Síntesis de zeolita y mediante el método de silanización de núcleos

Abstract

El presente trabajo comprende las tareas de investigación realizadas para el estudio de la síntesis de la zeolita Y mediante el método de silanización de núcleos. Esta estructura zeolítica no ha sido sintetizado con anterioridad por el Grupo de Ingeniería Química y Ambiental de la universidad Rey Juan Carlos, por lo que inicialmente se trató de obtener la zeolita Y con un rendimiento adecuado, para posteriormente llevar a cabo su síntesis mediante cristalización de núcleos silanizados. El uso más importante de la zeolita Y es como catalizador sólido en el craqueo catalítico en refinerías de petróleo. Se utiliza esta zeolita debido a su actividad y estabilidad a alta temperatura. También se utiliza en unidades de hidrocraqueo junto con metales como el paladio o el platino. En la actualidad se está investigando el uso de la zeolita Y en la descomposición de polímeros en el reciclado químico de plásticos. Para realizar este estudio se eligieron 4 métodos bibliográficos que se adaptaron a la metodología del Grupo. El estudio de la síntesis por el método 1 comenzó con una composición molar de 1 SiO2: 0,37 Al2O3: 1,14 TMAOH: 0,014 NaOH; 50 H2O. Mediante este método no se obtuvo la fase zeolítica buscada, y el rendimiento a sólido total fue del 4%. El estudio del método 2 se preparó con una composición molar de 1 SiO2: 0,055 Al2O3: 0,888 NaOH; 9,88 H2O. Con el método 2 se obtuvo la zeolita NaP1 en competición con otra fase, pero en las condiciones estudiadas no hubo ningún indicio de la formación de la zeolita Y. El estudio de la síntesis mediante el método 3 comenzó con la siguiente composición molar: 1 SiO2: 0,47 Al2O3: 1,36 TMAOH: 0,03 NaOH; 88,2 H2O. Se obtuvo la zeolita Y en competencia con la estructura zeolítica LTA utilizando hidróxido de tetrametilamonio sólido y tiempos de cristalización superiores a 11 días. Los rendimientos a sólido total fueron bajos, entre 19 y 32 %. La siguiente variable estudiada en este método fue la relación Si/Al que se modificó de 0,57 a 2,08. Con esta nueva relación se consiguió sintetizar la zeolita Y sin mezcla de fases y con un rendimiento del 10 % utilizando tiempos de cristalización de 12 días. El método 4 fue el método más efectivo para la síntesis de la zeolita Y, con una composición del gel de síntesis final de SiO2: 0,1 Al2O3: 0,552 Na2O; 18 H2O. Se obtuvo la fase zeolítica buscada con un rendimiento superior al 72% y con tiempos de cristalización significativamente menores que en la síntesis mediante el método 3. Las muestras sintetizadas por el método 4 fueron caracterizadas mediante adsorción-desorción de N2 a 77 K. Los resultados de esta caracterización fueron anormalmente bajos, con una superficie BET de 64-125 m2/g frente a los 600 m2/g que puede llegar a tener. Con el fin de conocer la composición química real, las muestras se caracterizaron mediante ICPAES presentando unas relaciones Si/Al y Al/Na que oscilan entre 2,8 y 4,6 y 0,5-0,7 respectivamente. La segunda parte de este trabajo fue el estudio de la influencia de la adición de un organosilano en los métodos 3 y 4 ya que fueron los únicos con los que se obtuvo la zeolita Y. El agente orgánico utilizado fue N-fenilaminopropiltrimetoxisilano. En el método 3, se introdujo la etapa de silanización de núcleos antes de la cristalización. Se estudió el efecto en el rendimiento de la adición de valores entre un 5 y un 12 % de agente orgánico. En todos los casos el rendimiento a sólido total fue menor que llevando a cabo la síntesis sin esta etapa. Se caracterizaron los materiales mediante análisis termogravimétricos y se comprobó que el organosilano se conseguía anclar a la estructura. En el método 4 se estudió el efecto de introducir la etapa de silanización de núcleos en dos momentos distintos de la síntesis, antes y después de la precristalización. En ambos casos se adicionó entre un 5 y un 15% de organosilano respecto a la sílice inicial. En todos los casos disminuyó ligeramente el rendimiento a sólido total si se compara con la síntesis de referencia. Las muestras sintetizadas por estos dos métodos fueron caracterizadas mediante ICP-AES y se comprobó que las relaciones Si/Al y Al/Na no se ven afectadas significativamente por la incorporación del organosilano. A estos materiales se les realizaron análisis termogravimétricos con los que se comprobó que el agente orgánico se ancla mejor realizando la silanización antes de la precristalización y que existe un máximo en la cantidad de FAPTMS que se puede incorporar al material. Debido a que los mejores resultados se obtuvieron con la adición de un 5 y un 10 % de organosilano antes de realizar la cristalización, se analizaron mediante TEM junto a una muestra sin silanizar. El agente orgánico consigue disminuir el tamaño medio de los cristales, que están confinados en agregados de partículas de gran tamaño.