Contribución a la síntesis hidrotérmica de la zeolita beta y sus posibles modificaciones con galio

Abstract

La zeolita beta es un aluminosilicato sintético de estructura cristalina, de poro grande (6 a 9 A) y relación Si/Al de 5 a 100. Sus principales aplicaciones se encuentran en los procesos catalíticos de transformación de hidrocarburos (alquilación), en la preparación de membranas inorgánicas y como “semilla” en la síntesis de otras zeolitas. Se trata de un sólido microporoso, caracterizado por un patrón de difracción de rayos-X específico, con un sistema de canales único y con una composición química característica. En este trabajo estudiamos algunas variables de la síntesis de la zeolita beta con el fin de mejorar las propiedades fisicoquímicas del sólido. La preparación de la zeolita beta se llevó a cabo mediante síntesis hidrotérmica modificando la fuente de aluminio e incorporando galio en la estructura. La substitución isomórfica en las zeolitas con diferentes especies metálicas como el galio tienen varias aplicaciones como: la combustión catalítica de compuestos orgánicos, aromatización de hidrocarburos, “craqueo” catalítico de fracciones pesadas de petróleo, reacciones de oligomerización, alquilación y en la reducción de óxidos de nitrógeno. Con el objetivo de evaluar el efecto de la incorporación de galio en la red en las propiedades del material, se sintetizó una batería de muestra con una relación Si/(Ga+Al) = 25 y un contenido en Galio (XGa) de 0, 0.25, 0.5 y 0.75. Todas las síntesis de la zeolita beta se llevaron a cabo hidrotérmicamente, a 443 K en un reactor de 220 mL de teflón con camisa de acero inoxidable. Se utilizó como fuente de silicio el óxido de silicio (SiO2) Dugussa Aerosil 200®, como fuentes de aluminio se emplearon el aluminio de sodio (NaAlO2, 55% Al2O3, 42% Na2O de Strem Chemical), el sulfato de aluminio Al2(SO4)3.18H2O de Aldrich y como fuente de galio se utilizó Sulfato de Galio (Ga2(SO4)3.16H2O, de Sigma Aldrich). Como agente orientador de estructura (template) se utilizó solución acuosa de hidróxido de tetraetilamonio, (TEOH al 35%, de Sigma-Aldrich). También se utilizaron las sales de cloruro de sodio NaCl y potasio KCl, de Fluka. La caracterización estructural se realizó mediante difracción de rayos-X, análisis térmico y MAS NMR; adicionalmente, se evalúan algunas cualidades importantes como la capacidad de absorción. El sulfato de aluminio, Al2(SO4)3.18H2O como fuente de aluminio, produce alto grado de cristalinidad en la síntesis del material aluminosilicato. Todas las muestras mostraron un diagrama de DRX compatible con una estructura tipo zeolita beta cristalina y los espectros de 27AL y 71Ga RMN MAS demostraron el éxito en la incorporación de ambos heteroátomos en la red. / Abstract. The zeolite beta is a crystalline synthetic aluminosilicate with wide-pore size (6 to 9 A) and a ratio Si/Al from 5 to 100. It has potential technological applications in hydrocarbons catalytic processes (i.e. alquilation), and it is used to prepared inorganic membranes and as "seeding" in the synthesis of other zeolites. This zeolite is a microporous aluminosilicate that contains a unique system channels and characteristic chemical compositions. In this study, we have investigated the influence of several synthesis parameters of zeolite beta in the physicochemical properties of the materials. The synthesis of zeolite beta has been obtained by hydrothermal method, the aluminum source and gallium content in the structure being variable. With the aim of evaluating the relation between gallium incorporation and the properties of zeolites, we have synthesized a set of sample with a composition of Si/(Ga+Al)= 25 and (XGA) equals to 0, 0.25, 0.5 and 0.75. The isomorphous substitution into the zeolites with different metallic species as the gallium has several applications like: the catalytic organic compound combustion, hydrocarbon aromatization, cracking catalytic of heavy fractions of petroleum, oligomerization reactions, alquilation and the NOx reduction. All the synthesis of zeolite beta were carried out hydrothermicaly at 443 K in the PTFE-lined stainless-steel 220 mL autoclaves. Amorphous silica (Aerosil 200, Dugussa ®) Was used silica source, sodium aluminate (NaAlO2, 55% Al2O3, 42% Na2O Strem Chemical) and aluminium sulfate, Al2 (SO4 ) 3.18H2O(Aldrich) were used as aluminium source and gallium sulfate Ga2 (SO4) 3.16H2O, Sigma Aldrich) as gallium source. Tetraethylammonium hydroxide TEAOH (35% aqueous solution (Sigma-Aldrich) is used as the structure-directing agent (SDA). NaCl and KCl (Fluka) were added as alkali metal cations sources. On one hand, the structural characterization was carried out by means of X-ray diffraction, thermal analysis, ESEM and 27Al, 29Si, 71Ga and 1H, MAS NMR spectroscopy. And on the other hand, nitrogen is used by the potential of adsorption determination. When the aluminium sulfate is used as aluminium source, zeolite beta with higher cristalinity is generated. All the samples showed a XRD pattern similar to crystalline zeolite beta and the 27Al and 71Ga MAS NMR spectrum demonstrated that incorporation of both heteroatoms was efficient.