Thèse--Doct-ing.--Grenoble 1, 1971. N°: 193. / Bibliogr.

Dans ce travail, l’existence et les mécanismes fondamentaux sous-jacents à l’augmentation de la solubilité du CO2 dans les matériaux hybrides. De nombreux supports solide et solvants physiques sont testés. Les adsorbants hybrides synthétisés sont par la suite évalués en mesurant les isothermes d’adsorption du CO2. Généralement, tous les adsorbants hybrides montrent une augmentation de la solubilité du CO2 en comparaison avec le solvant physique. Les résultats obtenus mettent en évidence, certaines conditions à remplir pour l'obtention d'un adsorbant hybride efficace. On montre notamment que le support solide doit posséder une structure mésoporeuse avec une forte surface spécifique. De plus, on identifie une taille optimale du solvant permettant d'obtenir une solubilité améliorée. Parmi tous les candidats testés, le N-méthyl-2-pyrrolidone confiné dans un support mésoporeux de MCM-41 s’est avéré être l’adsorbant hybride dont les performances d'adsorption sont les plus importantes. Des simulations de Monte Carlo dans l'ensemble grand canonique sont ensuite effectuées, afin d'interpréter le comportement de la solubilité du CO2 dans un système modèle d’adsorbant hybride à base de MCM-41. Les mécanismes microscopiques sous-jacents à l’augmentation de la solubilité sont notamment clairement identifiés. La présence des molécules de solvant favorise l'adsorption des molécules de CO2 dans le pore, engendrant une augmentation de la solubilité dans l’adsorbant hybride par rapport à celle de l’adsorbant natif ainsi qu’à celle du solvant macroscopique. De plus, pour évaluer l’efficacité de captage du CO2 de ces adsorbants hybrides, l'effet des interactions entre les adsorbats et le solide ainsi que l’impact de la taille de la molécule du solvant sur la solubilité du CO2 sont étudiés. Nous avons constaté qu’un système hybride idéal doit présenter une faible interaction entre le solvant et le solide et une forte affinité entre le solvant et le CO2. De plus, on identifie l'existence d'une taille optimale de solvant permettant de maximiser la solubilité du CO2 dans le système hybride. D’après les résultats de la simulation, la couche de solvant crée des pseudo-micropores dans le solide mésoporeux MCM-41, et permet à plus de molécules de CO2 d’être absorbés sous l'influence d'un confinement et d'une interaction surfacique plus importants. / In this work, we investigate the existence and the fundamentals mechanisms underlying the apparition of enhanced CO2 solubility in hybrid materials. A number of prospective solid supports and physical solvents are chosen and the synthesized hybrid adsorbents are subsequently evaluated by measuring CO2 adsorption isotherms. Generally, all the hybrid adsorbents show an enhancement of CO2 solubility compared with the bulk physical solvent. According to further investigation, we have obtained certain requisites for a good solid support, of which structure should be mesoporous with large surface area. In addition, there is an optimized solvent's size to achieve an enhanced solubility. As a result, among the candidates, the N-methyl-2-pyrrolidone confined in MCM-41 adsorbent is proven to be the most suitable hybrid adsorbent for an effective CO2-removal application. In order to gain a deeper insight, Grand Canonical Monte Carlo simulations are then performed to interpret the CO2 solubility behavior in a modeled system of hybrid MCM-41 adsorbent. As a result, the microscopic mechanisms underlying the apparition of enhanced solubility are then clearly identified. In fact, the presence of solvent molecules favors the layering of CO2 molecule within the pores thereby the CO2 solubility in hybrid adsorbent markedly increases in comparison with the one found in the raw adsorbent as well as in the bulk solvent. In addition, to fully evaluate the efficiency of hybrid adsorbents in capturing CO2, the sorbent-solid interactions along with the solvent molecular size impact on CO2 solubility are further investigated in this study. We found that an ideal hybrid system should possess a weak solvent-solid interaction but a strong solvent-CO2 affinity. Furthermore, an optimal solvent size is obtained for the enhanced CO2 solubility in the hybrid system. According to the simulation results, the solvent layer builds pseudo-micropores inside the mesoporous MCM-41, enabling more CO2 molecules to be absorbed under greater influence of spatial confinement and surface interaction.

Le cadre de cette étude est le stockage de l'hydrogène par adsorption sur charbon actif sous pression à température ambiante. Cette thèse porte sur les effets thermiques intervenant lors des remplissages à l'hydrogène de réservoirs à lit fixe adsorbant. La partie expérimentale a été effectuée au LIMHP et l'étude numérique à l'aide du logiciel Fluent a été menée au LEGI à Grenoble. Un dispositif expérimental permettant la mesure dynamique de champs de températures et de pression a été mis en place. Une étude expérimentale des effets thermiques au sein du lit en fonction du débit et de la température du lit fixe a été faite pour le gaz hydrogène. Une étude comparative a été faite avec l'hélium. Ensuite une validation des simulations, à l'aide du logiciel Fluent, de remplissages de réservoirs à lit fixe adsorbant a été effectuée par comparaisons des résultats expérimentaux et numériques. Puis des simulations prédictives des effets thermiques ont été faites pour différentes valeurs de la conductivité thermique effective du lit, de températures de parois et de température initiale du lit. L'étude de dissipateurs thermiques internes a été menée à l'aide du logiciel Fluent sur des réservoirs de volume plus important en géométrie 3D. L'augmentation de la conductivité effective du lit permet d'améliorer significativement la quantité stockée par adsorption lorsque les températures du gaz entrant et des parois sont relativement basses, de l'ordre de 233 K. L'étude de dissipateur thermique, sous forme de d'empilements de disques, a montré qu'il existe un nombre optimal de disques.

Une nouvelle technique de dépôt de phases stationnaires solides pour la fabrication de micro colonnes de chromatographie en phase gazeuse a été proposée : pour dépasser les limites des phases stationnaires liquides conventionnelles (ou occasionnellement solides) en termes de rétention des composés très volatiles et/ou de fabrication par lots en salle blanche, une approche consistant en le dépôt direct de l'adsorbant sur le substrat par pulvérisation cathodique a été mise en œuvre. La méthode est par nature compatible avec le procédé de fabrication en salle blanche et industrialisable, et a montré de bons résultats en termes de précision. La séparation d'hydrocarbures volatiles a été rendue possible sur silice, alumine, graphite et magnésie. Différents types de colonnes (structure, phase stationnaire) ont été fabriquées sous la forme de puces en silicium de 2x2 cm², et leurs caractérisations thermodynamique et cinétique ont été réalisées. Des efficacités très satisfaisantes ont été obtenues (plus de 5700 plateaux, des hauteurs de plateau de 250 µm). La possibilité d'utiliser des colonnes à phase stationnaire déposée par pulvérisation cathodique pour l'analyse automatisée en temps réel d'hydrocarbures légers sur site pétrolier a été démontrée par l'implémentation d'un système de programmation en température de la puce et divers tests d'adaptabilité (haute température, gaz vecteur, humidité) : une séparation complète des alcanes linéaires C1-C9 en moins de 15 secondes a été obtenue, ainsi que des séparations de mélanges plus complexes (isomères, insaturés). Une application industrielle confidentielle a été brevetée et développée. / A totally new solid stationary phase deposition technique for micro machined gas chromatography (GC) columns fabrication was proposed: to overcome the limitations of conventional liquid (or occasionally solid) stationary phases in terms of very volatile compounds retention and/or clean room batch production, an approach consisting of the collective direct deposition of the adsorbent in micro columns channels by sputtering was performed. The process was fully compatible with clean room fabrication flow and industry-ready, with very good precision results. Silica, alumina, graphite and magnesia were proven able to separate volatile hydrocarbons. Various types of columns (structure, stationary phase) were fabricated in the form of 2x2 cm² silicon-Pyrex chips, and their thermodynamic and kinetic evaluations were reported. Retentions were observed to increase from magnesia to graphite through alumina and silica and with phase ratio decrease, as expected; very satisfying efficiencies were obtained: more than 5700 plates, and 250 µm-high plates. The possibility to use such columns for fast in-situ and autonomous monitoring of light hydrocarbons in oilfield environments was demonstrated by the implementation of a chip temperature-programming system and various versatility tests (high temperatures, carrier gas, humidity): a complete C1-C9 linear alkanes separation was performed in less than 15 seconds, as well as complex mixtures fast separations (isomers, unsaturated), and an industrial confidential application was developed and patented. Therefore, sputter-deposited stationary phase micro columns opened numerous perspectives for the developments of miniaturized GC apparatuses.

Actuellement, environ 80% de la pollution par les hydrocarbures (HC) imbrûlés est émise durant la période de démarrage à froid des moteurs (période dite de "cold-start"), d'une durée approximative de 120 s. Pour les véhicules Diesel, une méthode particulièrement prometteuse pourrait consister à piéger les HC sur un adsorbant à des températures inférieures à 200-250 °C, pour les oxyder ensuite à plus haute température grâce à un catalyseur d'oxydation conventionnel. Cependant, peu d'études dans la littérature traitent de l'adsorption/désorption d'un mélange complexe d'HC, notamment en présence d'inhibiteurs. Dans cette étude, nous avons cherché à évaluer dans quelle mesure les propriétés structurales et chimiques d'adsorbants zéolithiques pouvaient affecter les caractéristiques d'adsorption et désorption d'un mélange modèle d'HC (propène, toluène, décane) en absence/présence d'inhibiteurs (NOx, H2O, COx..). Dans ce but, 3 séries de tests ont été menées pour mesurer les influences respectives: (i) de la composition du mélange d'HC (binaire/ternaire) ainsi que la présence d'eau sur la zéolithe HY de structure faujasite (pour différents rapports Si/Al); (ii) de l'incorporation d'un cation métallique (Cu, Pt, Ce, Cs) pour la zéolithe HY (rapport Si/Al = 5); (iii) de la topologie et de la porosité de zéolithes protonées (structures FAU, BEA, MOR, MFI, FER, LTA). Les propriétés texturales, structurales et chimiques des zéolithes étudiées ont été systématiquement caractérisées par porosimétrie à l'azote, DRX, FTIR/ATR, DRS-UV-Vis, FTIR du CO, NO et de la pyridine adsorbée. D'une manière générale, les courbes de percée obtenues avec différentes compositions indiquent que la diffusion de chaque HC est fortement affectée par la présence d'autres composés présents simultanément dans le réseau poreux. Pour les zéolithes Y protonées, les faibles rapports Si/Al favorisent la sélectivité pour l'adsorption des insaturés alors que les zéolithes plus hydrophobes (Si/Al élevés) adsorbent préférentiellement le décane. Parmi les différents inhibiteurs testés (CO, NOx, H2O), seul l'eau impacte fortement les capacités d'adsorption aux faibles rapports Si/Al, en raison d'une compétition avec les HC sur les sites acides. L'incorporation d'espèces métalliques dans la zéolithe HY-5 améliore la sélectivité d'adsorption pour les insaturés, notamment les plus légers (propène). Les expériences de TPSR sous atmosphère réactive ont montré que la présence de nouveaux sites acides de Lewis Cu+ et/ou Cu2+ en position d'échange améliore fortement la réduction des NOx par les HC pré-adsorbés. La zéolithe modifiée au Pt a un comportement typique d'un catalyseur d'oxydation, l'intégralité des composés carbonés (HC, CO,...) étant totalement convertie en CO2 à partir de 300°C. L'étude des caractéristiques d'adsorption/désorption des HC pour différentes structures zéolithiques a permis de montrer que la topologie ainsi que la force des sites acides sont également des paramètres déterminants pour le piégeage des HC. L'ensemble de ces résultats permet d'envisager l'utilisation de certaines des formulations testées pour une application "cold-start" / Currently, about 80% of the pollution from unburnt hydrocarbons (HC) is emitted during the cold-start period, for an approximate duration of 120 s. For Diesel vehicles, a promising approach might be to trap the HC onto an adsorbent below 200-250 °C, and then to oxidize them at higher temperatures over a conventional oxidation catalyst. However, few publications in the literature deal with the adsorption / desorption of a complex mixture of HC, especially in the presence of inhibitors. In this study, we tried to assess in which extent structural and chemical properties of zeolite adsorbents could affect the adsorption and desorption characteristics of a model mixture of HC (propene, toluene, decane) in the absence/presence of inhibitors (NOx, H2O, COx ..). For this purpose, three sets of tests were performed in order to measure the respective influences of: (i) the composition of the HC mixture (ternary/binary) and the presence of water on the HY zeolite (with the faujasite structure) for several Si/Al ratios; (ii) the incorporation of a metallic cation (Cu, Pt, Ce, Cs) in the HY zeolite (Si/Al = 5); (iii) the topology and porosity of protonated zeolite (FAU, BEA, MOR, MFI, FER, LTA structures). The textural, structural and chemical properties of the studied zeolites were systematically characterized by nitrogen porosimetry, XRD, FTIR / ATR, DRS-UV-Vis, FTIR of CO, NO and adsorbed pyridine. In general, the breakthrough curves obtained with different compositions indicate that the distribution of each HC is strongly affected by the presence of other compounds present simultaneously in the porous network. For protonated Y zeolites, low Si/Al ratios promote selectively the adsorption of unsaturated HC while the more hydrophobic zeolites (for higher Si/Al ratios) preferentially adsorb decane. Among the various tested inhibitors (CO, NOx, H2O), only water has a strong influence on the adsorption capacities at low Si/Al ratios, due to a competitive adsorption with HC on acid sites. The incorporation of metallic species in the HY-5 zeolite enhances the selectivity for the adsorption of unsaturated hydrocarbons and especially the light ones (propene). TPSR experiments under reactive atmosphere showed that the presence of new Lewis acid sites Cu+ and/or Cu2+ on an exchange site strongly improves the NOx reduction by pre-adsorbed HC. The impregnated Pt-zeolite has a typical behaviour of an oxidation catalyst, all of the carboneous compounds (HC, CO,...) being completely converted to CO2 from 300 °C. The study of adsorption/desorption characteristics of HC among different zeolitic structures show that the topology and the strength of acid sites are also critical for the HC trapping. All these results allow to consider using some of these tested formulations for a "cold-start" application

Les travaux présentés ont pour objectif la valorisation de déchets industriels riches en carbonates pour la préparation de gels phosphocalciques. Ces gels sont destinés à des applications environnementales. Leur synthèse est basée sur la réaction des carbonates de calcium avec une solution de phosphates solubles à température ambiante et à pression atmosphérique. Le procédé élaboré à l’échelle laboratoire consiste à additionner les réactifs en variant les paramètres expérimentaux tels que le Ca/P, la température et la dilution. Cette méthode a été utilisée pour la synthèse de gels à partir de deux types de déchets industriels. Une synthèse de référence a été définie à base de carbonates de calcium purs. Dans la première partie de ce travail, une caractérisation physico-chimique et thermique des poudres synthétisées a été réalisée par différentes techniques telles que le Microscopie Electronique à Balayage (MEB), la diffraction des rayons X (XRD), la spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR) et la thermogravimétrie. Les résultats obtenus ont montré la formation de précurseurs de Ca-HAp qui évoluent de phosphates de calcium monocalciques à des particules de Ca-HAp amorphe. Une chronologie de cette évolution a été mise en évidence pour les carbonates de calcium purs et confirmée pour les carbonates de calcium issus des déchets industriels. La transformation des carbonates de calcium a été étudiée en réalisant un bilan massique basé sur la consommation des carbonates de calcium. Ce bilan, réalisé à température ambiante, a confirmé un taux de conversion à plus de 90% pour les carbonates de calcium purs, jusqu’à 70% des carbonates issus du premier type de déchet et 50% des carbonates correspondant au deuxième type de déchet. L’influence de certains paramètres expérimentaux s’est avérée primordiale pour l’amélioration de ce taux de conversion et particulièrement l’augmentation de la température. Dans la deuxième partie de ce travail, les propriétés rhéologiques des gels phosphocalciques ont été étudiées. Le suivi de la viscosité et des caractéristiques élastiques a permis de mettre en évidence la formation d’un gel viscoélastique qui pourrait présenter de nombreux avantages dans des applications environnementales. / The aim of this research was the valorization of industrial wastes rich in carbonates to prepare calcium phosphate gels for environmental applications. The phosphocalcic gel was prepared by precipitation from calcium carbonate industrial waste and a phosphate solution. The process consisted in mixing the reagents under a set of variable parameters (pH, Ca / P, temperature, dilution) to study the influence of each parameter on the conversion rate and the adsorption properties of the synthetized material. A reference hydroxyapatite was prepared following the same procedure with a commercial carbonate grade (98% wt), in order to compare with the waste-made hydroxyapatite. The characterization and chemical analysis of synthetized hydroxyapatites were carried out by means of rheology, particle size, Scanning Electron Microscopy, BET, ThermoGravimetric Analysis – Differential Scanning Calorimetry, X Ray Diffraction and Infrared spectroscopy (Fourrier Transformation Infra Red) analysis. The results obtained led to find out the chronology of the carbonates conversion into Ca-Hap precursors and particles of amorphous Ca-HAp. The kinetics show that the conversion rate is about 90% (wt) for pure CaCO3, 70% for the first waste and 50% for the second waste. Monitoring the viscosity and elastic properties has allowed us to demonstrate the formation of a viscoelastic gel. The synthesis of an elastic gel of calcium phosphate using CaCO3 waste seems to be a promising way to transform calcium residues into a valuable sorbent. Valorization of this gel in environmental applications for pollution remediation seems to be an advantageous perspective.

Les sources secondaires de métaux précieux, tels que les déchets électroniques, ont récemment attiré l’attention générale suite à la sensibilisation sur l’épuissement des ressources naturelles et sur l’industrie du recyclage sur l’emploi et la croissance économique. Developper des technologies de recyclage qui permettent l’extraction de palladium (Pd) et d’or (Au) en très faibles concentrations (10-100 ppm) dans les effluents électroniques s’avère aujourd’hui économiqueemnt viable.Dans ce contexte, notre étude aborde l’utilisation de nanoparticules de ZrO2 modifiées avec des ligands complexants en surface pour capturer efficacement et sélectivement des ions Pd(II) et Au(III) dan les effluents électroniques. Les avantages de l’utilisation de acide thioctique commercial (TOA) par rapport aux acides dialkyldiglycoamide ou (N, N)-dialkylcarbamoylméthylphosphoniques en termes de capacité d’adsorption et de sélectivité ont été démontrés. Des expériences d’adsorption en mode batch combinées à la méthode ICP-OES ont été réalisées et nos résultats ont montré des capacités d’adsorption envers le Pd et l’Au de 6.3 mg/g et de 43 mg/g, respectivement. Les processus d’adsorption suivaient le modèle de Langmuir et les cinétiques chimiques d’adsorption étaient mieux adaptés à l’équation du pseudo-second ordre. Les conditions d’optimisation pour la mise en place du stripping sélectif à l’aide de solutions acidifiées de thiourée ont également été étudiées. En particulier, afin d’améliorer la réutilisation de ce matériau hybride, des processus de modification des surface en deux étapes ont été développés par fonctionnalisation de la surface de nano-ZrO2 avec de l’acide alendronique et par une réaction de couplage peptidique avec du TOA.De plus, les procédés de greffage de nano-ZrO2 sur un textile en polypropylène modifié avec les groupements carboxylique ont été étudiés via des méthodes traditionnelles de revêtement par immersion (dip-coating) et de revêtement couche par couche (LbL). Cette dernière s’est avérée être une méthode prometteuse en termes de flexibilité, de facilité de manipulation et de respect de l’environnment. Les nanocomposites obtenus ont démontré d’excellentes propriétés d’adsorption de Pd et d’Au / Secondary sources of precious metals, such as e-waste, have been recently gaining more attention thanks to raising awareness of natural resources depletion and sound impact of recycling industry on employment and economic growth. Recycling technologies have now to be developed, enabling extraction of very small concentration (10-100 ppm) of precious metals, such as palladium (Pd) and gold (Au), from effluents of recycling factories economically viable.In this context, our study addresses the use of thioctic surface-modified zirconia nanoparticles to capture efficiently and selectively Pd(II) and Au(III) ions from industrial electronic wastewater. The advantages of using the commercial thioctic acid (TOA) over dialkyldiglycoamide or (N,N)-dialkylcarbamoylmethylphosphonic acids ones in terms of adsorption capacity and selectivity were demonstrated. Batch-mode adsorption experiments combined with ICP-OES method were conducted and our findings have displayed adsorption capacities toward Pd and Au of 6.3 mg/g and 43.3 mg/g, respectively. The adsorption processes were found to follow the Langmuir model and adsorption rates were best-fitted to pseudo-second order equation. The optimization conditions for selective stripping set-up using acidified solutions of thiourea were also investigated. Particularly, in order to improve the reusability of this hybrid nanomaterial, two-step surface modification processes were developed through alendronic acid-surface functionalization of nano-ZrO2 and amide coupling reaction with TOA.Furthermore, the grafting processes of nano-ZrO2 onto carboxylic-modified polypropylene textile were studied via traditional dip-coating and layer-by-layer coating methods. It has been realized that layer-by-layer coating method is a promising method in terms of its flexibility, ease of handling, and environmental friendliness

Dans certains cas, la concentration du gaz à détecter est si faible qu'elle est en dessous de la limite de détection des capteurs usuels et donc la présence d'une unité de préconcentration en amont du capteur devient indispensable. Le principe de cette technique repose l'accumulation du gaz à détecter au moyen d'un adsorbant qui , ensuite sous l'effet d'une hausse brusque de la température, est désorbé puis redirigé vers un détecteur, entraînant ainsi une amplification de la concentration du gaz vu par ce détecteur. Cette thèse présente le développement d'un préconcentrateur pour la détection de substances chimiques à l'état de trace gaz. Ce micro-préconcentrateur sera constitué d'un microcomposant en silicium rempli d'un adsorbant et muni d'une résistance chauffante à son dos et de capillaires métalliques servant de connectiques fluidique à l'entrée et à la sortie du dispositif. La particularité de ce dispositif repose sur son applicabilité aussi bien dans le domaine de la surveillance de la pollution atmosphérique (Benzène, Toluène, Xylène...) que la détection d'explosifs (composés nitroaromatiques). Différents modèles de micro-dispositifs ont été étudiés et une attention particulière a été consacrée au carbone adsorbant. L'optimisation et le fonctionnement de ce système de préconcentration ont été étudiés suivant son application future. En plus, les avantages de l'utilisation de silicium poreux pour faciliter la fixation de l'adsorbant dans le réacteur et modifier la cinétique de désorption de gaz ont été également étudiés.

Une nouvelle technique de dépôt de phases stationnaires solides pour la fabrication de micro colonnes de chromatographie en phase gazeuse a été proposée : pour dépasser les limites des phases stationnaires liquides conventionnelles (ou occasionnellement solides) en termes de rétention des composés très volatiles et/ou de fabrication par lots en salle blanche, une approche consistant en le dépôt direct de l'adsorbant sur le substrat par pulvérisation cathodique a été mise en œuvre. La méthode est par nature compatible avec le procédé de fabrication en salle blanche et industrialisable, et a montré de bons résultats en termes de précision. La séparation d'hydrocarbures volatiles a été rendue possible sur silice, alumine, graphite et magnésie. Différents types de colonnes (structure, phase stationnaire) ont été fabriquées sous la forme de puces en silicium de 2x2 cm², et leurs caractérisations thermodynamique et cinétique ont été réalisées. Des efficacités très satisfaisantes ont été obtenues (plus de 5700 plateaux, des hauteurs de plateau de 250 µm). La possibilité d'utiliser des colonnes à phase stationnaire déposée par pulvérisation cathodique pour l'analyse automatisée en temps réel d'hydrocarbures légers sur site pétrolier a été démontrée par l'implémentation d'un système de programmation en température de la puce et divers tests d'adaptabilité (haute température, gaz vecteur, humidité) : une séparation complète des alcanes linéaires C1-C9 en moins de 15 secondes a été obtenue, ainsi que des séparations de mélanges plus complexes (isomères, insaturés). Une application industrielle confidentielle a été brevetée et développée.

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