L'acidité de Brønstead des zéolithes et d'autres catalyseurs est d'un grand intérêt, car elle affecte la cinétique des réactions. La caractérisation de ces sites est donc très importante et est souvent réalisée selon la méthode de chimisorption de l'ammoniac ASTM D 4824. Une méthode de caractérisation alternative, mais comparable, implique la chimisorption par impulsion de propylamines suivie d'une désorption programmée en température (TPD) combinée à une analyse du propylène par spectrométrie de masse (voir figure 1). Une analyse de caractérisation complète peut être réalisée à l'aide de l'analyseur AutoChem et des accessoires spectromètre de masse et générateur de vapeur.
Matériaux
La zéolithe utilisée dans cette application contenait des cations d'hydrogène et avait un rapport silice/alumine de 75:1. L'isopropylamine (>99,5 % GC) et la propylamine (>99,0 % GC) ont été utilisées séparément comme réactifs. Le propylène (>99%) a également été utilisé à des fins d'étalonnage.
Préparation
Un échantillon de zéolithe Beta peut contenir divers cations, notamment de l'ammonium et de l'hydrogène. Les cations de ces composés peuvent être convertis en cations d'hydrogène au moyen d'une rampe de température. L'échantillon a d'abord été activé en le chauffant à 500 °C à 10 °C/min dans un environnement d'hélium inerte, puis en le refroidissant à 200 °C, la température d'analyse.
Analyse
L'activation de la zéolithe Beta a été suivie d'une chimisorption par impulsion. Au cours de cette étape, dix injections de vapeur de propylamine ont été dosées sur l'échantillon (pour s'assurer que l'échantillon était saturé) au moyen d'un gaz inerte, l'hélium, circulant dans une boucle de 5 cm3. La dernière partie de l'analyse a consisté en une désorption programmée en température (TPD). À cette étape de l'analyse, le spectromètre de masse a commencé à rechercher le propylène, le produit d'intérêt. Les données ont été collectées au cours d'une rampe de température allant de 200 °C à 500 °C.
Données
Pour obtenir des données quantitatives, le spectromètre de masse doit être calibré en injectant un volume connu du gaz à détecter (propylène), Vcal, à travers le septum à l'aide d'une seringue de haute précision. La surface du pic du signal du spectromètre de masse peut être obtenue à l'aide du logiciel d'édition de pics AutoChem. Pour augmenter la précision de l'étalonnage, les injections peuvent être effectuées jusqu'à ce que les pics aient une surface similaire. La moyenne des surfaces peut ensuite être calculée pour obtenir un facteur de conversion général entre la surface des pics du spectromètre de masse et le volume réel de gaz, ce qui permet de calculer l'acidité des zéolithes. La figure 2 donne un exemple de cette procédure.
En outre, les figures 3 et 4 montrent qu'une méthode de détection par conductivité thermique inclut l'amine et l'ammoniac résiduels de la chimisorption, tandis que la détection par spectromètre de masse isole le signal du propylène, ce qui permet de calculer la concentration des sites acides.
Après avoir obtenu la surface du pic par intégration du signal du propylène à partir de la figure 4,Apms, la concentration du site acide,Nas, peut être calculée comme suit :
