l’homme du métier, peut être utilisée comme source de zéolithe FAU. Parmi les silices en poudre, on peut utiliser les silices précipitées, notamment celles obtenues par précipitation à partir d'une solution de silicate de métal alcalin, des silices pyrogénées, par exemple du "CAB-0-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 préférée, la source de silicium est choisie parmi les silices colloidales et les zéolithes USY.
La source d’aluminium peut être toute source d’aluminium connue de l’Homme du métier. En particulier, la source d'aluminium 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 pseudo-boehmite, de l'alumine gamma ou du trihydrate alpha ou beta, une zéolithe alumino-silicique comme par exemple les zéolithes Y ou les USY (Ultrastable Y, de type structural FAU). On peut également utiliser des mélanges des sources citées ci-dessus. De manière préférée, la source d’aluminium est choisie parmis l’aluminate de sodium (NaAlO2) et les zéolithes USY.
La source de cuivre est au moins une espèce apte à libérer le cuivre en solution sous forme réactive comme par exemple les sulfates, nitrates, chlorures, oxalates, complexes organométalliques ou ammonicaux de cuivre, mais aussi des mélanges des sources citées ci-dessus. De préférence la source de cuivre est choisie parmi les sulfates et nitrates.
L’agent structurant est le dihydroxyde de 1,6-bis(méthylpiperidinium)hexane (bMP6), cet agent structurant permet l’obtention d’un matériau aluminosilicate de type structural AFX, sa formule chimique est donnée en .
L’agent complexant organique utilisé dans l’étape a) du procédé selon l’invention est la molécule organique N-[3-(trimethoxysilyl)propyl]ethylenediamine (TPE), sa formule chimique est donnée en .
Le mélange de l’étape a) est avantageusement réalisé à température comprise entre 20 et 90°C sous agitation pour permettre un bon mélange des différentes sources.
Une éventuelle étape de mûrissement à température ambiante peut être utilisée pour permettre une cristallisation plus rapide de la zéolithe dans l’étape b).
Ladite étape de mûrissement à température ambiante est avantageusement réalisée à l’issue de l’étape a) et avant l’étape b). Cette étape de mûrissement peut être réalisée à une température comprise entre 20 et 100°C, de préférence à température ambiante, avantageusement entre 20 et 30°C, avec ou sans agitation, pendant une durée comprise entre 30 min et 48 heures. Cette étape de mûrissement permet une cristallisation plus rapide de la zéolithe lors de l’étape b) du procédé selon l’invention.
On peut ajouter des germes cristallins d’une zéolithe de type structural AFX au mélange, de préférence en quantité comprise entre 0,05 et 10% de la masse totale de SiO2et Al2O3, l’ajout de germes peut également permettre une cristallisation plus rapide de la zéolithe dans l’étape b).
Etape b) de traitement hydrothermal
Le procédé de préparation selon l’invention comprend une étape b) de traitement hydrothermal dudit gel à une température comprise entre 140 et 200°C, sous pression de réaction autogène et sous agitation pendant une durée comprise entre 3 et 36 heures pour obtenir la cristallisation dudit matériau aluminosilicate de type structural AFX comprenant du cuivre.
Conformément à l'étape b) du procédé selon l'invention, le gel obtenu à l'issue de l'étape a) de mélange est soumis à un traitement hydrothermal, réalisé à une température comprise entre 140 et 200°C, de préférence entre 140 et 190°C, sous pression de réaction autogène, pendant une durée comprise entre 3 et 36 heures de préférence entre 4 et 30 heures, pour obtenir la cristallisation de ladite zéolithe aluminosilicate de type structural AFX contenant du cuivre.
Le gel peut être avantageusement mis sous conditions hydrothermales sous une pression de réaction autogène, en ajoutant du gaz, par exemple de l'azote.
L'étape b) du procédé de préparation selon l'invention s'effectue avec une vitesse d’agitation comprise entre 100 et 1000 tr/min, de préférence entre 200 et 500 tr/min.
A la fin du traitement hydrothermal, le solide obtenu est filtré, lavé et ensuite séché pour obtenir ledit matériau aluminosilicate de type structural AFX contenant du cuivre, sous forme de poudre.
A l’issue de l’étape b), le matériau aluminosilicate de type structural AFX comprenant du cuivre sans présence d’autres phases cristallines ou amorphes observables par DRX est obtenu. Son diffractogramme de rayons X correspond à la fiche ICDD (International Center for Diffraction Data) numéro : 04-011-1869.
Etape c) de traitement thermique
Le procédé de préparation selon l’invention comprend avantageusement une étape c) de traitement thermique réalisée à l’issue de l’étape b) comprenant, après un séchage sous air à une température comprise entre 80 et 120°C, un traitement par combustion sous air sec, à une température comprise entre 400 et 600°C, préférentiellement entre 500 et 600°C pendant une durée comprise entre 5 et 15 heures, préférentiellement entre 6 et 13 heures, le débit d’air sec étant de manière préférée compris entre 0,5 et 1,5 l/h/g de solide à traiter, préférentiellement compris entre 0,7 et 1,2 l/g/h. Ce traitement thermique sour air peut être précédé d’un traitement sous gaz inerte sec, avantageusement de l’azote, à une température comprise entre 400 et 600°C, préférentiellement entre 500 et 600°C pendant une durée comprise entre 5 et 15 heures, préférentiellement entre 6 et 13 heures.
Le traitement sous gaz inerte permet en particulier un thermo-craquage des molécules organiques avant de libérer la porosité lors du traitement par combustion. En particulier, ledit traitement sous gaz inerte permet de maintenir l’intégrité de la structure du matériau préparé par le procédé selon l’invention lors du traitement par combustion.
Á l’issue de ladite étape c), le matériau préparé selon l’invention peut être utilisé comme catalyseur, adsorbant, support de catalyseur ou toute autre application connue de l’Homme du métier pour un matériau aluminosilicate de type structural AFX comprenant du cuivre.
Á l’issue de ladite étape c), le matériau préparé selon l’invention peut subir d’une manière avantageuse un échange ionique dans une étape c1) avec une solution de nitrate d’ammonium suivi d’un traitement thermique dans une étape successive c2) par séchage à une température comprise entre 80 et 120°C et calcination sous flux d’air à une température comprise entre 400 et 600°C.
Le matériau obtenu se présente sous forme de poudre de couleur bleu clair dont l’intensité dépend de la quantité de cuivre contenue et son diffractogramme de rayons X correspond à un aluminosilicate de type structural AFX, telle que défini par l’International Zeolite Association (IZA) et correspond aussi à la fiche ICDD (International Center for Diffraction Data) numéro : 04-011-1869. La quantité de cuivre contenue dans ledit matériau peut varier entre 0,5 à 8% massique de la masse totale du matériau sous sa forme anhydre.
Etape d) d’échange ionique
Le procédé de préparation selon l’invention peut comprendre, à l’issue de l’étape c) du procédé selon l’invention, ou des étapes c1) et c2) du procédé selon l’invention, une étape d’échange ionique comprenant la mise en contact du solide obtenu à l’issue de l’étape c), avec une solution comprenant une espèce apte à libérer au moins un métal de transition en solution sous forme réactive sous agitation à température ambiante pendant une durée comprise entre 1 heure et 2 jours, avantageusement pendant une durée comprise entre 4 et 18 heures, la concentration en ladite espèce apte à libérer le métal de transition dans ladite solution étant fonction de la quantité de métal de transition que l’on souhaite incorporer audit solide. La quantité de métal de transition contenue dans ledit solide est au final comprise entre 0,5 à 8% massique par rapport à la masse totale du solide sous sa forme anhydre.
Ledit métal de transition est sélectionné dans le groupe formé des éléments suivants : Ti, V, Mn, Mo, Fe, Co, Cu, Cr, Zn, Nb, Ce, Zr, Rh, Pd, Pt, Au, W, Ag. De préférence le métal de transition est Fe, Cu, Nb, Ce ou Mn, de préférence Fe ou Cu et préférentiellement Cu.
Selon l’invention, par « espèce apte à libérer un métal de transition », on entend une espèce apte à se dissocier en milieu aqueux, comme par exemple les sulfates, les nitrates, les chlorures, les oxalates, les complexes organométalliques d’un métal de transition ou leurs mélanges. De préférence, l’espèce apte à libérer un métal de transition est un sulfate ou un nitrate dudit métal de transition.
Cette étape facultative d’échange permet avantageusement d’augmenter la teneur en cuivre dans le catalyseur final, mais également d’introduire au moins un autre métal de transition dans le catalyseur final, par exemple le fer.
Etape e) de traitement thermique
Après l’étape d) d’échange ionique avec du cuivre et/ou un autre métal de transition, lorsque celle-ci ets mise en œuvre, le solide échangé est filtré et lavé avant de subir une nouvelle étape de traitement thermique par séchage à une température comprise entre 80 et 120°C, suivie d’une calcination, sous air à une température comprise entre 400 et 600°C.
Catalyseur selon l’invention
La demanderesse a découvert que le matériau obtenu par le procédé selon l’invention présente des caractéristiques différentes des matériaux aluminosilicates de type structural AFX comprenant du cuivre connus jusqu’à présent. En particulier, le matériau aluminosilicate obtenu par le procédé selon l’invention présente des propriétés améliorées pour la conversion des NOx.
Avantageusement, le rapport molaire SiO2/Al2O3de la zéolithe AFX obtenue est compris entre 7 et 20, de préférence entre 8 et 16, bornes incluses.
La présente invention concerne également le catalyseur comprenant une zéolithe de type structural AFX, du cuivre, et éventuellement au moins un autre métal de transition susceptible d’être obtenu ou directement obtenu par le procédé précédemment décrit selon l’une quelconque de ses variantes. La quantité de métal de transition contenue dans ledit catalyseur est avantageusement comprise entre 0,5 à 8% massique par rapport à la masse totale de catalyseur sous sa forme anhydre. Le rapport molaire SiO2/Al2O3de la zéolithe AFX du catalyseur est compris entre 7 et 20, de préférence entre 8 et 16, bornes incluses.
De préférence, le catalyseur ne contient que du cuivre comme métal de transition, à une teneur comprise entre 0,5 à 8% massique par rapport à la masse totale de catalyseur sous sa forme anhydre.
Dans un autre mode de réalisation, le catalyseur contient du cuivre et également du fer, la teneur totale en cuivre et fer étant comprise entre 0,5 à 8% massique par rapport à la masse totale de catalyseur sous sa forme anhydre.
L’invention concerne enfin l’utilisation d’un catalyseur selon l’invention pour la réduction sélective catalytique des NOx en présence d’un réducteur.
A l'issue desdites étapes de préparation b), c) ,d), e) de la zéolithe AFX, la diffraction des rayons X permet de vérifier que le solide obtenu par le procédé selon l’invention est bien une zéolithe de type structural AFX. La pureté obtenue est avantageusement supérieure à 90%, de préférence supérieure à 95%, de manière très préférée supérieure à 99,8%.
Le diagramme de diffraction est obtenu par analyse radiocristallographique au moyen d’un diffractomètre en utilisant la méthode classique des poudres avec le rayonnement Kα1du cuivre (λ = 1,5406Å). A partir de la position des pics de diffraction représentée par l’angle 2θ, on calcule, par la relation de Bragg, les équidistances réticulaires dhklcaractéristiques de l’échantillon. L’erreur de mesure Δ(dhkl) sur dhklest calculée grâce à la relation de Bragg en fonction de l’erreur absolue Δ(2θ) affectée à la mesure de 2θ. Une erreur absolue Δ(2θ) égale à ± 0,02° est communément admise. L’intensité relative Irelaffectée à chaque valeur de dhklest mesurée d’après la hauteur du pic de diffraction correspondant. Le diagramme de diffraction des rayons X du solide cristallisé de type structural AFX selon l'invention comporte au moins les raies présentes sur la fiche ICDD (International Center for Diffraction Data) numéro : 04-011-1869.
La spectrométrie de fluorescence des rayons X (FX) est une technique d'analyse chimique utilisant une propriété physique de la matière, la fluorescence de rayons X. Elle permet l’analyse de la majorité des éléments chimiques à partir du Béryllium (Be) dans des gammes de concentration allant de quelques ppm à 100%, avec des résultats précis et reproductibles. On utilise les rayons X pour exciter les atomes qui sont dans l'échantillon, ce qui leur fait émettre des rayons X à énergie caractéristique de chaque élément présent. L'intensité et l'énergie de ces rayons X sont ensuite mesurées pour déterminer la concentration des éléments dans le matériau.
Utilisation du catalyseur selon l’invention
L’invention concerne également l’utilisation du catalyseur selon l’invention, directement préparé ou susceptible d’être préparé par le procédé décrit précédemment selon l’une quelconque de ses variantes, pour la réduction sélective de NOxpar un réducteur tel que NH3ou H2, avantageusement mis en forme par dépôt sous forme de revêtement (« washcoat » selon la terminologie anglo-saxonne) sur une structure nid d’abeilles principalement pour les applications mobiles ou une structure à plaques que l’on retrouve particulièrement pour les applications stationnaires.
La structure nid d’abeilles est formée de canaux parallèles ouverts aux deux extrémités (flow-through en anglais) ou comporte des parois poreuses filtrantes et dans ce cas les canaux parallèles adjacents sont alternativement bouchés de part et d’autre des canaux afin de forcer le flux de gaz à traverser la paroi (wall-flow monolith en anglais). Ladite structure nid d’abeilles ainsi revêtue constitue un pain catalytique. Ladite structure peut être composée de cordiérite, carbure de silicium (SiC), titanate d’aluminium (AlTi), alumine alpha, mullite ou tout autre matériau dont la porosité est comprise entre 30 et 70%. Ladite structure peut être réalisée en tôle métallique, en acier inoxydable contenant du Chrome et de l’Aluminium, acier de type FeCrAl.
La quantité de catalyseur selon l’invention déposé sur ladite structure est comprise entre 50 à 180 g/L pour les structures filtrantes et entre 80 et 200 g/L pour les structures avec canaux ouverts.
Le revêtement proprement dit (« washcoat ») comprend le catalyseur selon l’invention, avantageusement associé à un liant tel que la cérine, l’oxyde de zirconium, l’alumine, la silice-alumine non zéolithique, l’oxyde de titane, un oxyde mixte de type cérine-zircone, un oxyde de tungstène, une spinelle. Ledit revêtement est avantageusement appliqué à ladite structure par une méthode de dépôt (washcoating en anglais) qui consiste à tremper le monolithe dans une suspension (slurry en anglais) de poudre de catalyseur selon l’invention dans un solvant, de préférence de l’eau, et potentiellement des liants, oxydes métalliques, stabilisateurs ou autres promoteurs. Cette étape de trempe peut être répétée jusqu’à atteindre la quantité souhaitée de revêtement. Dans certains cas le slurry peut aussi être pulvérisé au sein du monolithe. Le revêtement une fois déposé, le monolithe est calciné à une température de 300 à 600°C pendant 1 à 10 heures.
Ladite structure peut être revêtue d’un ou plusieurs revêtements. Le revêtement comprenant le catalyseur selon l’invention est avantageusement associé à, c’est-à-dire recouvre ou est recouvert par, un autre revêtement présentant des capacités d’adsorption de polluants en particulier de NOx, de réduction de polluants en particulier des NOx ou favorisant l’oxydation de polluants, en particulier celle de l’ammoniac.
Une autre possibilité est de mettre le catalyseur sous forme d’extrudé. Dans ce cas, la structure obtenue peut contenir jusqu’à 100% de catalyseur selon l’invention.
Ladite structure revêtue par le catalyseur selon l’invention est avantageusement intégrée dans une ligne d’échappement d’un moteur à combustion interne fonctionnant principalement en mélange pauvre, c'est-à-dire en excès d’air par rapport à la stœchiométrie de la réaction de combustion comme c’est le cas pour les moteurs Diesel par exemple. Dans ces conditions de fonctionnement du moteur, les gaz d’échappement contiennent notamment les polluants suivants : des suies, des hydrocarbures imbrûlés (HC), du monoxyde de carbone (CO), des oxydes d’azotes (NOx). En amont de ladite structure revêtue du catalyseur selon l’invention peut être placé un catalyseur d’oxydation dont la fonction est d’oxyder les HC et le CO ainsi qu’un filtre pour éliminer les suies des gaz d’échappement, la fonction de ladite structure revêtue étant d’éliminer le NOx, sa gamme de fonctionnement se situant entre 100 et 900°C et de manière préférée entre 200°C et 500°C.
AVANTAGES DE L’INVENTION
Le catalyseur selon l’invention, à base d’une zéolithe de type structural AFX contenant du cuivre et éventuellement un autre métal de transition, présente des propriétés améliorées par rapport aux catalyseurs de l’art antérieur. En particulier, l’utilisation du catalyseur selon l’invention permet d’obtenir des températures d’amorçage plus faibles pour la réaction de conversion des NOx et une meilleure conversion des NOxsur l’ensemble de la gamme de température de fonctionnement (150 - 600°C), tout en conservant une bonne sélectivité en N2O. Il présente aussi une meilleure tenue en vieillissement hydrothermal, garantissant des performances élevées même après ce vieillissement.
EXEMPLES
L’invention est illustrée par les exemples suivants qui ne présentent, en aucun cas, un caractère limitatif.
Exemple 1 : préparation du dihydroxyde de 1,6-bis(méthylpiperidinium)hexane (structurant organique bMP6).
50 g de 1,6-dibromohexane (0,20 mole, 99%, Alfa Aesar) sont ajoutés dans un ballon de 1 L contenant 50 g de N-méthylpipéridine (0,51 mole, 99%, Alfa Aesar) et 200 mL d'éthanol. Le milieu réactionnel est agité et porté à reflux pendant 5 heures. Le mélange est ensuite refroidi à température ambiante, puis filtré. Le mélange est versé dans 300 mL de diéthyléther froid, puis le précipité formé est filtré et lavé avec 100 mL de diéthyléther. Le solide obtenu est recristallisé dans un mélange éthanol/éther. Le solide obtenu est séché sous vide pendant 12 heures. On obtient 71 g d'un solide blanc (soit un rendement de 80%).
Le produit possède le spectre RMN1H attendu. RMN1H (D2O, ppm/TMS) : 1,27(4H,m) ; 1,48 (4H,m) ; 1,61 (4H,m) ; 1,70 (8H,m) ; 2,85 (6H,s) ; 3,16 (12H,m).
18,9 g d'Ag2O (0,08 mole, 99%, Aldrich) sont ajoutés dans un bécher en téflon de 250 ml contenant 30 g du structurant dibromure de 1,6-bis(méthylpiperidinium)hexane (0,07 mol) préparé et 100 mL d'eau déionisée. Le milieu réactionnel est agité à l'abri de la lumière pendant 12 heures. Le mélange est ensuite filtré. Le filtrat obtenu est composé d'une solution aqueuse de dihydroxyde de 1,6-bis(méthylpiperidinium)hexane. Le dosage de cette espèce est réalisé par RMN du proton en utilisant l'acide formique en tant qu'étalon.
Exemple 2 : préparation d’un catalyseur contenant une zéolithe de type structural AFX avec du cuivre selon l'invention.
2,88 g TPE sont mélangés avec 6,02 g d’eau, puis sont ajoutés 0,78 g Cu(NO3)2. Après la dissolution complète du nitrate de cuivre, sont ajoutés 16 g d'une solution aqueuse de bMP6 (18,36% en poids) préparé selon l’exemple 1, 13,03 g d'eau déionisée et 1,70 g d’hydroxyde de sodium. Après la dissolution de l’hydroxyde de sodium, sont ajoutés au mélange précédent 7,74 g de zéolithe CBV720 et la préparation obtenue est chauffée à 80°C et maintenue sous agitation pendant 30 minutes, puis on laisse refroidir jusqu'à température ambiante. Ensuite sont ajoutés dans le mélange précédent et sous agitation, 17,22 g d'une solution aqueuse de bMP6 (18,36% en poids) préparé selon l’exemple 1, 18,72 g d’eau déionisée et 0,639 g de zéolithe AFX calcinée comme germes. Le mélange est maintenu sous agitation pendant 24 heures à température ambiante (mûrissement). La composition molaire du mélange sans prendre en compte les germes est la suivante: 100 SiO2: 2,98 Al2O3: 20 Na2O: 18 bMP6: 3 Cu(NO3)2: 6 TPE: 3400 H2O, soit un ratio SiO2/Al2O3de 33. Le mélange est ensuite transféré, après homogénéisation, dans un réacteur fermé sous pression autogène et agité avec un système à 4 pales inclinées à 300 tr/min. Le réacteur est ensuite chauffé avec une montée de 5°C/min en température jusqu'à 180°C pendant 5 heures sous agitation à 200 tr/min avec un système à 4 pales inclinées. Le produit cristallisé obtenu est filtré, lavé à l'eau déionisée puis séché une nuit à 100°C. Le solide est ensuite introduit dans un four à moufle où est réalisée une étape de calcination sous flux d’air sec : le cycle de calcination comprend une montée de 1,5°C/min en température jusqu'à 200°C, un palier à 200°C maintenu durant 2 heures, une montée de 1°C/min en température jusqu'à 550°C suivie d'un palier à 550°C maintenu durant 12 heures puis un retour à la température ambiante.
Le produit solide calciné a été analysé par diffraction des rayons X (cf. ) et identifié comme étant constitué d’une zéolithe de type structural AFX de pureté supérieure à 99,8%. Le materiau obtenu est noté CuAFX1.
Le matériau CuAFX1 est ensuite mis en contact avec une solution de NH4NO3 3 molaire pendant 1 heure sous agitation à 80°C. Le rapport entre le volume de solution de NH4NO3 et la masse de matériau solide est de 10. Le solide obtenu est filtré, lavé et ensuite séché pendant 12 heures à 100°C. Le solide sec est calciné sous flux d’air à 550°C pendant 8 heures avec une rampe de montée en température de 1°C/min. Le produit obtenu est une zéolithe AFX sous forme protonée et contenant du cuivre, noté CuHAFX1. Le materiau CuHAFX1 a été analysé par diffraction des rayons X (cf. ) et identifié comme étant constitué d’une zéolithe de type structural AFX. La zéolithe CuHAFX1 présente un rapport molaire SiO2/Al2O3 de 14,5 et un pourcentage massique de Cu de 2,7% tel que déterminé par fluorescence X.
Exemple 3 : préparation d’un catalyseur contenant une zéolithe de type structural AFX avec du cuivre selon l'invention.
0,27 g TPE sont mélangés avec 6,04 g d’eau et ensuite sont ajoutés 0,15 g Cu(NO3)2. Apres la dissolution complète du nitrate de cuivre, sont ajoutés 13,05 g d'une solution aqueuse de bMP6 (18,36% en poids) préparé selon l’exemple 1, 13,03 g d'eau déionisée et 1,06 g d’hydroxyde de sodium. Apres la dissolution de l’hydroxyde de sodium sont ajoutés au mélange précédent 13,46g Ludox HS40 et la préparation obtenue est chauffée à 80°C et maintenue sous agitation pendant 30 minutes puis on laisse refroidir jusqu'à température ambiante. Ensuite sont ajoutés dans le mélange précédent et sous agitation, 12,81 g d'une solution aqueuse de bMP6 (18,36% en poids) préparé selon l’exemple 1, 0,87 g de NaAlO2, 19,32 g d’eau déionisée et 0,540 g de zéolithe AFX calcinés comme germes. Le mélange est maintenu sous agitation pendant 24 heures à température ambiante (mûrissement). La composition molaire du mélange sans prendre en compte les germes est la suivante: 100 SiO2: 5 Al2O3: 22 Na2O: 16,7 bMP6: 0,67 Cu(NO3)2: 1,33 TPE: 4200 H2O, soit un ratio SiO2/Al2O3de 20. Le mélange est ensuite transféré, après homogénéisation, dans un réacteur fermé sous pression autogène et agité avec un système à 4 pales inclinées à 300 tr/min. Le réacteur est ensuite chauffé avec une montée de 5°C/min en température jusqu'à 150°C pendant 30 heures sous agitation à 200 tr/min avec un système à 4 pales inclinées. Le produit cristallisé obtenu est filtré, lavé à l'eau déionisée puis séché une nuit à 100°C. Le solide est ensuite introduit dans un four à moufle où est réalisée une étape de calcination sous flux d’air sec : le cycle de calcination comprend une montée de 1,5°C/min en température jusqu'à 200°C, un palier à 200°C maintenu durant 2 heures, une montée de 1°C/min en température jusqu'à 550°C suivi d'un palier à 550°C maintenu durant 12 heures puis un retour à la température ambiante.
Le produit solide calciné a été analysé par diffraction des rayons X (cf. ) et identifié comme étant constitué d’une zéolithe de type structural AFX de pureté supérieure à 99,8%. Le materiau obtenu est noté CuAFX2.
La zéolithe CuAFX2 est ensuite mise en contact avec une solution de NH4NO33 molaire pendant 1 heure sous agitation à 80°C. Le rapport entre le volume de solution de NH4NO3et la masse de solide est de 10. Le solide obtenu est filtré, lavé et ensuite séché pendant 12 heures à 100°C. Le solide sec est calciné sous flux d’air à 550°C pendant 8 heures avec une rampe de montée en température de 1°C/min. Le produit obtenu est une zéolithe AFX sous forme protonée et contenant du cuivre noté CuHAFX2. Elle présente un rapport molaire SiO2/Al2O3de 10,3 et un pourcentage massique de Cu de 1% tel que déterminé par fluorescence X.
Augmentation du pourcentage de cuivre
3 g de zéolithe CuHAFX2 sont mis en contact avec 80 mL d’une solution de [Cu(NH3)4](NO3)2 1,1*10-2M pendant 24 heures sous agitation à température ambiante. Le solide final est séparé, lavé et séché pendant 12 heures à une température de 100°C et est ensuite calciné sous flux d’air à 550°C durant 8 heures. Le catalyseur obtenu est noté Cu2HAFX2. Le catalyseur Cu2HAFX2 a été analysé par diffraction des rayons X (cf. ) et identifié comme étant constitué d’une zéolithe de type structural AFX. Le catalyseur Cu2HAFX2 présente un rapport molaire SiO2/Al2O3 de 10,3 et un pourcentage massique de Cu de 2,5% tel que déterminé par fluorescence X.
Exemple 4 (Comparatif) : préparation d’une zéolithe SSZ-16 (type structural AFX)
Dans cet exemple, une zéolithe SSZ-16 est synthétisée selon l’art antérieur (Exemple 1 du brevet US5194235), et le cuivre est introduit seulement par échange ionique.
17,32 g d’hydroxyde de sodium sont dissous dans 582,30 g d’eau déionisée, sous agitation (300 tr/min) et à température ambiante. On rajoute dans cette solution 197,10 g de silicate de sodium et on homogénéise l’ensemble sous agitation (300 tr/min) à température ambiante. On rajoute ensuite 9,95 g de zéolithe NaY CBV100 sous agitation (300 tr/min) et on poursuit ainsi jusqu’à dissolution de la zéolithe. On dissout dans la solution obtenue, 43,67 g du structurant DABCO-C4 et on homogénéise ainsi sous agitation (450 tr/min) pendant 30 minutes, à température ambiante. Le mélange réactionnel présente la composition molaire suivante : 100 SiO2: 1,67 Al2O3: 50 Na2O: 10 DABCO-C4: 4000 H2O.
Le mélange réactionnel obtenu à l’étape de mélange est maintenu à température ambiante sous agitation pendant 24 heures. Le gel obtenu est laissé en autoclave à une température de 150°C pendant 6 jours sous agitation (200 tr/min). Les cristaux obtenus sont séparés et lavés avec de l’eau permutée jusqu’à obtention d’un pH des eaux de lavage inférieur à 8. Le catalyseur lavé est séché 12 heures à 100°C. Une analyse DRX montre que le produit obtenu est une zéolithe SSZ-16 de type structural AFX brute de synthèse et pure (fiche ICDD, PDF 04-011-1869).
La zéolithe SSZ-16 brute de synthèse est calcinée sous flux d’air sec, le cycle de calcination comprend une montée de 1,5°C/min en température jusqu'à 200°C, un palier à 200°C maintenu durant 2 heures, une montée de 1°C/min en température jusqu'à 550°C suivi d'un palier à 550°C maintenu durant 12 heures puis un retour à la température ambiante.
La zéolithe SSZ-16 calcinée est mise en contact d’une solution de NH4NO33 molaire pendant 5 heures sous agitation à température ambiante pour faire un échange ionique et remplacer les cations Na+presents dans la zéolithe par des cations NH4 +. Le rapport entre le volume de solution de NH4NO3et la masse de solide est de 10. Le solide obtenu est filtré et lavé et la procédure d’échange est répétée encore une fois dans les mêmes conditions. Le solide final est séparé, lavé et séché 12 heures à 100°C. Sa référence est NH4-SSZ-16.
La zéolithe SSZ-16 sous forme ammoniacale (NH4-SSZ-16) est traitée sous flux d’air sec à 550°C pendant 8 heures avec une rampe de montée en température de 1°C/min. La perte au feu (PAF) est de 4% poids. Le produit obtenu est une zéolithe SSZ-16 sous forme protonée (H-SSZ-16).
Echange ionique au Cu sur la H-SSZ-16
3 g de zéolithe H-SSZ-16 sont mis en contact avec 80 mL d’une solution de [Cu(NH3)4](NO3)21,1*10-2M pendant 24 heures sous agitation à température ambiante. Le solide final est séparé, lavé et séché et calciné sous flux d’air sec à 550°C durant 8 heures. Une analyse DRX montre que le produit obtenu est une zéolithe SSZ-16 de type structural AFX pure (fiche ICDD, PDF 04-011-1869). L’analyse chimique par fluorescence des rayons X (FX) donné un rapport molaire SiO2/Al2O3de 14 et un pourcentage massique de Cu de 2,8%. Le catalyseur obtenu est noté CuSSZ-16.
Exemple 5 (Comparatif) : préparation d’une zéolithe SSZ-16 selon FR3069238B (type structural AFX)
Dans cet exemple, on synthétise une zéolithe SSZ-16 selon le brevet FR3069238 avec incorporation du cuivre en deux étapes, première étape dans la synthèse de la zéolithe en utilisant un complexe Cu- Triéthylènetétramine (TETA) suivi d’un deuxième étape après la calcination de la zéolithe par échange ionique avec le complexe [Cu(NH3)4](NO3)2.
Etape de mélange
17,37 g d’hydroxyde de sodium sont dissous dans 507 g d’eau permutée, sous agitation (300 tr/min) et à température ambiante. On rajoute dans cette solution 198 g de silicate de sodium et on homogénéise l’ensemble sous agitation à 300 tr/min à température ambiante. On verse ensuite 9,95 g de zéolithe NaY CBV100 dans la solution antérieurement obtenue sous agitation à 300 tr/min et on poursuit ainsi jusqu’à la dissolution de la zéolithe. Cette solution est appelée solution 5-1.
0,32 g de sulfate de cuivre sont dissous dans 73 g d’eau permutée sous agitation pendant 10 minutes puis on dissout dans cette solution de cuivre 0,19 g de triéthylènetétramine (TETA). Ensuite cette solution est versée dans la solution 5-1 sous agitation à 300 tr/min. On homogénéise l’ensemble durant 10 min sous agitation (300 tr/min) et ensuite on rajoute 43,7 g du structurant DABCO-C4 et on homogénéise ainsi sous agitation à 300 tr/min pendant 10 minutes, à température ambiante.
Le mélange réactionnel présente la composition molaire suivante : 100 SiO2: 1,67 Al2O3: 50 Na2O: 10 DABCO-C4 : 0,13 CuO : 0,13 TETA : 4000 H2O
Etape de mûrissement
Le mélange réactionnel obtenue à l’étape de mélange est maintenu à température ambiante sous agitation pendant 24 heures.
Etape de traitement hydrothermal
Le gel obtenu est introduit dans un autoclave et chauffé à une température de 150°C pendant 6 jours sous agitation à 200 tr/min. Les cristaux obtenus sont séparés et lavés avec de l’eau permutée jusqu’à l’obtention d’un pH des eaux de lavage inférieur à 8. Le matériau lavé est séché.
Etape de traitement thermique (calcination)
La zéolithe Cu-SSZ-16 brute de synthèse obtenue est traitée sous flux de N2sec à 550°C pendant 8 heures, puis calcinée sous flux d’air sec à 550°C durant 8 heures.
Les analyses DRX montre que le produit obtenu est une zéolithe aluminosilicate SSZ-16 (fiche ICDD, PDF 04-011-1869). L’analyse chimique par fluorescence des rayons X (FX) donné un rapport molaire Si/Al de 6,5 et un pourcentage massique de Cu de 1%.
Echange ionique au Cu sur la Cu-SSZ-16
La zéolithe Cu-SSZ-16 calcinée est mise en contact avec une solution de [Cu(NH3)4](NO3)21,1*10-2M pendant 1 journée sous agitation à température ambiante. Le solide final est séparé, lavé et séché.
Etape de traitement thermique (calcination)
La zéolithe Cu-SSZ-16 obtenue après la mise en contact avec la solution de [Cu(NH3)4](NO3)2 est traitée sous flux de N2 sec à 550°C pendant 8 h, puis calcinée sous flux d’air sec à 550°C durant 8 h. Le catalyseur a été analysé par diffraction des rayons X (cf. ) et montre que le produit obtenu est une zéolithe SSZ-16 de type structural AFX pure (fiche ICDD, PDF 04-011-1869).
L’analyse chimique par fluorescence des rayons X (FX) donne un rapport molaire Si/Al de 6,5 et un pourcentage massique de Cu de 3%. Le catalyseur obtenu est noté CuOPSSZ-16.
Exemple 6 : Etape de vieillissement hydrothermal
200 mg de chacun des échantillons synthétisés selon l’exemple 2 (CuHAFX1), l’exemple 4 (CuSSZ-16) et l’exemple 5 (CuOPSSZ-16) sont placés sous forme de poudre dans un réacteur en quartz. Ils sont traversés par un débit de 150 L/h d’un mélange de composition molaire suivante : 10% H2O, 20% O2et N2en complément.
Les échantillons sont soumis à ces conditions pendant 1h à une température de 850°C. Ils sont ensuite refroidis à température ambiante sous flux de N2.
L’échantillon synthétisé selon l’exemple 2 et vieilli sous les conditions de l’exemple 6 est nommé CuHAFX1 vieilli.
L’échantillon synthétisé selon l’exemple 4 et vieilli sous les conditions de l’exemple 6 est nommé CuSSZ-16 vieilli.
L’échantillon synthétisé selon l’exemple 5 et vieilli sous les conditions de l’exemple 6 est nommé CuOPSSZ-16 vieilli.
Exemple 7 : conversion des NOx en Standard SCR
Un test catalytique de réduction sélective des oxydes d’azote (NOx) par l’ammoniac (NH3) en présence d’oxygène (O2) dans des conditions Standard SCR est réalisé à différentes températures de fonctionnement pour les catalyseurs obtenus suivant l’exemple 2 (CuHAFX1, selon l’invention), l’exemple 3 (Cu2HAFX2, selon l’invention) et l’exemple 4 (CuSSZ-16). Pour le test de chaque échantillon, 200 mg de catalyseur sous forme de poudre sont disposés dans un réacteur en quartz. 145 L/h d’une charge représentative d’un mélange de gaz d’échappement d’un moteur Diesel sont alimentés dans le réacteur.
Cette charge présente la composition molaire suivante : 400 ppm NO, 400 ppm NH3, 8,5% O2, 9% CO2, 10% H2O, qpc N2.
Un analyseur FTIR permet de mesurer la concentration des espèces NO, NO2, NH3, N2O, CO, CO2, H2O, O2en sortie de réacteur. Les conversions de NOx sont calculées comme suivant :
Conversion = (NOx entrée –NOx sortie) / NOx entrée
Les résultats de conversion de NOx dans les conditions Standard SCR sont présentés sur la , la courbe marquée par des ronds, celle marquée par des carrés et celle marquée par des croix correspondant respectivement aux tests réalisés avec les catalyseurs synthétisés suivant l’exemple 2 (CuHAFX1), l’exemple 3 (Cu2HAFX2) et l’exemple 4 (CuSSZ-16). Il apparait que les catalyseurs selon l’invention permettent de convertir les NOx.
Les catalyseurs CuHAFX1 et Cu2HAFX2 synthétisés selon l’invention donnent des performances supérieures au catalyseur synthétisé selon l’art antérieur CuSSZ16 en termes de conversion de NOx sur l’ensemble de la plage de température testée. Une conversion maximum de 100% est atteinte entre 310 et 430°C pour les catalyseurs CuHAFX1 et Cu2HAFX2 alors que le catalyseur CuSSZ-16 synthétisé selon l’art antérieur atteint seulement 89% de conversion entre 340 et 400°C.
Les températures d’amorçage des catalyseurs sont données dans leTableau 1ci-dessous pour les conditions Standard-SCR
T50 T80 T90 T100
CuHAFX1 174°C 206°C 224°C 310°C
Cu2HAFX2 192°C 228°C 245°C 310°C
CuSSZ-16 190°C 257°C - -
T50 correspond à la température à laquelle 50% des NOx du mélange gazeux sont convertis par le catalyseur. T80 correspond à la température à laquelle 80% des NOx du mélange gazeux sont convertis par le catalyseur. T90 correspond à la température à laquelle 90% des NOx du mélange gazeux sont convertis par le catalyseur. T100 correspond à la température à laquelle 100% des NOx du mélange gazeux sont convertis par le catalyseur.
Exemple 8 : Conversion des NOx en Standard SCR après vieillissement hydrothermal
Un test catalytique de réduction des oxydes d’azote (NOx) par l’ammoniac (NH3) en présence d’oxygène (O2) dans des conditions Standard SCR est réalisé à différentes températures de fonctionnement pour les catalyseurs synthétisés suivant les exemples 2, 4 et 5 puis vieillis suivant la procédure décrite dans l’exemple 6, notés CuHAFX1 vieilli, CuSSZ-16 vieilli et CuOPSSZ-16 vieilli.
200 mg de catalyseur sous forme de poudre est disposé dans un réacteur en quartz. 145 L/h d’une charge représentative d’un mélange de gaz d’échappement sont alimentés dans le réacteur. Cette charge présente la composition molaire suivante : 400 ppm NO, 400 ppm NH3, 8,5% O2, 9% CO2, 10% H2O, qpc N2.
Un analyseur FTIR permet de mesurer la concentration des espèces NO, NO2, NH3, N2O, CO, CO2, H2O, O2en sortie de réacteur. Les conversions de NOx calculées comme suivant :
Conversion = (NOx entrée –NOx sortie) / NOx entrée
La présente la conversion des NOx des catalyseurs CuHAFX1 vieilli, CuSSZ-16 vieilli et CuOPSSZ-16 vieilli en fonction de la température dans les conditions Standard SCR. La courbe marquée par des ronds, celle marquée par des croix et celle marquée par des triangles correspondent respectivement aux tests réalisés avec les catalyseurs synthétisés suivant l’exemple 2 (CuHAFX1), l’exemple 4 (CuSSZ-16) et l’exemple 5 (CuOPSSZ-16).
Les températures d’amorçage des catalyseurs sont données dans leTableau 2ci-dessous pour les conditions Standard-SCR :
T40 T50 T80 T90
CuHAFX1 vielli 186°C 198°C 239°C 269°C
CuSSZ-16 vieilli 222°C 257°C - -
CuOPSSZ-16 vieilli 260°C - - -
T40 correspond à la température à laquelle 40% des NOx du mélange gazeux sont convertis par le catalyseur. T50 correspond à la température à laquelle 50% des NOx du mélange gazeux sont convertis par le catalyseur. T80 correspond à la température à laquelle 80% des NOx du mélange gazeux sont convertis par le catalyseur. T90 correspond à la température à laquelle 90% des NOx du mélange gazeux sont convertis par le catalyseur.
Le catalyseur CuHAFX1 synthétisé selon l’invention donne des performances très supérieures aux catalyseurs CuSSZ-16 et CuOPSSZ-16 synthétisés selon l’art antérieur en termes de températures d’amorçage et en conversion de NOx sur l’ensemble de la plage de température testée en conditions Standard SCR après vieillissement hydrothermal à 850°C pendant 1 heure. En effet, à même taux de conversion (50%), les températures d’amorçage obtenues avec le catalyseur selon l’invention CuHAFX1 sont plus faibles par rapport à celles obtenues avec les catalyseurs CuSSZ-16 et CuOPSSZ-16. Une conversion de 96% est atteinte entre 310 et 370°C pour le catalyseur CuHAFX1 alors que le catalyseur CuSSZ-16 atteint 57% de conversion à 330°C et le catalyseur CuOPSSZ-16 seulement 49% de conversion à 340°C.

Claims (17)

  1. Procédé de préparation d’un catalyseur à base de zéolithe de type structural AFX contenant du cuivre comprenant au moins les étapes suivantes :
    a) le mélange, en milieu aqueux, d’au moins une source de silicium, d’au moins une source d’aluminium, d’au moins une source de soude, d’au moins une source de cuivre, d’un agent complexant organique N-[3-(trimethoxysilyl)propyl]ethylenediamine (TPE), et d’un agent structurant de la zéolithe AFX qui est le dihydroxyde de 1,6-bis(méthylpiperidinium)hexane (bMP6) pour obtenir un gel de composition molaire :
    aSiO2:bAl2O3:cNa2O:dbMP6:eCuO :fTPE:gH2O tel que :
    -a/best compris entre 10 et 100
    -c/aest compris entre 0,05 et 0,25
    -d/aest compris entre 0,05 et 0,4
    -e/aest compris entre 0,005 et 0,08
    -f/eest compris entre 2 et 3
    -g/aest compris entre 15 et 50.
    b) le traitement hydrothermal dudit gel à une température comprise entre 140 et 200°C, sous pression de réaction autogène, pendant une durée comprise entre 3 et 36 heures sous agitation pour obtenir la cristallisation d’un matériau aluminosilicate de type structural AFX comprenant du cuivre.
    c) le traitement thermique par séchage dudit matériau à une température comprise entre 80 et 120°C suivi d’une calcination sous air, éventuellement précédée d’une calcination sous flux de gaz inerte, à une température comprise entre 400 et 600°C.
  2. Procédé de préparation selon la revendication 1 comprenant une étape c1) d’échange ionique par mise en contact dudit matériau séché et calciné obtenu à l’étape c) avec une solution comprenant des ions NH4 +, suivie d’une nouvelle étape c2) de traitement thermique par séchage à une température comprise entre 80 et 120°C et calcination sous flux d’air à une température comprise entre 400 et 600°C pour obtenir un matériau aluminosilicate à base de zéolithe AFX contenant du cuivre et protonée.
  3. Procédé de préparation selon l’une des revendications 1 ou 2 comprenant :
    -une étape d) d’échange ionique comprenant la mise en contact du matériau aluminosilicate obtenu à l’issue de l’étape c), ou à l’issue de l’étape c2) avec une solution comprenant une espèce apte à libérer au moins un métal de transition en solution sous forme réactive sous agitation à température ambiante pendant une durée comprise entre 1 heure et 2 jours, la concentration en ladite espèce apte à libérer le métal de transition dans ladite solution étant fonction de la quantité de métal de transition que l’on souhaite incorporer audit matériau ;
    -une étape e) de traitement thermique du matériau obtenu à l’étape d) par séchage à une température comprise entre 80 et 120°C, puis calcination sous air à une température comprise entre 400 et 600°C,
    pour obtenir un matériau aluminosilicate à base de zéolithe AFX, éventuellement protonée, contenant du cuivre et éventuellement au moins un autre métal de transition.
  4. Procédé selon la revendication 3 dans lequel ledit au moins un métal de transition introduit à l’étape d) est sélectionné dans le groupe formé des éléments suivants : Ti, V, Mn, Mo, Fe, Co, Cu, Cr, Zn, Nb, Ce, Zr, Rh, Pd, Pt, Au, W, Ag, de préférence Fe, Cu, Nb, Ce ou Mn, de manière très préférée Fe ou Cu et préférentiellement seulement Cu.
  5. Procédé de préparation selon l’une des revendications précédentes dans lequel la composition molaire du gel est telle que:
    -a/best compris entre 15 et 60, de manière plus préférée de 17 à 50,
    -c/aest compris entre 0,05 et 0,25, de manière préférée compris entre 0,10 et 0,24, de manière plus préférée de 0,15 à 0,24,
    -d/aest compris entre 0,05 et 0,4, de manière préférée compris entre 0,06 et 0,3 de manière plus préférée entre 0,07 et 0,2,
    -e/aest compris entre 0,005 et 0,08, de manière préférée compris entre 0,005 et 0,07, de manière plus préférée entre 0,006 et 0,06,
    -f/eest compris entre 2 et 3, de manière préférée compris entre 2 et 2,5
    -g/aest compris entre 15 et 50. de manière préférée compris entre 20 et 50.
  6. Procédé de préparation selon l’une des revendications 1 à 5 dans lequel l’étape a) comprend une étape de mûrissement du mélange réactionnel à une température comprise entre 20 et 100°C, de préférence à température ambiante, avec ou sans agitation, pendant une durée comprise entre 30 minutes et 48 heures.
  7. Procédé de préparation selon l’une des revendications précédentes dans lequel le traitement hydrothermal de l’étape b) est réalisé à une température comprise entre 140 et 190°C, pendant une durée comprise entre 4 et 30 heures et avec une vitesse d’agitation comprise entre 100 et 1000 tr/min, de préférence entre 200 et 500 tr/min.
  8. Procédé de préparation selon l’une des revendications précédentes dans lequel on ajoute des germes cristallins d’une zéolithe de type structural AFX au mélange de l’étape a), de préférence en quantité comprise entre 0,05 et 10% de la masse totale de SiO2et Al2O3.
  9. Catalyseur zéolithique comprenant une zéolithe AFX, du cuivre et éventuellement au moins un autre métal de transition directement préparé par le procédé selon l’une des revendications 1 à 8 dans lequel le rapport molaire SiO2/Al2O3de la zéolithe AFX est compris entre 7 et 20, de préférence entre 8 et 16, bornes incluses et la quantité totale de métal ou métaux de transition, y compris le cuivre,est comprise entre 0,5% et 8% en masse par rapport à la masse totale de catalyseur anhydre.
  10. Utilisation du catalyseur selon la revendication 9 ou du catalyseur directement préparé par le procédé selon l’une des revendications 1 à 8 pour la réduction sélective de NOxpar un réducteur tel que NH3ou H2.
  11. Utilisation du catalyseur selon la revendication 10 dans laquelle ledit catalyseur est mis en forme par dépôt sous forme de revêtement sur une structure nid d’abeilles ou une structure à plaques.
  12. Utilisation selon la revendication 11, pour laquelle la structure nid d’abeilles est formée de canaux parallèles ouverts aux deux extrémités ou comporte des parois poreuses filtrantes pour lesquelles les canaux parallèles adjacents sont alternativement bouchés de part et d’autre des canaux.
  13. Utilisation selon la revendication 12, pour laquelle la quantité de catalyseur déposé sur ladite structure est comprise entre 50 à 180 g/L pour les structures filtrantes et entre 80 et 200 g/L pour les structures avec canaux ouverts.
  14. Utilisation selon l’une des revendications 10 à 13, pour laquelle le catalyseur est associé à un liant tel que la cérine, l’oxyde de zirconium, l’alumine, la silice-alumine non zéolithique, l’oxyde de titane, un oxyde mixte de type cerine-zircone, un oxyde de tungstène et/ou une spinelle pour être mis en forme par dépôt sous forme de revêtement.
  15. Utilisation selon l’une des revendications 11 à 14, pour laquelle ledit revêtement est associé à un autre revêtement présentant des capacités d’adsorption de polluants en particulier de NOx, de réduction de polluants en particulier des NOx ou favorisant l’oxydation de polluants.
  16. Utilisation selon la revendication 10, pour laquelle ledit catalyseur est sous forme d’extrudé, contenant jusqu’à 100% dudit catalyseur.
  17. Utilisation selon l’une des revendications 10 à 16, pour laquelle la structure revêtue par ledit catalyseur ou obtenue par extrusion dudit catalyseur est intégrée dans une ligne d’échappement d’un moteur à combustion interne.
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