Porous inorganic solids including mesoporous silicas, zeolites and silicoalumnio-phosphates have been investigated as adsorbents for carbon dioxide, particularly in relation to uptake from flue gases at 0.1 bar and ca. 298 K, but also at higher pressures. The mesoporous silicas SBA-1 and SBA-2, with mesocages separated by narrower windows, have been prepared, calcined at various temperatures and also nitrided with ammonia at high temperature. Nitridation has resulted in framework nitrogen incorporation, but this gave only small increases in the uptake of CO₂ of these mesoporous silicas, which are very low (< 0.2 mmol g⁻¹) at flue gas conditions (0.1 bar, 298 K). A series of cationic forms of the small pore zeolites, chabazite, ZK-5 and Rho, have been prepared by exhaustive cation exchange (and pre-calcination of the as-prepared form of Rho). In addition, a series of ultrastabilised zeolite Rho samples has been prepared to investigate the influence of extra-framework aluminium species on CO₂ uptake. For comparison, the silicoaluminophosphate versions of ZK-5 (SAPO STA-14) and Rho (SAPO(RHO)) have been prepared. Adsorption on Li-, Na-, K- and Ca-forms of chabazite (Si/Al = 3.0) has been related to the crystal structures of their dehydrated forms, as determined by Rietveld refinement against powder X-ray diffraction data (PXRD). For Na- and K-chabazite the structure has been measured in situ by PXRD during CO₂ adsorption. Li-chabazite has the highest uptake from all chabazite cationic forms (4.3 mmol g⁻¹). PXRD of K-chabazite reveals cation migration from eight-membered ring sites to six-membered ring sites upon CO₂ adsorption. Na-chabazite shows partial transformation from rhombohedral to monoclinic symmetry upon prolonged evacuation at high temperature, with resultant non-Type I CO₂ adsorption behaviour. Li-, Na- and K-forms of ZK-5 (Si/Al = 4.16) show high CO₂ uptakes at 0.1 bar and 298 K (Li-ZK-5, 4.7 mmol g⁻¹, which is the highest of the solids measured here). Like all H-forms, H-ZK-5 shows weaker uptake. None of the ZK-5 forms show high selectivity for CO₂ over small hydrocarbons, because cations do not block eight-membered ring windows and the structures do not distort upon dehydration. Uptake of CO₂ on univalent cation forms of zeolite Rho has been studied at low (up to 1 bar) and high (up to 10 bar) pressures. All cationic forms (but not H-Rho) show distortion (Im3̅m to I4̅3m) upon dehydration. Forms of zeolite Rho in which cations occupy window sites in the eight-membered rings between α-cages show hysteresis in their CO₂ isotherms, the magnitude of which (Na⁺,NH₄⁺ < K⁺ < Cs⁺) correlates with the tendency of cations to occupy double eight-membered ring sites rather than single eight-membered ring sites. Additionally, reversible CO₂ uptake using the Zero Length Column method on fully and partially cation exchanged samples has been measured. In situ synchrotron PXRD of CO₂ adsorption on Na-Rho indicates Na cations remain in window sites on the time average, indicating CO₂ uptake must occur by a 'trapdoor mechanism' by which Na cations move away from the windows to allow CO₂ to adsorb. In addition, in situ PXRD reveals the adsorption sites of CO₂ bound cations. Adsorption of small hydrocarbons does not occur on Rho, even at high pressure, indicating that adsorption is selective, and depends on the degree of interaction with the adsorbate rather than simply on the molecular size. Na-Rho is therefore a selective adsorbent for CO₂ over CH₄ with selectivities of 150–25 at 1–9 bar and 298 K, predicted from the single component isotherms, and an uptake of 3.07 mmol g⁻¹ at 0.1 bar. High ‘selectivities' are also observed over K-, Cs- and Ca-forms, examples of a novel type of adsorption selectivity.

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A basis for developing a general approach to solve geotechnical engineering problems through dynamic finite element analysis of nonlinear porous media is presented. A new series of constitutive models named here as δ* series are developed under the general hierarchical single surface (HISS) modeling approach, to include the behavior of, saturated normally consolidated and overconsolidated clay, under drained or undrained, static and cyclic loading conditions. Algorithms for determination of material parameters for these models from laboratory models are also developed. Constitutive parameters for Sabine Clay are obtained using triaxial test results from undisturbed samples and the model is verified by back predicting the laboratory behavior of this clay. Sensitivity analyses for all the material parameters have been also carried out. Efficient and reliable algorithms for calculating strain increments for given stress increments and vice versa are developed. All the models in the δ* series are implemented in the finite element program POROUS which is based on the theory of dynamics of nonlinear porous media. Here a modular approach is used to facilitate easy modification of all the functions associated with these models (yield function, potential function, hardening function and interpolation functions). Complete test procedure for field load tests on two pile segments (3 inch and 1.72 inch) are numerically simulated and compared with field measurements. Initial stresses before pile driving are estimated using results of s self boring pressuremeter test on the site. Strain distributions just after pile driving are evaluated using the strain path method. The effective stress distribution is obtained by integrating constitutive equations for given strain paths. Corresponding total stresses and pore pressure distributions are obtained using the computer program POROUS. Consolidation after pile driving and all the static and cyclic tests followed are also simulated using the program POROUS. The predicted normalized pore pressure dissipation curve matches the field behavior. This analysis provides good predictions of shear transfer from which the pile capacity can be evaluated. Even though the variation of pore pressure during a cycle is not matched exactly, the accumulation of pore pressures are predicted well. The demonstrated ability of dynamic finite element analysis of nonlinear porous media, to simulate slow consolidation and cyclic load tests provides a basis for developing a general approach for solving geotechnical engineering problems.

Aerogel materials have had limited utility due to their fragility, geometrical limitations, fabrication costs and protracted fabrication times. The objective of this project was to eliminate these limitations. Native, cross-linked and hybrid aerogel monoliths have been fabricated using a newly developed one-pot method without the need for solvent exchange. The key to this technique is the use of an ethanol–water azeotrope mixture, which contains 4.4% water by volume, as both a gelation and supercritical drying solvent. The small water content allows for drying at temperatures close to the supercritical temperature of the dry solvent, where reactions such as silica dissolution and polymer degradation are negligible. This improvement on conventional fabrication processes is of particular importance since it decreases the total duration of aerogel fabrication from five days to one day. Cross-linked silica aerogel monoliths were fabricated using one-pot hydrolysis-condensation wet chemistry methods as well as a rapid photogelation method. Both native silica and cross-linked aerogel components were made with a minimum dimension of up to 3.6 cm and in customizable shapes. Fabrication of homogeneous aerogels using these methods required a maximum of one day, as demonstrated in this work. Finally, LEDs and Laser irradiation were both used to selectively embed cross-linked aerogel into a larger native silica component to provide reinforcement and/or a surface which can be used for labeling or affixing the aerogel component to another surface.

Des matériaux poreux à architecture complexe et de couleur blanche ont été synthétisés, en combinant la physico-chimie des fluides complexes (émulsions, mésophase lyotropes) avec la chimie sol-gel. Ce procédé est connu sous le nom de chimie intégrative. En contrôlant la taille des objets diffusants (diamètres des pores) et en augmentant l’indice de réfraction, nous souhaitons augmenter le caractère diffusant de ces matériaux, générant ainsi diffusion et localisation de la lumière. Toutes les caractérisations structurales et optiques ont été réalisées. En utilisant des modèles physiques, nous avons analysé les résultats et obtenu les paramètres critiques de transport (transport moyen, longueur d’onde d’adsorption et constante du diffusion). Ces matériaux présentent un fort comportement multidiffusif et éventuellement de localisation de la lumière. Ces matériaux très diffusants sont des candidats pour la génération de lasers aléatoires. Dans cette optique, nous les avons infiltrés avec de la rhodamine-6G (chromophores) et quantifié leurs propriétés comme lasers aléatoires. / Disordered, porous, white, hierarchical materials have been synthesized using a sol-gel process combined with the physical chemistry of complex fluids (emulsion, lyotrope mesophase). The whole process is known as integrative chemistry. By tuning the size of the scatters (pore diameters) and increasing the refractive index contrast, we want to increase the scattering strength of our materials, thus promoting light scattering/localization. The structural and optical characterizations have been performed. By using well established theories, we have analyzed our results and obtain the transport parameters (transport mean free path, absorption length and diffusion constant). The materials exhibit a strong multiple-diffusive behavior and an eventual localization of light. These strongly scattering materials would be of potential interest for random lasing applications. Therefore, we infiltrated them with Rhodamine 6G laser dyes and quantified their random lasing performances.

Plusieurs verrous scientifiques et technologiques empêchent aujourd’hui de développer une technique et/ou un matériau qui permette de stocker une quantité importante d’hydrogène à pression et température ambiante dans un volume et un poids acceptable pour des applications embarquées. Une possible solution consiste à synthétiser des matériaux hybrides (matériaux poreux/métaux ou alliages) où les processus d’adsorption et d’absorption pourraient coopérer pour obtenir une capacité de stockage d’hydrogène en adéquation avec les besoins des applications. Notre travail a consisté à identifier et caractériser différents matériaux poreux ayant une organisation de pores bien définie et une taille de l’ordre de quelques nanomètres. Parmi eux, ont été choisis : une réplique de carbone (CT) et un réseau organométallique (MOF-5). De plus, plusieurs métaux nobles (Ni, Pd et Pt) ont été choisis pour leur facilité à dissocier l’hydrogène et à former des alliages (Pd-Ni) avec différentes compositions en milieu aqueux (oxydant). Une méthode d’imprégnation par voie chimique ainsi que le broyage mécanique ont été utilisés pour la synthèse des hybrides. L’étude des propriétés structurales, texturales et thermodynamiques (hydrogénation) des composites CT/Pd a montré qu’un effet coopératif existe entre les pores du CT et les nanoparticules métalliques pendant le processus d’ad/absorption d’hydrogène. Cette interaction entraîne une amélioration de la capacité d’hydrogénation par rapport à chacun des constituants de l’hybride. / Nowadays many technological and scientific constraints have limited the finding of a suitable system and/or material able to reversibly store hydrogen at room temperature and ambient pressure for automotive application. An interesting way to overcome such limits could be the synthesis of hybrid materials (porous materials/metals or alloys composites) for which the adsorption and absorption processes can be combined in order to get higher hydrogen storage capacity. In this work, several porous materials displaying a well defined nanometric pore structure have been investigated. Among them a carbon template (CT) and a metal organic framework (MOF-5) have been chosen. In addition, several noble metals (Ni, Pd and Pt) have been used due to their ability to dissociate hydrogen and to form alloys. Two synthesis routes have been followed in order to synthesize hybrid composites: metal salts infiltration and mechanical grinding. In particular, the investigation of the structural, textural and hydrogen storage properties of the CT/metal composites has proven that a synergic mechanism between the CT pores and the metallic nanoparticles takes place during the hydrogen ad/absorption process. This interaction leads to an enhancement of the hydrogen storage capacity of each hybrid component taken separately.

Ce travail a pour but de concevoir des outils d'analyse d'image 3D de matériaux poreux, obtenues par microtomographie à rayons X, afin de caractériser géométriquement la structure micronique des pores et de mettre en évidence le lien entre microgéométrie et propriétés de transport macroscopiques. Partant d'une image segmentée, une séquence complète de traitements (filtrage d'artefacts, squelettisation, LPE, etc.) est proposée pour positionner et délimiter les pores. Une comparaison aux techniques existantes est faite, et une méthodologie qualifiant la robustesse des procédures est présentée. Cette décomposition est utilisée, premièrement pour extraire des descripteurs géométriques de la microstructure porale qui sont examinés en rapport avec la perméabilité intrinsèque ; deuxièmement pour aider à la construction d’un réseau de pores permettant d’effectuer des simulations numériques. / The objective of this work is to develop 3D image analysis tools to study the micronic pore structure of porous materials, obtained by X-ray microtomography, and study the relation between microgeometry and macroscopic transport properties. From a binarised image of the pore space, a complete sequence of processing (artefact filtration, skeletonisation, watershed, etc. ) is proposed for positioning and delimiting the pores. A comparison with available methods is performed, and a methodology to qualify the robustness of these processes is presented. The decomposition is used, firstly for extracting geometric parameters of the porous microstructure and studying the relation with intrinsic permeability; secondly to produce a simplified pore network on which to perform numerical simulations.

Les biocarburants issus de la transformation de la biomasse de deuxième génération (2G), devraient remplacer les carburants fossiles dans le secteur des transports. Cependant, ces biocarburants peuvent contenir de 0.5 à 7.0 pds. % de composés oxygénés résiduels, en particulier des molécules phénoliques qui pendant la combustion dans le moteur peuvent se transformer en benzène qui est fortement cancérigène. Dans ce contexte, le défi qui se présente est de développer un processus d'adsorption sélectif pour éliminer les composés oxygénés de type phénolique des carburants liquides. Pour la première étape de notre travail, nous avons utilisé des calculs DFT pour sélectionner un matériau poreux approprié dans la famille des faujasites échangées aux cations monovalents (cation = H+, Li+, Na+, Cs+, Ag+ et Cu+) afin de trouver une formulation zéolitique avec une très forte affinité pour le phénol en présence d'eau et de toluène (molécule modèle de biocarburant). Nous avons trouvé que l’introduction de sites acides de Brønsted et de Lewis dans la structure de faujasite serait un moyen approprié de purifier sélectivement les biocarburants de deuxième génération en éliminant les molécules de phénol. La deuxième étape consiste à étudier en détail l'élimination du phénol dans une solution d'isooctane sur une faujasite contenant les protons qui ont été considérés comme de bons cations lors de la première étape. Au cours de cette étape, nous nous sommes concentrés sur l'effet du rapport Si/Al sur les capacités d'adsorption et de régénération des zéolithes étudiées. Nous avons utilisé une combinaison puissante de deux types de techniques de modélisation : i) la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) qui a été utilisée pour déterminer les énergies de liaison du phénol avec plusieurs types de formulations de faujasite, ii) les simulations de type Grand Canonical Monte Carlo (GCMC) qui ont été utilisées pour trouver les capacités d’adsorption de chaque zéolite protonée utilisée. Les résultats obtenus sont comparés à ceux mesurés expérimentalement par la spectroscopie infrarouge, les courbes de percée et les expériences de désorption. Nous avons trouvé que le phénol était éliminé sélectivement de l'isooctane dans les zéolithes HY (Si/Al = 2.5) et USY (Si/Al = 47), avec une capacité maximale d'adsorption de 2.2 mmol·g-1, ce qui correspond à 3 − 4 molécules de phénol par supercage d'une structure de faujasite. La capacité maximale d'adsorption a été atteint plus rapidement dans la DAY (Si/Al = ∞), en raison de la présence de grands pores qui dépendent de la faible densité de sites acides. Nous avons également montré que les zéolithes USY ont une bonne capacité de régénération par rapport aux faujasites à forte concentration de sites protonés. En effet, après désorption à température programmée, il existe une très petite quantité de phénol résiduel dans la faujasite contenant une petite quantité de sites protonés, en accord avec la faible énergie d’adsorption du phénol théorique pour cette formulation. / Biofuels from the transformation of second-generation biomass (2G) are expected to replace fossil fuels in the transport sector. However, the biofuels obtained after the co-treatment (bio- oil refining) still contain 0.5 to 7.0 wt% oxygenated compounds, in particular phenolic molecules, which leads to form carcinogenic benzene during combustion in the engine. In this context, a new challenge is to use selective adsorption to remove phenolic compounds from liquid fuels. As a first step in our work, we used DFT calculations to design a suitable porous material in the family of faujasites exchanged with monovalent cations (cation = H+, Li+, Na+, Cs+, Ag+, and Cu+) in order to find a zeolitic formulation with a high affinity for phenol in the presence of water and toluene (biofuel model molecule). We have found that increasing the amount of the protonated and Lewis acid sites in the faujasite structure would be an appropriate mean of selectively purifying second-generation biofuels by removing phenol molecules. The second step is to study the removal of phenol from an isooctane solution over a faujasite containing protons that was considered as a good cation in the first step. Herein, we focused on the effect of the Si/Al ratio on the adsorption and regeneration capacities of the studied zeolites. For this deeper investigation, we have used a powerful combination of two types of modeling techniques: i) density functional theory (DFT) was used to determine the binding energies of phenol with several types of faujasite formulations, ii) the Grand Canonical Monte Carlo (GCMC) was used to find the adsorption capacities of each used protonated zeolite. The obtained results are compared with those measured by various experimental tools (infrared spectroscopy, breakthrough curves and desorption experiments). As results, we have found that phenol was selectively removed from isooctane into HY (Si/Al=2.5) and USY (Si/Al=47) zeolites with a maximal adsorption capacity of 2.2 mmol·g−1, which corresponds to 3−4 phenol molecules per supercage of a faujasite structure. The adsorption equilibrium was reached more rapidly in DAY (Si /Al = ∞) compared to faujasites with a large amount of protonated sites, due to the presence of large pores at the expense of micro porosity as well as a low density of acidic sites. We have also shown that USY zeolites have good regenerative capacity compared to faujasites with high amounts of protonated sites. Indeed, after temperature programmed desorption, there is a low amount of residual phenol in the faujasite containing a small amount of protonated sites, in agreement with our low adsorption energy of phenol computed for this formulation.

L'objectif de ce travail de recherche est d'étudier numériquement le transport et le dépôt de particules dans des milieux poreux à l'échelle des pores.Premièrement, un couplage entre la méthode de Boltzmann sur réseau (LBM) et la méthode des éléments discrets (DEM) est réalisé et utilisé pour simuler l'écoulement d'un fluide chargé en particules. La LBM est utilisée pour décrire l'écoulement du fluide autour des fibres tandis que la DEM est utilisée pour traiter la dynamique des particules. Ce couplage est bidirectionnel dans le sens où le mouvement des particules affecte le flux de fluide et réciproquement. Ce modèle nous a permis de prédire l'efficacité de capture et la chute de pression à l'étape initiale du processus de filtration. Le facteur de qualité est également calculé pour déterminer la qualité de filtration.Ensuite, on se focalise sur l'étude de l'efficacité de la capture de fibres de formes de section transversale différentes (circulaire, losange et carrée). Les résultats issus de nos simulations du processus de filtration de la fibre circulaire concordent bien avec les corrélations empiriques. L'impaction des particules sur la face avant de la fibre de forme carrée est plus importante que dans les cas de fibre de formes circulaire et losange. Cependant, en raison d'une chute de pression plus faible, la fibre de section losange présente une meilleure qualité de filtration. Ensuite, les variations du facteur de qualité dues à l'angle d'orientation et au rapport d'aspect des fibres ont été étudiées numériquement pour la forme rectangulaire. Pour chaque cas, on a déterminé la valeur optimale de la zone au vent pour laquelle le facteur de qualité est maximal. La comparaison des valeurs du facteur de qualité obtenues pour les différentes formes de fibre monte une meilleure performance pour la fibre de section carrée orientée avec un angle de π/4.Enfin, l'influence de l'arrangement des fibres sur la qualité de la filtration est analysée en considérant la configuration en quinconce pour les différentes formes. Les simulations conduites pour différentes tailles de particules et différentes valeurs de la densité (particule/air) montent que la fibre de section losange est plus performante en termes de facteur de qualité pour les particules de grande taille et pour les valeurs de densité élevée. La présente étude fournit des pistes pour optimiser le processus de filtration et prédire la qualité de filtration. / The objective of the present research was to numerically investigate the transport and deposition of particles in porous media at the pore scale. Firstly, a developed coupled lattice Boltzmann method (LBM) and discrete element method (DEM) is used to simulate the fluid-particle flow. LBM is employed to describe the fluid flow around fibers whereas DEM is used to deal with the particle dynamics. The corresponding method is two-way coupling in the sense that particle motion affects the fluid flow and reciprocally. It allowed us to predict the capture efficiency and pressure drop at the initial stage of filtration process. The quality factor is also calculated for determining the filtration performance. Secondly, we focus on the study the capture efficiency of single fiber with circular, diamond and square cross-section, respectively. The results of LBM-DEM for filtration process of single circular fiber agree well with the empirical correlation. The impaction of particles on the front side of square-shaped fiber is more favorable than those on circular and diamond cases. However, diamond fiber exhibits a good filtration performance. Then the variations of quality factor due to the different orientation angle and aspect ratio of rectangular fiber were studied using LBM-DEM. For each case, we have found the optimal value of the windward area to which corresponds a maximum value of the quality factor. The comparison of the performance of the different forms of fibers shows that the largest quality factor is obtained for square fiber oriented with angle π/4.Finally, the influence of the arrangement of fiber on filtration performance is analyzed by considering the staggered configuration. Simulations conducted for several particle size and density show that the diamond with staggered array performs better for large particles and high particle-to-fluid density ratio in terms of quality factor. The present study provide an insight to optimize the filtration process and predict filtration performance.

L'utilisation intensive des combustibles fossiles et l’émission des produits de leur combustion (principalement du CO2) dans l'air ont déjà impacté le climat mondial. Trouver des solutions technologiques permettant la conversion de l'économie mondiale aux carburants propres et renouvelables devient urgent. Une de possibilités consiste en utilisation de l’hydrogène comme un vecteur d’énergie. Aujourd’hui elle est limitée par l’absence d’un matériau permettant son stockage à des températures ambiantes et à des pressions modérées.Dans ce projet, nous explorons la possibilité de préparer un nouveau matériau pour un stockage réversible de l’hydrogène par physisorption : les carbones nanoporeux substitués au bore. Nous montrons que la synthèse en arc électrique peut être optimisée pour produire des structures graphitisées, avec la variété de tailles, de formes et d'interconnexions entre les fragments de graphène. Leur morphologie, structure, composition chimique et homogénéité de la distribution de l’hétéroatome dans la structure carbonée ont été caractérisés par les techniques SEM, HRTEM, EELS, XRD et spectroscopie RMN. La porosité et propriétés adsorptives ont été étudiées en utilisant les mesures d’adsorption de l’azote à T= 77 K.Les deux paramètres essentiels pour un stockage efficace de l’hydrogène dans les conditions ambiantes sont la surface spécifique de l’adsorbant et l’énergie avec laquelle les molécules du gaz sont adsorbées sur cette surface. Nous montrons que la surface spécifique d’adsorption peut être contrôlée et augmentée par une activation thermique ou chimique pour optimiser le stockage, et que la présence du bore dans les structures carbonées permet de doubler l’énergie d'adsorption d'hydrogène du matériau. / The intensive use of fossil fuels and the emission of combustion products (mostly CO2) to air have already impacted global climate. We urgently need to find a technological solution to convert the global energy economy towards cleaner and renewable fuels. A possible solution consists in using hydrogen as energy vector. Today this technology is limited by the absence of material that could efficiently store hydrogen at ambient temperature and moderate pressures.In this project we explore the possibility to prepare a new material for reversible hydrogen storage by physisorption: boron-substituted nanoporous carbons. We show that electric arc discharge synthesis may be optimized to produce graphitized structures with a variety of graphene fragment sizes, forms, and interconnections between them. The morphology, structure, chemical composition, and homogeneity of boron distribution over the carbon samples were characterized using SEM, HRTEM, EELS, and XRD techniques, and HR solid state NMR. The porosity and adsorption parameters were determined from isotherms of nitrogen adsorption at T = 77 K.Two parameters that are essential for efficient hydrogen storage at ambient conditions are sorbent specific surface and the energy of gas adsorption at this surface. We show that material specific surface can be controlled and increased by thermal and/or chemical activation to enhance storage capacity, and that hydrogen adsorption energy in boron containing samples is twice as high as in all- carbon material.