Le glycérol est valorisable par déshydratation en acroléine qui est un important intermédiaire chimique et peut être converti en une multitude de produits à valeur ajoutée dont l’acide acrylique qui est la base de nombreux polymères. Cette réaction est réalisée sur des catalyseurs acides comme les zéolithes protoniques qui donnent d’importants rendements initiaux en phase gazeuse (275-325°C) et à pression atmosphérique. Cependant, le principal inconvénient de ces matériaux est la désactivation rapide au cours du temps dû à la formation de dépôts carbonés appelés « coke ». L’ajout du fer sur les zéolithes H-BEA (larges pores) et H-MFI (pores moyens) a montré un effet fortement bénéfique sur cette réaction en présence d’air avec une formation supposée d’espèces actives qui permettraient de réduire de manière importante la désactivation du catalyseur et tout en favorisant la formation directe de l’acide acrylique sur la fonction métallique. Les zéolithes MFI au fer préparées par substitution isomorphe sont les plus performantes avec un rendement maximum en acide acrylique de 40% obtenu sur H-Fe3.8-Z-45 (préparé par synthèse hydrothermale). La zéolithe Np-Fe0.6-MFI-41 (préparé par traitement post-synthèse en milieu fluorure) permet d’obtenir un rendement en acroléine de plus de 80% après 24h de réaction, reproductible après régénération. Ce catalyseur est non seulement très actif, sélectif en acroléine, stable mais aussi régénérable, ce qui le place parmi les meilleurs pour ce procédé. / Glycerol is recoverable by dehydration into acrolein, which is an important chemical intermediate and can be converted into a variety of value-added products including acrylic acid that is the basis of many polymers. This reaction is carried out over acid catalysts, such as protonic zeolites which provide significant initial yields in the gas phase (275-325° C) and at atmospheric pressure. However, the main drawback of these materials is the rapid deactivation over time because of the formation of carbonaceous deposits known as "coke". The addition of iron over H-BEA (large pore) and H-MFI (mean pore) zeolites showed a highly beneficial effect on this reaction in the presence of air with an assumed formation of active species that would reduce significantly catalyst deactivation while promoting the direct formation of the acrylic acid on the metal function. H-MFI iron zeolites prepared by isomorphous substitution are the most efficient with a maximum acrylic acid yield of 40% obtained over H-Fe3.8-Z-45 (prepared by hydrothermal synthesis). Np-Fe0.6-MFI-41 zeolite (prepared by post-synthesis treatment in a fluoride medium) gives an acrolein yield of 80% after 24 hours of reaction, reproducible after regeneration. This catalyst is not only very active, selective to acrolein and stable but also regenerable, which places it among the best for this process.

L’adsorption de l’hydrogène et du deutérium purs ou en mélanges a été étudiée sur une série de zéolithes en faisant varier différents paramètres (taille et géométrie des pores, rapport Si/Al, nature du cation compensateur de charge).Les sélectivités d’adsorption ont été déterminées dans un large domaine de pression (0,1 – 1000 hPa) et de température (45 – 100 K) à l’aide une technique originale basée sur le couplage de la manométrie et de la spectrométrie de masse conçue et mise au point au laboratoire. En accord avec les données de la littérature, pour tous les matériaux et toutes les conditions expérimentales étudiées, le processus de coadsorption est toujours en faveur du deutérium. En revanche, la sélectivité varie en fonction du taux de remplissage, des propriétés des matériaux et de la température. La cinétique de coadsorption joue un rôle très important sur la sélectivité d’adsorption et ce tout particulièrement dans le domaine de fort remplissage.Ces travaux ont permis d’identifier les paramètres de l’adsorbant et les conditions opératoires qui permettront le développement d’un procédé de séparation efficace des isotopes de l’hydrogène par adsorption sélective. / The adsorption of hydrogen and deuterium (single gases and mixtures) was studied on a series of zeolites with varied parameters (Si/Al ratio, nature of the charge-compensating cation, pore geometry and diameter of pore aperture). Thermodynamic adsorption selectivities towards deuterium with respect to hydrogen were measured in a large pressure range (0.1 – 1000 hPa) and for several temperatures (45 – 100 K). The adsorption selectivity was assessed using direct coadsorption measurements performed by manometry coupled with mass spectrometry. For all studied zeolites and experimental conditions, the coadsorption process is selective towards deuterium, in agreement with the literature. However, the adsorption selectivity depends on the loading, the sorbent’s properties and the temperature. We have found that the coadsorption kinetics strongly influences the adsorption selectivity, especially at high loading. This work gives the guidelines for the choice of the formulation of materials and the optimal operating conditions for having an efficient separation of hydrogen isotopes using zeolite-based adsorbents.

Du fait du coût élevé de certains matériaux adsorbants d’intérêt pour le traitement de la micropollution organique, l’étude a porté sur la régénération de matériaux adsorbants de type zéolithes hydrophobes et monolithe de carbone dans le cas de l’adsorption du bisphénol A et du diclofénac comme micropolluants réfractaires. Des procédés d’oxydation avancée impliquant des espèces radicalaires HO• (réaction de Fenton, électro-Fenton) et SO₄• – (activation de persulfate par voie thermique) ont été utilisés pour assurer la régénération des matériaux par désorption et dégradation oxydative des polluants fixés. La production de radicaux HO• au sein de la phase aqueuse circulant au niveau de l’adsorbant n’est pas suffisamment efficace pour sa régénération. Il a donc été envisagé de générer les radicaux au plus près des molécules adsorbées. Au cours de ce travail, une méthode sensible d’analyse par polarographie de H₂O₂ a été développée et validée pour le suivi des expériences avec les procédés mettant en jeu la réaction de Fenton. Pour différentes zéolithes, le catalyseur de la réaction de Fenton à base de fer a été incorporé préalablement dans la zéolithe. Pour le monolithe de carbone, les propriétés de conduction du matériau ont été mises à profit en l’utilisant comme cathode pour l’application du procédé électro-Fenton permettant de produire les radicaux HO• directement au sein du matériau. Cela a conduit à améliorer les performances de la régénération avec toutefois une diminution de son efficacité au cours de cycles successifs adsorption/régénération. / The elimination of organic micropollutants often requires the use of adsorption processes among the water treatments. The aim of our study is to regenerate two expensive materials (hydrophobic zeolites and carbon monoliths) to increase their life expectancy and decrease their investing cost. Two organic contaminants were targeted : diclofenac and bisphenol A, which are refractory pollutants. Advanced oxidation processes involve radical species, HO• (Fenton and electro-Fenton reactions) and SO₄• – (thermal activation of persulfate ion). These oxidants were used to decompose the adsorbed pollutants and thus regenerate the adsorbents. The HO• production, within the core of aqueous phase, did not reach satisfactory regeneration, and a loss of adsorption capacity was observed. Furthermore, during this study, a sensitive polarographic analytical method was developed and validated for the quantification of H₂O₂ in the aqueous phase. This method was used to follow in situ the Fenton reaction. The location of the catalyst in a closer vicinity of the adsorbed species was then optimized and the iron catalyst was impregnated in the host, prior to the adsorption, on different types of hydrophobic zeolites. Concerning carbon monolith, the electro-Fenton process was carried out using the material as the cathode thanks to its electrical conductivity. Consequently, HO• are produced in the porosity of monolith. This latter property enhanced the degradation of adsorbed solutes. The overall performances were increased compared to the homogeneous Fenton process. Nonetheless, a decrease of the adsorption capacities with adsorption-regeneration cycles was observed.

Dans le domaine spatial, la contamination moléculaire est un problème important pouvant affecter considérablement la performance des instruments embarqués. Selon l’environnement thermique, certaines molécules polluantes provenant du dégazage sous vide des matériaux constitutifs des satellites viennent en effet se déposer sur les surfaces sensibles tels que les optiques et les différents détecteurs. Grâce à leur structure microporeuse organisée qui leurs confèrent de remarquables capacités d’adsorption, les zéolithes sont des solides de choix pour minimiser les risques de pollution. Les films zéolithiques offrent plus précisément l’avantage d’être directement intégrés dans la structure interne des satellites, sont légers et non pulvérulents. C’est pourquoi l’objectif de cette thèse est d’étudier la synthèse de films zéolithiques sur deux types d’alliages d’aluminium, matériaux largement utilisés dans l’industrie spatiale pour leur résistance mécanique élevée. Face aux milieux de synthèse corrosifs de certaines zéolithes, la sensibilité des substrats en aluminium a été minimisée grâce à la formation d’un film microporeux de type MFI, tandis que la couche zéolithique aux propriétés d’adsorption recherchées de type FAU, EMT ou *BEA a été synthétisée à sa surface. Cette étude propose donc l’élaboration de films hybrides contenant deux couches de zéolithes de type structural différent. Divers caractéristiques telles que la cristallinité, l’homogénéité, l’épaisseur des films et l’adhésion des différentes couches entre elles et au support ont été particulièrement étudiés. Après calcination, les films zéolithiques hybrides présentent une porosité disponible et des capacités d’adsorption de molécules organiques équivalentes à celles d’une poudre. De plus, en optimisant le traitement thermique final, les propriétés mécaniques des alliages d’aluminium de départ ont pu être conservées. / In low earth orbit, global performances of satellites can be affected by contamination of critical surfaces as optical devices and detectors. On-orbit molecular contamination is due to outgassed organic pollutants emanating from spacecraft materials. One way to reduce and eliminate this phenomenon is the use of molecular adsorbents. Among them, zeolites appear to be relevant materials for contaminants retaining. Unlike common powder materials, zeolites films can also avoid the secondary dust contamination due to particles breeding and can be easily inserted in the satellite structure. As a consequence, this work deals with the synthesis of zeolite films on aluminium alloys widely used in aerospace industry for their attractive mechanical properties. When attempting to elaborate microporous films of FAU, EMT or *BEA-type zeolites selected for their relevant sorption capacities, their corrosive synthesis media dissolves the aluminium substrate. To solve this problem, a bottom layer composed of MFI-type zeolite is synthesized and acts as a protective barrier for aluminium alloys. This study is thus dedicated to the development of zeolite hybrid films composed by two different structure-type layers. Various parameters such as crystallinity, homogeneity, film thickness and adhesion between both zeolite layers and the substrates were particularly studied in order to elaborate space-qualified materials. Once calcined, the sorption capacities of these hybrid films were identical to corresponding powders. Moreover, by optimizing the calcination step, the mechanical properties of the starting aluminium alloys are kept.

La protection de l’environnement et de la santé humaine représente une préoccupation éthique et scientifique primordiale. Les dioxines/furanes, produits, entre autres, par les processus d’incinération de déchets, font partie des polluants les plus dangereux de par leur stabilité et leur faculté à être bio-accumulés. Les polychlorobenzènes sont souvent référencés comme molécules modèles de ces composés et seront utilisés en tant que tels dans ces travaux de thèse. Grâce à leurs structures microporeuses organisées qui leur confèrent de remarquables capacités d’adsorption, les zéolithes et les Metal-Organic Frameworks (MOFs) représentent des matériaux de choix pour piéger ces polluants organiques. Leur mise en forme sous forme de billes par exemple offre l’avantage de s’affranchir de problèmes tels que le colmatage ou les pertes de charges trop importantes pouvant apparaître pour une application à l’échelle industrielle. C’est pourquoi, cette thèse vise à élaborer et caractériser des adsorbants zéolithiques et de type MOF, de les mettre en forme et d’étudier leurs propriétés d’adsorption vis-à-vis de polychlorobenzènes/dioxines/furanes. L’ensemble des zéolithes et MOFs ont été sélectionnés et préparés de sorte à optimiser leurs caractéristiques structurales, texturales et morphologiques pour les applications ciblées. Une étude sur la mise en forme de la zéolithe de type FAU a conduit à l’élaboration de billes présentant de bonnes propriétés mécanique et d’adsorption. Les différentes mesures d’adsorption de polychlorobenzènes/dioxines/furanes en phases gaz et liquide ont permis de mettre en évidence les meilleurs matériaux pour l’adsorption sélective de ces polluants à l’émission d’usines d’incinération de déchets. / Environmental and human health protection is a scientific and ethical concern. Dioxin/furan compounds, produced from waste incineration process among other, are ones of the most dangerous pollutants due to their stability and ability to bio-accumulate. Polychlorobenzenes are often referred as model molecules of these compounds and will be used as it in this PhD work. Thanks to their microporous organized structures which confer to them remarkable adsorption capacities, zeolites and Metal-Organic Frameworks (MOFs) are interesting materials to trap these organic pollutants. Their shaping as beads for example offer the advantage to overcome problems such as clogging or excessive pressure losses that can appear for an industrial application. Therefore, the aim of this PhD is to prepare and characterize zeolite and MOF, to shape them and to study their adsorption properties for polychlorobenzenes/dioxins/furans. All zeolites and MOFs have been selected and prepared in order to optimize their structural, textural and morphological characteristics for the intended application. A study on the shaping of the FAU-type zeolite has allowed the development of beads with good mechanical and adsorption properties. The different polychlorobenzenes/dioxins/furans adsorption tests into gas and liquid phases allowed identifying the best solids for the selective adsorption of these pollutants in waste incineration plant emissions.

Les biocarburants présentent une alternative prometteuse à l'utilisation de carburants fossiles. Cependant, l'augmentation de la quantité de biocarburants introduite dans les carburants nécessite de connaître leur impact sur les émissions de polluants. Le travail réalisé lors de cette thèse peut être décrit en deux parties : La première traite de l'évaluation des émissions de polluants réglementés et non réglementés émis par la combustion de biocarburants dans un moteur diesel. Différents biocarburants ont été testés : des esters méthyliques d'huile de soja et de colza, des esters éthyliques d'huile usagée et un carburant de référence exempt de tout biocarburant. Les résultats montrent que la nature des biocarburants ainsi que leur teneur ont un impact sur les polluants émis. Par exemple, une diminution de la taille des particules émises a été observée avec l'utilisation des esters méthyliques d'huile de soja. Le deuxième objectif de cette thèse concerne le piégeage des polluants Diesel, notamment des composés organiques volatils par des zéolithes. Plusieurs zéolithes ont été synthétisées puis caractérisées. Des tests d'adsorption par thermogravimétrie ont ensuite été réalisés au laboratoire avec différentes molécules sondes représentatives des polluants émis par les moteurs Diesel (le n-hexane, le p-xylène et l'acétone). Certaines zéolithes comme les zéolithes faujasite présentent des capacités d'adsorption intéressantes. Toutefois, la plupart des résultats montrent une diminution de la capacité d'adsorption avec l'augmentation de la température. Ces zéolithes ont ensuite été placées en sortie d'échappement d'un moteur diesel afin d'étudier leur capacité d'adsorption.

Les zéolithes sont des solides cristallins caractérisés par l'existence de canaux pouvant accueillir des ions et molécules hôtes. Ces matériaux sont donc utilisés dans de nombreux procédés physico-chimiques, tels que la séparation moléculaire, la catalyse, l'échange cationique, et plus récemment comme constituant de nouveaux matériaux composites. Dans ce travail nous nous sommes intéressés à la caractérisation des interactions dans les tamis moléculaires de type MFI, AFI et AlPO4-15 via la diffraction des rayons X à haute résolution sur monocristal et la thermogravimétrie et calorimétrie.<br /> Les monocristaux nécessaires ont été obtenus au laboratoire par synthèse hydrothermale. L'étude de la densité de charge de AlPO4-15 a révélé les interactions hôte / invité dans ce composé et, avec l'analyse de sa topologie, a permis d'en modéliser le potentiel électrostatique. L'étude de la zéolithe MFI a permis de localiser l'ion fluorure qui se trouve être lié à un atome de silicium de la charpente.

Dans ce travail nous étudions l'élaboration, la caractérisation et les applications de différents matériaux poreux. L'étude est organisée en trois parties majeures: la synthèse de zéolithes micro/mesoporeux et leur application potentielle dans l'industrie pétrochimique, l'étude théorique de mécanismes réactionnels sur des zeolites microporeux, et le design de métaux mesoporeux avec une chiralité intrinsèque de leur surface interne. Ces matériaux poreux montrent des propriétés excellentes, notamment pour des applications potentielles en catalyse et comme interfaces chirales.

Ce travail de thèse inclut deux parties : i) l'étude fondamentale de la formation de cristaux zéolithiques ; et ii) la préparation de massifs zéolithiques de taille centimétriques à porosité interparticulaire contrôlée. La première partie de ce travail est donc consacrée à l'étude de l'effet de la microstructure (propriétés physiques et texturales) et de la composition chimique du gel sur la vitesse de nucléation et la taille des cristaux formés. Les résultats de cette étude se résument par le rôle important que joue la composition du gel (plus particulièrement sa concentration en hydroxyde de cation alcalin) sur le degré de polymérisation des particules du gel, la détermination de sa microstructure et par conséquent sur la vitesse de nucléation des zéolithes et la taille des cristaux. Les connaissances acquises dans la première partie ont été utilisées dans le développement du deuxième objective. Notamment, la préparation de massifs zéolithiques de taille centimétrique de types structuraux *BEA et MFI. Le contrôle post-synthèse de la porosité interparticulaire de ces massifs était essentiel pour leur utilisation dans des applications bien précises. A cette fin, une méthode en deux étapes, comportant un assemblage de nanocristaux de zéolithes préformés (en présence ou en absence d'un liant) puis un traitement de croissance secondaire pour l'élimination de la porosité interparticulaire, a été mise en œuvre. Plusieurs traitements de croissance secondaire furent évalués selon le type de zéolithe étudié. Une attention particulière fut accordée à l'étude de l'évolution du liant au cours des processus de préparation et de calcination des massifs zéolithiques.

Afin d'optimiser l'utilisation des micropoutres en tant que capteurs chimiques, de nouvelles couches sensibles à base de matériaux microporeux ont été testées pour la détection d'humidité, de toluène et d'éthanol. Des essais sans couches sensibles ont aussi été effectués et des modèles simples ont été mis au point afin de prédire la réponse des micropoutres lors d'un changement d'environnement. Ces études ont donc permis la mise en oeuvre des micropoutres selon deux principes de détections différents: l'un reposant sur la variation de masse du capteur à base de micropoutre lors de l'absorption de composé par une couche sensible; l'autre reposant sur la détection de changements de propriétés physiques du fluide environnant. / In order to optimize the use of microcantilever in the way of chemical sensing, microporous sensitive coatings have been tried to detect ethanol, toluene and humidity. The use of microcantilever without sensitive coating have been performed and simple models has been made and permit to predict the response of microcantilever in different environments. These studies rely on the use of microcantilever within two different detection mode: the detection of mass variation of the sensor because of the sorption of species in sensitive coating; and the detection of the change of physical properties of the fluid.