La synthèse du méthylmercaptan CH3SH, précurseur de la méthionine, un acide aminé essentiel, est réalisée industriellement par réaction catalytique entre le méthanol et l’H2S. Cette réaction est rapide et sélective mais l’emploi du méthanol lui-même synthétisé par étapes successives (CH4 + H2O -------> CO/H2 --------> Méthanol) rend attractive une synthèse du méthylmercaptan s’effectuant directement à partir d’un mélange CO/H2 et H2S. Jusqu’à présent, les recherches effectuées sur cette nouvelle voie de synthèse se sont plus particulièrement attachées à l’amélioration des performances catalytiques. Dans ce travail, nous avons cherché, tout en améliorant les performances catalytiques, à déterminer la nature de la phase active. Des catalyseurs de type K-Mo(W) supportés sur alumine, silice et hydroxyapatite ont été utilisés dans ce travail. Différentes teneurs en métaux et différents pré-traitements catalytiques ont été étudiés. La présence simultanée du potassium et du molybdène dans le système catalytique permet d’atteindre des valeurs importantes de conversion du CO et de sélectivité en CH3SH, voire une diminution de la sélectivité en CO2. Dans notre étude, la productivité la plus élevée en méthylmercaptan est obtenue avec un catalyseur K2MoO4/Al2O3 chargé à 17 % en Mo et atteint 211,4 g.h-1.L-1. La caractérisation par XPS a été largement mise à profit et a permis de mettre en évidence sur les catalyseurs la présence d’une nouvelle phase de type KxMS2 (M = Mo or W) pour laquelle les ions potassium sont intercalés entre les feuillets de disulfure de molybdène (tungstène). La quantité de cette phase a été reliée à l’activité catalytique dans la réaction de synthèse du méthylmercaptan à partir du mélange CO/H2/H2S nous permettant de proposer cette phase intercalée comme phase active du catalyseur de thiolation. / Methyl mercaptan (CH3SH), widely used as raw material for the production of organosulfur compounds such as methionine, is commercially synthesized by the reaction of methanol with hydrogen sulfide. Although the formation of CH3SH from CH3OH/H2S route is a fast and selective reaction, a several-steps pathway is required for the synthesis of methanol (CH4 + H2O --------> Syngas --------> Methanol). In this regard, the one-step synthesis of methyl mercaptan from simple starting materials (syngas + hydrogen sulfide) is increasingly attractive for industrial application. So far, the disclosed researches in CH3SH production by this route have been focused in the improvement of catalytic performances. In this work, the improvement of catalytic performances as well as the understanding of the nature of the active phase has been studied. K-Mo(W)-based catalysts supported on alumina, silica and hydroxyapatite were used with this purpose. Different metal loading and catalytic pretreatment were evaluated. The simultaneous presence of Mo and K in the catalytic system allows achieving higher CO conversions and CH3SH selectivity and a decrease in CO2 selectivity. The higher CH3SH productivity was achieved with a high loaded K2MoO4/Al2O3 catalyst (211,4 g.h-1.L-1). With the study and analysis of a series of reference catalysts characterized by XPS, we evidenced the presence of a new phase named KxMS2 (M = Mo or W) in which potassium cations are intercalated between the Mo(W)S2 layers. By correlating the amount of KxMS2 phase with the catalytic performances, we observed that the higher the amount of KxMS2 phase in the catalyst, the higher the CO conversion in the reaction of syngas with hydrogen sulfide to produce CH3SH. Based on these statements we propose that KxMS2 is the active phase acting in the reaction of thiolation of syngas.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2006-2007 / Le sulfure d'hydrogène (H2S) et le méthyle-mercaptan (MM) sont les contaminants odorants les plus abondants parmi le quatuor qui compose les soufres réduits totaux (SRT) (H2S, CH3SH, (CH3)2S, (CH3)2S2) dans les émissions atmosphériques des industries papetières Kraft. L'association de SRT avec suffisamment d'oxygène peut être exploitée sur la base de la chimie du fer, pour convertir les SRT gazeux en produits non-volatils et non-odorants. Le procédé utilise l'oxyde-hydroxyde de Fe/Ce (Fe/CeOx) dans des solutions alcalines où l'absorption oxydative de H2S et de MM (sous forme d’ hydrosulfure et de méthyle mercapture) est favorisée. Des protocoles d'électrophorèse capillaire ont été développés pour la séparation, l'identification et la quantification de l’hydrosulfure, du méthyle mercapture, des polysulfures, du thiosulfate, du sulfate, du sulfite et du tétrathionate. La cinétique et le mécanisme de la réaction anoxique entre l’hydrosulfure et le Fe/CeOx ont été étudiés aux pH [8.0-11.0] dans un réacteur batch liquide-solide. La plupart du Fe(II) produit à pH = 9.5 reste associée à la surface de l'oxyde dans l’échelle de temps des expériences. L’hydrosulfure a été converti en thiosulfate, polysulfures et, probablement, en soufre élémentaire, alors que le Fe2+ lixivié et le thiosulfate ont montré une production équimolaire pour pH ≥ 9.5. Un mécanisme de réaction détaillé pour l'oxydation anoxique d’hydrosulfure par le Fe/CeOx a été proposé pour expliquer la formation des produits ci-dessus et dont un modèle cinétique a été dérivé pour décrire les vitesses de lixiviation du Fe(II) et de consommation d’hydrosulfure. En conditions oxiques à pH [8.5-11.0], le Fe/CeOx oxyde l’hydrosulfure via une voie combinée hétérogène-homogène pour former les mêmes produits qu’en anoxique. L'oxygène accélère l'oxydation de l’hydrosulfure par le Fe/CeOx par un facteur de plus de trois en comparaison avec la réaction anoxique. L'oxygène assume un double rôle : d'abord, il ré-oxyde le fer de Fe(II) à Fe(III); en second lieu, il favorise l'oxydation de l`hydrosulfure vers les polysulfures et de ces-ci vers le thiosulfate, un produit non-volatile et non-odorant. L'oxydation du méthyle mercapture par Fe/CeOx a été étudiée aux différentes valeurs du pH [10.5-12] en conditions anoxique et oxique. Des conversions de mercapture allant jusqu'à 100% ont été obtenues en conditions oxiques bien que la conversion du mercapture se soit avérée tributaire de la quantité d'oxygène dissous. L'interférence avec l’hydrosulfure co-mélangé avec le mercapture a causé une inhibition dans la conversion des deux polluants. Une telle inhibition est due aux polysulfures naissants formés par l'oxydation de l’hydrosulfure. L'oxydation du méthyle mercapture par le système Fe/CeOx/O2 n'a pas affecté la capacité de régénération du Fe(III) de surface par l'oxygène dissous. Fe/CeOx semble être un matériau très prometteur pour un éventuel procédé de lavage-oxydatif pour l’élimination du méthyle mercaptan dans les émissions des industries papetières de type Kraft. / Hydrogen sulfide (H2S) and methyl mercaptan (MM) are the most abundant odor contaminants among the Total Reduced Sulfur (TRS) quartet (H2S, CH3SH, (CH3)2S, (CH3)2S2) contained in the Kraft mill atmospheric emissions. The association of TRS with sufficient oxygen could be taken advantage of, based on the iron chemistry, to convert TRS gases to odorless non-volatile products. The process uses Fe/Ce oxide-hydroxide (Fe/CeOx) slurried in alkaline solutions where both H2S and MM oxidative absorption (in the form of hydrosulfide and methyl mercaptide) is promoted. Capillary electrophoresis protocols were developed for the separation, identification and quantification of hydrosulfide, methyl mercaptide, polysulfides, thiosulfate, sulfate, sulfite and tetrathionate. The kinetics and mechanism of the anoxic reaction between hydrosulfide and Fe/CeOx were studied for pH [8.0-11.0] in a batch slurry reactor. Most of Fe(II) produced at pH = 9.5 remained associated with the oxide surface in the time-frame of the experiments. Hydrosulfide was converted into polysulfides, thiosulfate and, probably, elemental sulfur, while the leached Fe2+ and thiosulfate dovetailed equimolarly. A detailed reaction pathway of the anoxic oxidation of hydrosulfide by Fe/CeOx was proposed for explaining the formation of above products and whereof a kinetic model was derived to depict the Fe2+ leaching and hydrosulfide consumption rates. In oxic conditions at pH [8.5-11.0], Fe/CeOx will oxidize hydrosulfide via a combined heterogeneous-homogenous pathway to yield the same products as in anoxia. Oxygen enhanced Fe/CeOx-promoted hydrosulfide oxidation by more than a factor three when compared with anoxic reaction. Oxygen is believed to have a double role: first, it re-oxidizes iron from Fe(II) to Fe(III); second, it promotes oxidation of hydrosulfide to polysulfides which in turn transforms into non-volatile, non-odorous thiosulfate. The reaction between methyl mercaptide and Fe/CeOx was studied at different pH values [10.5-12] both in anoxic and oxic conditions. Up to 100% conversions of mercaptide were obtained in oxic conditions, though the mercaptide conversion was found to be tributary to the dissolved oxygen. Interference with hydrosulfide co-mixed with mercaptide caused an inhibition in the conversion for both pollutants, due to the incipient polysulfides formation. The oxidation of methyl mercaptide by the Fe/CeOx/O2 system did not affect the re-oxidative regeneration of surface Fe(III) by O2. Fe/CeOx appears to be a very promising material for a redox-scrubbing process targeting the TRS emissions from Kraft mills, via in situ regeneration of Fe(III) sites by O2.

Le méthanethiol est un intermédiaire clé dans la synthèse de la méthionine, un acide aminé largement utilisé dans l'industrie agro-alimentaire. / Methanethiol is a key intermediate in methionine synthesis, an amino-acid which is widely used in food-processing industry.

La détection et l'identification de bactéries pathogènes revêt une grande importance dans de nombreux domaines tels que la santé et l'industrie agroalimentaire. Dans ce contexte, les travaux de thèse s'intéressent à détection non invasive de Salmonella via la fraction volatile de son métabolome dont les métabolites volatils caractéristiques sont le sulfure d'hydrogène et la cadavérine. Ils illustrent également le concept de substrats osmogènes libérant des mCOV exogènes sous l'action d'enzyme spécifique d'Escherichia coli. Un premier capteur colorimétrique capable de distinguer le sulfure d'hydrogène du méthanethiol a été préparé. Il s'agit d'une matrice de silicate nanoporeuse dopée avec les réactifs N,N-diméthyl-p-phénylènediamine et ions Fe3+. Une bonne stabilité de l'intermédiaire réactionnel issu de ces réactifs, la quinonediimine (QD), est obtenue pour une forte concentration d'acide chlorhydrique. La réaction entre QD et 1000 ppm de sulfure d'hydrogène et de méthanethiol entraîne l'apparition respective d'une coloration verte et rouge-marron du capteur. Le capteur fluorimétrique de cadavérine, basé sur la formation d'un complexe fluorescent entre le Naphthol AS-BI déméthylé (ArOH) et la cadavérine, permet de détecter 250 ppb de cadavérine. La preuve de concept de substrats osmogènes a été illustrée avec la détection de p-nitrophénol (pNP) et de β-naphthylamine (β-NA) libérés en présence d'enzymes de E. coli, β-D-glucuronidase et L-alanine- β-naphthylamidase. Les capteurs nanoporeux produits, de taille de pores contrôlée, peuvent détecter 100 ppm de pNP, composé coloré (jaune) et 100 ppm de β-NA, composé fluorescent, ou encore 100 ppm de β-NA par dérivation chimique de ce dernier avec le diméthyl-p-aminocinnamaldéhyde (formation d'un produit rouge). En milieu biologique, l'eau est un interférent majeur.

Le méthanethiol (MeSH) est un intermédiaire important dans la synthèse de la méthionine, un acide aminé largement utilisé dans l'industrie agro-alimentaire. Le marché étant en constante augmentation, il est indispensable d'optimiser la formation de MeSH à partir de méthanol (MeOH) et de sulfure d'hydrogène (H2S) en présence de K2WO4/Al2O3 (10,5 % massique). L'impact de paramètres clés, tels la conversion du méthanol, la température ou le rapport molaire H2S/MeOH a été étudié dans des conditions proches de celles du procédé. Un fort effet inhibiteur de l'eau, co-produit de la réaction, a été mis en évidence, aussi bien sur l'activité catalytique que sur les sélectivités des différents produits. En revanche, le dioxyde de carbone (CO2) et le monoxyde de carbone (CO), produits non valorisables, n'ont aucun impact sur les performances du catalyseur. Un schéma réactionnel complet a été établi rendant compte de la formation des différents produits de réaction. Un modèle cinétique faisant intervenir le formalisme de Langmuir-Hinshelwood, en accord avec les résultats expérimentaux, a été développé.La caractérisation du catalyseur K2WO4/Al2O3 a confirmé que le site actif est une paire acide-base, l'acidité étant apporté par le tungstène alors que le potassium génèrerait une basicité à la surface du matériau. A partir de ces observations, la mesure des performances catalytiques de solides à base de terres rares, présentant une acidité et une basicité plus fortes, montre que ceux-ci sont plus actifs que le catalyseur K2WO4/Al2O3, tout en conservant une sélectivité en MeSH similaire. / Methanethiol (MeSH) is a key intermediate involved in the synthesis of methionine, an essential amino acid widely used in food-processing industry. Given that methionine market is constantly growing, optimizing MeSH production from methanol (MeOH) and hydrogen sulfide (H2S) is of paramount importance. The impact of key parameters, such as MeOH conversion, temperature, or H2S/MeOH molar ratio has been studied in a range consistent with industrial conditions. A strong inhibiting effect of water (which is the co-product of the reaction) has been highlighted, both on catalytic activity and selectivities towards the different products. However, carbon dioxide (CO2) and carbon monoxide (CO), which are non-recoverable products, have no influence on catalytic performances. A complete reaction scheme accounting for the formation of the different reaction products has been proposed. A kinetic model using Langmuir-Hinshelwood formalism was developed, which affords precise estimation of experimental data.Characterization of K2WO4/Al2O3 catalyst confirmed that acid-base dual sites were the active sites responsible for MeSH formation. Acidity is mainly brought by tungsten species whereas potassium addition allows increasing the basicity of the catalyst. Based on these observations, the catalytic performances of rare-earth based oxides, which possess stronger acidity and basicity, have been measured. These materials exhibit significantly higher activity than K2WO4/Al2O3 catalyst, with similar MeSH selectivity.

La détection et l'identification de bactéries pathogènes revêt une grande importance dans de nombreux domaines tels que la santé et l’industrie agroalimentaire. Dans ce contexte, les travaux de thèse s’intéressent à détection non invasive de Salmonella via la fraction volatile de son métabolome dont les métabolites volatils caractéristiques sont le sulfure d’hydrogène et la cadavérine. Ils illustrent également le concept de substrats osmogènes libérant des mCOV exogènes sous l’action d’enzyme spécifique d’Escherichia coli. Un premier capteur colorimétrique capable de distinguer le sulfure d’hydrogène du méthanethiol a été préparé. Il s’agit d’une matrice de silicate nanoporeuse dopée avec les réactifs N,N-diméthyl-p-phénylènediamine et ions Fe3+. Une bonne stabilité de l’intermédiaire réactionnel issu de ces réactifs, la quinonediimine (QD), est obtenue pour une forte concentration d’acide chlorhydrique. La réaction entre QD et 1000 ppm de sulfure d’hydrogène et de méthanethiol entraîne l’apparition respective d’une coloration verte et rouge-marron du capteur. Le capteur fluorimétrique de cadavérine, basé sur la formation d’un complexe fluorescent entre le Naphthol AS-BI déméthylé (ArOH) et la cadavérine, permet de détecter 250 ppb de cadavérine. La preuve de concept de substrats osmogènes a été illustrée avec la détection de p-nitrophénol (pNP) et de β-naphthylamine (β-NA) libérés en présence d’enzymes de E. coli, β-D-glucuronidase et L-alanine- β-naphthylamidase. Les capteurs nanoporeux produits, de taille de pores contrôlée, peuvent détecter 100 ppm de pNP, composé coloré (jaune) et 100 ppm de β-NA, composé fluorescent, ou encore 100 ppm de β-NA par dérivation chimique de ce dernier avec le diméthyl-p-aminocinnamaldéhyde (formation d’un produit rouge). En milieu biologique, l’eau est un interférent majeur. / Microbial contamination of food and biological samples is a big issue in the industry as much as in the medical field. In that context, the present thesis brings innovative solutions. A first explored way is the identification of Salmonella by detecting and measuring the specific metabolomics volatile organic compounds (mVOC) released, H2S and cadaverine. Another new concept is the use of osmogenic substrates able to release mVOC under the action of specific enzyme of Escherichia coli.A first colorimetric sensor able to discriminate H2S from CH3SH was produced, using a nanoporous silicate matrix doped with N,N-dimethyl-p-phenylenediamine and Fe3+ ions. A very acidic medium is needed to stabilize the “key” intermediate of the reaction, the quinonediimine species (QD), which gives with H2S and CH3SH a green and red-brown product, respectively. The fluorimetric sensor of cadaverine is based on the formation of a fluorescent complex between AS-BI demethylated Naphthol and cadaverine and can detect 250 ppb of cadaverine. A proof of concept of osmogenic substrates is given with the detection of p-nitrophenol (pNP) et de β-naphthylamine (β-NA) released under the action of Escherichia coli enzymes, β-D-glucuronidase et L-alanine- β-naphthylamidase. Various nanoporous sensors are produced with tailored pore size, which can detect 100 ppm of the yellow pNP, 100 ppm of the fluorescent β-NA and 100 ppm of the red product issued from the derivation of β-NA with dimethyl-p-aminocinnamaldehyde. In biological media, water remains the major interfering agent.