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In this study, we describe the use of different silica materials to separate vanadium compounds from Asphaltenes. We used high performance flash chromatography separation method to separate asphaltenes at different solvent strengths on sea sand. The separation conditions were optimized for flow rate and the strength of the solvent. The selectivity of separation was determined based on asphaltene and metal recovery. With separation on sea sand as the solvent strength increased, the recovery percentage of the asphaltenes also increased. Similarly, stronger solvent blends give poor selectivity based on peak shifts in fluorescence spectra. The separation conditions were then used to compare the performance of a series of silica materials treated with alkaline earth metals. These samples were treated with the same molar concentration of reactant at the same temperature. Treatment of silica materials resulted in an increase in metals recovery and asphaltene recovery by providing less active sites for adsorption. / Chemical Engineering

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Thesis (M.S.); Submitted to Iowa State Univ., Ames, IA (US); 19 Dec 2004. / Published through the Information Bridge: DOE Scientific and Technical Information. "IS-T 2488" Tugba Kalem. US Department of Energy 12/19/2004. Report is also available in paper and microfiche from NTIS.

Ce travail porte sur la préparation de matériaux silicatés à porosité hiérarchisée pour l'encapsulation de molécules d'intérêt dans le domaine de la pharmacie et en tant que biocatalyseur. Afin d’atteindre cet objectif, les nano-émulsions sont choisies comme empreinte pour créer les macropores du matériau en raison de la taille homogène et réduite des gouttelettes de l’émulsion (inférieure à 100 nm). Pour cela le système Remcopal 4/décane/eau est investi en déterminant les conditions les plus optimales de formation de nano-émulsion, via les méthodes d'inversion de phases. L’ajout de micelles aux nano-émulsions ne déstabilise pas les émulsions et permet la formation d’un réseau de mésopores organisés selon une symétrie hexagonale. Les matériaux hybrides issus des matériaux poreux contenant encore la phase organique sont dopés par le ketoprofène en vue d’étudier la libération de ce dernier. Celle-ci se révèle sensible au pH. De plus, cette étude de la libération du kétoprofène à partir du matériau méso-macroporeux indique qu'elle est assistée par les micelles qui sont solubilisées dans la solution réceptrice. Le deuxième objectif de ce travail est d'utiliser ces matériaux poreux en tant que biocatalyseur pour la synthèse de biodiesel à partir d'huile de colza. Pour cette application, il est nécessaire que les matériaux résistent à l’immersion dans des milieux aqueux. L’étude de la stabilité hydrothermale a montré que le matériau calciné présente la meilleure stabilité dans l’eau bouillante. Par ailleurs, le matériau peut résister jusqu’à 550°C, la structure ne subissant que des dégradations mineures. Nous avons également utilisé un matériau silicaté à double mésoporosité préparé à partir de micelles fluorées et hydrogénées coexistant dans une même solution. L'évaluation thermique et hydrothermale indique que ces matériaux présentent deux cinétiques de déstructuration qui correspondent à chacune des deux matrices ayant deux tailles de pores différents. L’immobilisation de la lipase Mml est étudiée sur le matériau méso-macroporeux calciné et sur le matériau à double mésoporosité. Les isothermes d'adsorption ont permis de mettre en évidence que le matériau à double mésoporosité peut encapsuler plus d’enzymes que son homologue méso-macroporeux. L’activité enzymatique, au regard des réactions de transestérification, est de façon inverse plus importante avec le matériau méso-macroporeux calciné / This work concerns the preparation of silica materials with hierarchical porosity for the encapsulation of molecules of interest in the field of drug delivery and as biocatalysts. In order to reach this goal, the nano-emulsions were chosen as templates for the macropores of the material because of the homogeneous and small size of the emulsion droplets (less than 100 nm). The system Remcopal 4/decane/water was investigated and the optimal conditions for which nano-emulsion is formed via the phase inversion methods were determined. Adding micelles to the nano-emulsions does not affect its stability and can form a network of mesopores organized with a hexagonal symmetry. Hybrid materials which are hierarchically porous materials where the organic phase is still present, were doped with ketoprofen to study its release, which proved to be pH sensitive. Moreover, the study of the release of ketoprofen from the meso-macroporous material indicates that it is assisted by the micelles which are solubilized in the release medium. The second objective of this work was to use these porous materials as a biocatalyst for biodiesel synthesis from colza oil. For this application it was necessary that the materials are resistant to immersion in aqueous media. The study of the hydrothermal stability shows that the calcined material has the best stability in boiling water. Moreover, the material can withstand up to 550 ° C, the structure undergoes only minor damages. We also used a dual-mesoporous silica material prepared from hydrogenated and fluorinated micelles coexisting in the same solution. Thermal and hydrothermal evaluation indicates that these materials have two different decay kinetics corresponding to each of the two matrices having different pore sizes. The immobilization of lipase Mml was studied on the meso-macroporous calcined material and the dual-mesoporous material. The adsorption isotherms were used to demonstrate that the dual-mesoporous material can encapsulate more enzymes than its meso-macroporous counterpart. On the other hand, the enzyme activity, evaluated by the transesterification reactions, is more important for the calcined meso-macroporous material

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The objective of this work is the synthesis of model material for manganese dioxygenase which is an enzyme that oxidizes catechol-like substrates with dioxygen. Our strategy comprises three main steps that form the different chapters of this thesis: - Synthesis and characterization of manganese(II) complexes with tridentate ligands. - Optimization of a microwave-assisted synthesis of a mesoporous silica. - Functionalization of these materials and complex grafting, as well as preliminary catalytic tests. The ligands used are tertiary amines containing an alkyne arm and two coordinating arms with functions such as pyridine, imidazole or carboxylate. The complexes were crystallized and/or characterized by IR, EPR, SQUID and cyclic voltamperometry. Microwave synthesis, based on the conditions of classical hydrothermal synthesis, allowed us to reduce the synthesis time from one day to two hours. The quality of these new materials was verified by IR, TGA, BET and powder XRD. These materials are then bi-functionalized using a molecular stencil patterning mehod with a an azide function for complex grafting via click chemistry and a function pyridine or trimethylsilyl to control the coordinating ability of the metal environment. These complexes and materials are active in catechol oxidation with O2.

Les eaux usées issues de l’industrie pétrochimique contiennent des composés organiques peu ou pas biodégradables dont le traitement nécessite de faire appel à des nouvelles techniques de traitement sophistiquées. L’objectif de ce travail est d’étudier le rôle d’adsorbants alumino-silicatés dans un procédé d’oxydation avancée associant, dans un même réacteur, adsorption et oxydation à l’ozone pour le traitement de ce type d’effluents. Dans un premier temps, l’étude s’est centrée sur l’évaluation des performances du procédé pour l’élimination d’une molécule modèle, le 2,4-diméthylphénol, dans un réacteur agité semi-batch. Avant de coupler l’ozonation et l’adsorption, chacun des phénomènes mis en jeu a été étudié indépendamment, ce qui a permis la compréhension des mécanismes qui régissent le couplage. Deux modes de couplage ont été testés, un traitement simultané ozonation/adsorption et un traitement séquentiel ozonation puis adsorption. Dans les deux configurations, l’ajout des matériaux alumino-silicatés a eu un effet très limité sur la cinétique globale de dégradation de la molécule modèle. Par contre, l’ajout des matériaux a un effet très marqué sur la cinétique d’élimination du COT, principalement dû à un effet d’adsorption de sous-produits d’oxydation spécifiques. Il a aussi été démontré que la restauration des propriétés du solide est possible, permettant ainsi sa réutilisation. Dans un second temps, le procédé a été appliqué au traitement d’un effluent réel rejeté par une usine pétrochimique chinoise, en suivant la même démarche que celle adoptée lors de l’étude réalisée sur la molécule modèle et en utilisant un réacteur à lit fluidisé semi-batch. Les mêmes phénomènes ont été observés, confirmant l’efficacité de ce procédé pour le traitement des eaux usées pétrochimiques. / Petrochemical wastewaters often contain hardly biodegradable organic compounds requiring the use of sophisticated treatment techniques to be eliminated. The aim of this work is to study the role of alumino-silica adsorbents in an advanced oxidation process combining, in the same reactor, adsorption and ozonation for the treatment of such effluents. Initially, the study focused on the evaluation of process performance for the removal of a target molecule, 2,4-dimethylphenol, in a stirred semi-batch reactor. Before coupling adsorption and ozonation, each of these techniques has been studied independently, which allowed the well understanding of the mechanisms taking place during the combined process. Two process configurations were tested; a simultaneous ozonation/adsorption process and a sequential process including a first ozonation step followed by an adsorption step. In both cases, the addition of alumino-silica materials had a very limited effect on the overall kinetics of degradation of the target molecule. However, the use of the materials had a beneficial effect on TOC removal, mainly due to an adsorption effect of specific oxidation by-products. It was also shown that the restoration of the material properties is possible, allowing its reuse. In a second time, the process has been applied to the treatment of a real effluent discharged by a Chinese petrochemical plant, following the same approach adopted in the study of the target molecule and using a semi-batch fluidized bed reactor. Similar phenomena were observed, thus confirming the efficiency of the process on petrochemical wastewater treatment.

Master of Science / Department of Chemistry / Kenneth J. Klabunde / Although Degussia-Huls P-25 TiO[subscript]2 semiconductor photocatalyst has high photodegradation rate for organic molecules, it works only under ultra-violet (UV) light. Mesoporous metal doped V-MCM-48 silica was synthesized under ambient conditions for use as a visible-light photocatalyst to convert toxic probe molecules to innocuous products: CO[subscript]2 + H[subscript]2O. The synthesis employed a modified Stober metal doped MCM-48 silica method. Powder X-ray diffraction (XRD), diffuse-reflectance-ultra-violet-visible (DR-UV-vis) spectroscopy, and N[subscript]2 adsorption-desorpton analysis characterization methods were completed on V-MCM-48 mesoporous material. These characterization methods indicate V-MCM-48 structure had formed with visible light absorption and mesoporous properties. Photocatalysis studies were completed with V-MCM-48 under dark, visible, and UV-light illumination conditions for the following probe molecules: acetaldehyde, carbon monoxide, ethanol, acetone, 2-propanol, and acetonitrile. Acetaldehyde over V-MCM-48 was converted to CO[subscript]2 under dark, visible, and UV-light conditions. Carbon monoxide photooxidation occurred over V-MCM-48 under visible and UV-light. Ethanol and acetonitrile had smaller photodegradation activity over V-MCM-48. Acetone and 2-propanol had no activity photocatalytically. Under dark and visible light illumination, V-MCM-48 consumed approximately one-half acetaldehyde and produced one-third CO[subscript]2 concentration as compared with the P-25 TiO[subscript]2 under UV-light. V-MCM-48 produced two-thirds of the amount of CO[subscript]2 in comparison to nanoparticle Au/ZnO catalyst under UV-light. The results infer V-MCM-48 might be useful in gas and liquid phase photocatalysis including water-splitting due to a high oxidation state (V[superscript]5+), visible light absorption, and high surface area. In conclusion, an extended literature review has been completed and literature employed extensively throughout the thesis with potential methods to further the research on V-MCM-48/Si-MCM-48 in catalysis, chromatography, adsorption/gas separation, and solar collection/water-splitting.

L'objectif de cette thèse est la synthèse d'un matériau modèle de la dioxygénase à manganèse, une enzyme oxydant des cycles aromatiques type catéchol grâce au dioxygène. Pour ce faire, nous avons découpé notre stratégie trois étapes constituant les différents chapitres de ce manuscrit : - La synthèse et la caractérisation des complexes de manganèse(II) avec des ligands tridentates. - L'optimisation d'une synthèse de silice mésoporeuse par micro-onde. - La fonctionnalisation des matériaux et le greffage des complexes, ainsi que les tests catalytiques préliminaires.Les ligands utilisés sont des amines tertiaires avec un bras alcyne et deux coordinants type pyridine, imidazole ou carboxylate. Ces complexes ont été cristallisés et/ou caractérisés par IR, RPE, SQUID et voltampérométrie cyclique. La synthèse par micro-onde, basée sur des conditions de synthèse hydrothermale classiquenous a permis de réduire le temps de synthèse d'un jour à deux heures. La qualité de ces nouveaux matériaux a été vérifiée par IR, ATG, BET, et DRX sur poudre. Ces matériaux sont ensuite bifonctionnalisés en utilisant une méthode de pochoir moléculaire avec une fonction azoture pour le greffage du complexe via "click-chemistry" ainsi qu'une fonction pyridine ou triméthylsilyle pour créer un environnement coordinant ou non proche du métal.Ces complexes et matériaux sont actifs dans l'oxydation du catéchol. / The objective of this work is the synthesis of model material for manganese dioxygenase which is an enzyme that oxidizes catechol-like substrates with dioxygen. Our strategy comprises three main steps that form the different chapters of this thesis: - Synthesis and characterization of manganese(II) complexes with tridentate ligands. - Optimization of a microwave-assisted synthesis of a mesoporous silica. - Functionalization of these materials and complex grafting, as well as preliminary catalytic tests. The ligands used are tertiary amines containing an alkyne arm and two coordinating arms with functions such as pyridine, imidazole or carboxylate. The complexes were crystallized and/or characterized by IR, EPR, SQUID and cyclic voltamperometry. Microwave synthesis, based on the conditions of classical hydrothermal synthesis, allowed us to reduce the synthesis time from one day to two hours. The quality of these new materials was verified by IR, TGA, BET and powder XRD. These materials are then bi-functionalized using a molecular stencil patterning mehod with a an azide function for complex grafting via click chemistry and a function pyridine or trimethylsilyl to control the coordinating ability of the metal environment. These complexes and materials are active in catechol oxidation with O2.