Thèse doct.-ing.--Chimie organique--Rueil-Malmaison--École nationale supérieure du pétrole et des moteurs, 1982. / Bibliogr. p. 123-129.

Thèse doct.-ing.--Rueil-Malmaison--École nationale supérieure du pétrole et des moteurs, 1982. / 1982 d'après la déclaration de dépôt légal. Bibliogr. p. 190-196.

Thèse doct.-ing.--Paris VI, 1979. / 1980 d'après la déclaration de dépôt légal. Bibliogr. p. 203-212.

Thèse de doctorat : Génie des procédés et des produits : INPL : 2008. / Titre provenant de l'écran-titre.

Th. Univ.--Sci. de l'ing.--Paris 13, 1993. / Bibliogr. f. 134-142.

Les crises liées à la dégradation de l'environnement et à la diminution des ressources naturelles renforcent la nécessité de prolonger la durée de vie de tout matériau résiduel ou sous-produit indésirable dans les systèmes de production et de consommation. Dans ce contexte, l'idée de développer de nouveaux catalyseurs en utilisant des déchets solides industriels est un sujet émergent, qui s'inscrit bien dans le concept de développement durable. D'autre part, en raison des progrès rapides de la technologie, de l'industrie et de l'information, l'offre en énergie sera difficilement capable de répondre à la demande mondiale croissante. L'importance de fournir cette énergie de manière durable afin de rencontrer les objectifs des efforts mondiaux de lutte contre les changements climatiques a renforcé l'intérêt pour le développement de biocarburants hydrocarbonés renouvelables tels que le biodiesel. Au cours des dernières décennies, avec la croissance de la production de biodiesel, le monde a été confronté à un excédent de glycérol comme sous-produit résiduel provenant du processus de production commun de transestérification. Afin de réduire l'impact environnemental négatif de cet excédent de glycérol et d'accroître la rentabilité de l'industrie du biodiesel, ce déchet devrait être impliqué dans une économie circulaire environnementale et durable. De récentes recherches ont démontré qu'il existe un grand potentiel pour l'utilisation du glycérol résiduel du biodiesel dans le secteur des énergies renouvelables. Il est possible d'y parvenir par divers procédés, notamment la gazéification, la pyrolyse, la combustion, la liquéfaction et le reformage à la vapeur. Parmi ceux-ci, le reformage à la vapeur est considéré comme l'une des méthodes les plus prometteuses pour convertir le glycérol en hydrogène (en tant que vecteur d'énergie verte et matière première essentielle dans les raffineries et les industries chimiques), car sa mise à l'échelle industrielle ne nécessiterait pas de modifications importantes des infrastructures de reformage du gaz naturel existantes. Compte tenu de l'importance de ces enjeux, cette thèse se penche sur le développement de nouveaux catalyseurs par la valorisation d'un résidu solide métallurgique (UGSO) pour la production d'hydrogène (syngas) via le reformage à la vapeur de glycérol (GSR). Plus précisément, les trois principaux objectifs de cette étude sont les suivants: (i) l'étude du potentiel de l'UGSO comme support/promoteur pour catalyseurs à base de Ni (Ni-UGSO), (ii) l'analyse approfondie de l'effet des paramètres de synthèse du catalyseur (charge de métal actif et méthode de préparation) sur les propriétés physico-chimiques et la performance du catalyseur, ainsi que l'étude de l'effet de la température de réaction en examinant le rôle des principales réactions secondaires dans le réseau réactionnel du procédé reformage (y compris les réactions de water-gas shift (WGS), de Boudouard, de méthanisation du CO et du CO₂, et la réaction inverse de WGS), et (iii) la comparaison des caractéristiques structurelles et de la performance catalytique du Ni-UGSO avec celles des catalyseurs à base de métaux nobles(Ru-UGSO et Rh-UGSO) reconnus comme hautement efficaces dans les procédés de reformage à la vapeur. (i) Le catalyseur préparé par l'incorporation de 12,5 % massique de Ni dans l'UGSO a été évalué pour l'application dans le procédé de GSR dans des conditions opératoires spécifiques suggérées comme optimales par l'analyse thermodynamique (T=580 °C, P=1 bar, et S/C=3). En comparant avec un catalyseur commercial de reformage à la vapeur à base de Ni, les résultats furent prometteurs, notamment en termes de formation de coke. Les principales propriétés intéressantes du catalyseur Ni-UGSO ont été suggérées comme étant : (i) la dispersion et l'ancrage des particules de Ni par la formation d'oxydes mixtes nickel-fer ainsi que nickel-magnésium, (ii) l'absence de phases métalliques libres par la formation d'alliages Ni-Fe après un prétraitement de réduction, et (iii) le caractère basique de l'UGSO dû à la présence d'oxydes tels que MgO, CaO, K₂O et MnO, qui pourrait favoriser l'adsorption dissociative de l'eau et la réaction de WGS. Ces résultats ont prouvé la capacité de l'UGSO promu par le Ni à agir comme un puissant catalyseur dans le procédé de GSR. (ii) Les résultats d'une étude détaillée sur les effets des paramètres de synthèse sur la performance du catalyseur Ni-UGSO ont révélé que la meilleure performance catalytique GSR a été obtenue en incorporant 5 % massique de Ni par la méthode d'imprégnation à l'état solide (SSI-5%Ni-UGSO), où des oxydes mixtes nickel-fer avec un rapport Ni/Fe optimal (comme NiFe₂O₄) et des oxydes mixtes nickel-magnésium riches en Mg (comme 3MgO.NiO) ont été formés. La performance supérieure du catalyseur SSI-5%Ni-UGSO optimisé est principalement due à (i) l'effet synergique entre le Ni et les espèces d'oxyde de fer partiellement réduites sur les sites actifs Ni-Fe[indice x]O[indice y] (plutôt que les alliages métalliques Ni et/ou NiFe) où le glycérol est activé sur les espèces Ni et les atomes d'oxygène sont fournis à l'intermédiaire carboné à partir du Fe[indice x]O[indice y] voisin, et (ii) aux propriétés fondamentales du MgO en contact étroit avec le Ni, qui favorise la dissociation de l'eau en groupes hydroxyle et aide à gazéifier les précurseurs de coke déposés sur la surface du catalyseur. Pour des températures supérieures à 580 °C, des conversions presque complètes du glycérol en produits gazeux ont été obtenues avec le catalyseur SSI-5%Ni-UGSO dans les conditions opératoires choisies (S/C=3, FI=1.1, GHSV=10,966 cm³ (STP) gcat⁻¹ h⁻¹). Un rendement en H₂ plus élevé (80.7 %) et une très faible formation de coke (0.59 mg[indice coke] h⁻¹(m²/g[indice cat])⁻¹) sont des avantages de l'opération à 580 °C en favorisant la réaction WGS, tandis que l'augmentation de la température à 730 °C permet de supprimer presque entièrement la formation de coke (0.18 mg[indice coke] h⁻¹(m²/g[indice cat])⁻¹) principalement en limitant la réaction de Boudouard, avec l'inconvénient d'un rendement en hydrogène plus faible (59.4 %). (iii) Les résultats d'une étude exhaustive sur la performance des catalyseurs UGSO promus au M (M= 1%Ru, 1%Rh, 5%Ni) ont révélé que la tendance du métal incorporé à interagir avec les oxydes contenant du Mg/Fe déjà existants dans l'UGSO joue un rôle crucial (i) dans la disponibilité de surface du métal correspondant, (ii) les changements structurels après réduction et (iii) la stabilité du catalyseur. En plus d'offrir une meilleure stabilité, le catalyseur 5% Ni-UGSO a montré une performance (conversion du glycérol en produits gazeux de 100% et rendement en H₂ de 74%) comparable à celle de 1% Rh-UGSO (100% et 78%, respectivement) ou même dépassant celle de 1% Ru-UGSO (94% et 71%, respectivement), en tant que catalyseurs à base de métaux nobles. Une coopération synergique entre les métaux incorporés (M) et les espèces contenant du Fe/Mg au sein de l'UGSO a permis d'améliorer l'activation du glycérol et de l'eau. Les résultats plus faibles observés pour Ru-UGSO pourraient s'expliquer par un manque de propension à l'interaction MgO-RuO₂ sur la surface de l'UGSO. Compte tenu du prix nettement inférieur du Ni par rapport au Rh (1/5526 du prix moyen du Rh en 2018), un rendement en hydrogène légèrement supérieur (78 contre 74 %) et une différence insignifiante dans la formation de coke (0 contre 0,01 g[indice coke] h⁻¹ gcat⁻¹) ne justifient pas économiquement l'utilisation du catalyseur 1 % Rh-UGSO à la place de 5 % Ni-UGSO. En conclusion, les résultats présentés dans cette thèse prouvent la capacité de l'UGSO comme support/promoteur prometteur dans la formulation de catalyseurs actifs, sélectifs, stables et rentables pour la production d'hydrogène via le procédé de GSR, spécialement en raison de(i) la présence d'oxydes (principalement des oxydes de magnésium et de fer) reconnus pour leur capacité à éviter la formation de carbone (la principale cause de désactivation du catalyseur dans le reformage à la vapeur des hydrocarbures oxygénés) et (ii) sa structure cristalline de type spinelle avec des cations métalliques échangeables distribués de manière homogène, qui peut fournir une bonne matrice pour la dispersion de métaux actifs conduisant à une coopération synergique entre les particules de métaux actifs incorporées (en particulier le Ni, très accessible et bon marché) et les autres constituants déjà présents dans l'UGSO. De telles approches, dans lesquelles les déchets industriels issus de divers procédés sont utilisés ensemble pour des applications environnementales, sont non seulement cohérentes avec les concepts d'écologie industrielle et de développement durable, mais sont également classées comme le niveau le plus sophistiqué de valorisation des déchets. / The crises related to the environmental degradation and shrinking natural resources reinforces the necessity of extending the life of any residual material or unwanted by-product in the production and consumption systems. In this context, the idea of developing new catalysts using industrial solid wastes is an emerging topic, which aligns well with the concept of sustainable development. On the other hand, due to the rapid technological, industrial, and informational advancements, the energy supply will not be able to keep up with the growing demand. The importance of supplying this energy in a sustainable manner in order to meet the goals of global efforts to combat climate change has heightened interest in the development of renewable hydrocarbon biofuels such as biodiesel. Over the last few decades, with the growth in biodiesel production, the world has faced a surplus of glycerol as a waste by-product of its common production process through transesterification. To reduce the negative environmental impact of this excess glycerol and to make the biodiesel industry profitable, this waste should contribute to a sustainable environmental circular economy. Recent research has indicated that there is a great potential for the use of biodiesel waste glycerol in the renewable energy sector. This can be achieved through a variety of processes including gasification, pyrolysis, combustion, liquefaction, and steam reforming. Among them, catalytic steam reforming is considered as one of the most promising methods for converting glycerol into hydrogen (as a green energy carrier and a critical feedstock in refineries and chemical industries), since its industrial scale-up would not necessitate significant changes to existing natural gas reforming infrastructure. Given the importance of these issues, this thesis focuses on the development of new catalysts through valorization of a metallurgical solid residue (UGSO) for hydrogen (syngas) production via steam reforming of biodiesel waste glycerol (GSR). More specifically, the three main objectives of our work include:(i) investigating the potential of UGSO as a support/promoter for Ni-based catalysts, (ii) performing a thorough investigation on the effect of catalyst synthesis parameters (active metal loading and catalyst preparation method) on both physicochemical properties and catalyst performance, as well as studying the effect of operating temperature by examining the role of the main side reactions in the reaction network (including water gas shift (WGS), Boudouard, CO and CO₂ methanation, and reverse WGS reactions), and finally (iii) comparing the structural characteristic and catalytic performance of the optimized Ni-UGSO with noble metal based catalysts (Ru-UGSO and Rh-UGSO) with well-known high efficiency for steam reforming process. (i) The catalyst prepared by the incorporation of 12.5 wt % Ni into UGSO was evaluated for application in GSR process at specific operating conditions suggested as optimum by thermodynamic analysis (T=580 °C, P=1 bar, and S/C=3). By comparing with a Ni-based commercial steam reforming catalyst, the results were very promising especially in terms of coke formation. The main reasons for the interesting properties of Ni-UGSO catalyst were suggested to be: (i) the dispersion and anchoring of Ni particles by formation of nickel-iron as well as nickel-magnesium mixed oxides, (ii) the lack of free metallic phases through the formation of Ni-Fe alloys after reduction pre-treatment, and (iii) the basic characteristic of UGSO due to the presence of oxides such as MgO, CaO, K₂O and MnO, which could promote dissociative adsorption of water and boost WGS reaction. These results proved the capability of Ni promoted UGSO to act as a powerful GSR catalyst. (ii) The results of a detailed study on the effects of synthesis parameters on the performance of Ni-UGSO catalyst revealed that the best GSR performance was achieved by incorporating 5 wt % Ni via solid-state impregnation method (SSI-5%Ni-UGSO), where nickel-iron mixed oxides with an optimum Ni/Fe ratio (such as NiFe₂O₄) and Mg-rich nickel-magnesium mixed oxides (such as 3MgO.NiO) were formed. The superior performance of the optimized SSI-5%Ni-UGSO catalyst is mainly due to (i) the synergic effect between Ni and partially reduced iron oxide species on the Ni-Fe[indice x]O[indice y] active sites (rather than metallic Ni and/or NiFe alloys) where glycerol is activated on the Ni species and the oxygen atoms are provided to the carbonaceous intermediate from the neighboring Fe[indice x]O[indice y], and (ii) the basic properties of MgO in close contact with Ni, which promotes the dissociation of water into hydroxyl groups and helps to gasify the coke precursors deposited on the catalyst surface. For temperatures above 580 °C, almost complete glycerol conversions to gaseous products were obtained over SSI-5%Ni-UGSO catalyst in the selected operating conditions (S/C=3, FI=1.1, GHSV=10,966 cm³ (STP) gcat⁻¹ h⁻¹). Higher H₂ yield (80.7%) and very low coke formation (0.59 mg[indice coke] h⁻¹(m²/g[indice cat)⁻¹) are the advantages of working at 580 °C by favoring the WGS reaction, whereas increasing temperature to 730 °C allows to almost suppress coke formation (0.18 mg[indice coke] h⁻¹(m²/g[indice cat])⁻¹) mainly by limiting the Boudouard reaction, with the drawback of a lower hydrogen yield (59.4%). (iii) The results of a comprehensive study on the performance of M-promoted (M=1%Ru, 1%Rh, 5%Ni) UGSO catalysts (M-UGSO) for GSR process revealed that the tendency of incorporated metal to interact with Mg/Fe containing oxides already exist in UGSO, plays a crucial role in the surface availability of the corresponding metal, structural changes after reduction, and catalyst stability. Aside its best stability, 5% Ni-UGSO showed a performance (glycerol conversion to gaseous products of 100% and H₂ yield of 74%) comparable with 1% Rh-UGSO (100% and 78%, respectively) or even surpassing that of 1% Ru-UGSO (94% and 71%, respectively), as noble metal-based catalysts. Synergistic cooperation was achieved by incorporated metals(M) and Fe/Mg containing species within UGSO, resulting in enhanced glycerol and water activation. The weakest results of Ru-UGSO could be explained by a lack of proclivity for MgO-RuO₂ interaction on UGSO surface. Regarding the significantly lower price of Ni compared to Rh (1/5526 of the average price of Rh in 2018), as lightly higher hydrogen yield (78 vs. 74%) and trivial difference in coke formation (0 vs. 0.01 g[indice coke] h⁻¹ g[indice cat]⁻¹) does not economically justify the use of 1% Rh-UGSO instead of the affordable 5% Ni-UGSO. In conclusion, the results presented in this thesis proved the capability of UGSO as a promising support/promoter in the formulation of active, selective, stable, and cost-effective catalysts for hydrogen production via GSR process, owing to (i) the presence of oxides (mainly magnesium and iron oxides) recognized for their ability to avoid carbon formation(the main cause of catalyst deactivation in the steam reforming of oxygenated hydrocarbons), and (ii) the spinel crystalline structure with homogeneously distributed exchangeable metal cations that can provide a good pattern for active metal dispersion, leading to a synergic cooperation between the incorporated active metal particles (especially Ni with high availability and low price) and the other constituents of UGSO. Such approaches, in which industrial wastes from various processes are used together for environmental applications, are not only consistent with the concepts of industrial ecology and sustainable development but are also classified as the most sophisticated level of waste valorization.

Le reformage catalytique vise à transformer les naphtas en aromatiques à haut indice d'octane et à produire simultanément du dihydrogène. Le catalyseur utilisé est composé d’agrégats sub-nanométriques à base de platine hautement dispersées sur un support d’alumine-gamma dont le comportement en réaction pose de nombreuses questions. Nous étudions expérimentalement et théoriquement une réaction modèle qui sonde les sites métalliques, la déshydrogénation du methyl-cyclohexane en toluène. Une compréhension détaillée à l'échelle atomique des mécanismes impliqués et des paramètres cinétiques est nécessaire. Nous avons mise en œuvre des calculs DFT (PBE et PBE-dDsC) sur un modèle pertinent Pt13/alumine-gamma, afin de déterminer les intermédiaires, les états de transition et leurs enthalpies libres. Le mécanisme a été exploré via des étapes séquentielles de rupture des liaisons C-H. Une reconstruction des agrégats se produit le long du chemin réactionnel, mettant en évidence sa fluctionalité (confirmée par dynamique moléculaire). Les enthalpies libres d’activation de la rupture C-H, de migration d’hydrogène et de reconstruction de l’agrégat ont été systématiquement déterminées à T=625 K. L'enthalpie libre la plus élevée (ΔrG‡=95 kJ/mol) est trouvée pour la troisième rupture de liaison C-H sur le methyl-cyclohexène. L'intermédiaire le plus stable est le produit adsorbé {toluène+H2}. Cependant, d’autres étapes de rupture C-H ou de désorption du toluène sont compétitives. Les constantes de vitesse des étapes élémentaires obtenues par DFT sont introduites dans 8 modèles cinétiques différents de type Langmuir-Hinshelwood (LH). La nature de l'étape déterminante de la vitesse a été choisie en fonction des constantes de vitesse de chaque étape élémentaire individuelle, ou de la prise en compte de séquences d’étapes limitantes, grâce à une analyse de type « energetic span ». Nous avons finalement expérimentalement réalisé des tests catalytiques sur Pt/γ-alumine (0.3 wt% Pt) à différentes températures, temps de contact, pressions partielles d’hydrogène et de méthylcyclohexane, pour obtenir des données cinétiques expérimentales. L'enthalpie d'activation apparente de 196 kJ/mol calculée par l’un des meilleurs modèles LH (3ème rupture C-H limitante) est proche de l’expérience (195 kJ/mol). De plus, l’évolution des vitesses de réaction en fonction des pressions partielles d'hydrogène et de méthylcyclohexane est discutée au regard de l’expérience et des modèles. Même si les tendances sont recouvrées par les modèles, des écarts théorie-expérience sont mis au jour, ce qui ouvre des perspectives vers une modélisation microcinétique future. / Catalytic reforming aims at transforming naphta into high octane aromatics and producing simultaneously dihydrogen. The catalyst used is composed of platinum-based sub-nanometric clusters highly dispersed on a gamma-alumina support which behavior under reaction conditions is the subject of numerous questions. We investigate experimentally and theoretically one model reaction probing the metal sites, the dehydrogenation of methyl-cyclohexane into toluene. A detailed atomic scale understanding of the mechanisms involved, and their related kinetic parameters, is required. We undertook DFT calculations with PBE and PBE-dDsC functionals on a relevant Pt13/γ-alumina model, in order to determine the intermediates, transition states and their free energies. The reaction mechanism was explored by assuming sequential C-H breaking steps. Reconstructions of the cluster and hydrogen migrations occur along the reaction pathway, highlighting its high fluctionality (also confirmed by molecular dynamics). Free energies of activation for C-H bond breaking, H migration and cluster’s reconstruction were systematically determined at T=625 K. The highest activation Gibbs free energy (ΔrG‡=95 kJ/mol) is found for the third C-H bond breaking on methyl-cyclohexene, while the most stable intermediate is the {toluene+H2} adsorbed product. However, other C-H bond breaking steps and eventually toluene desorption may compete. A comparison with the Pt (111) surface is also given. Rate constants of elementary steps estimated by DFT are introduced in 8 Langmuir-Hinshelwood (LH) kinetic models based on a single rate determining step (RDS) concept, or on a limiting steps sequence deduced from an energetic span analysis. We finally carried out experimental tests on Pt/γ-alumina catalysts (0.3 wt% Pt) at various temperatures, space times, hydrogen and methyl-cyclohexane partial pressures, to provide experimental kinetic data. The calculated apparent activation enthalpy is predicted to be 196 kJ/mol in close agreement with the experimental one (195 kJ/mol) for the best LH model (third C-H bond breaking as RDS). Moreover, the dependence of reaction rates on hydrogen and methyl-cyclohexane partial pressures are discussed with respect to experimental trends and models. Although the main trends are recovered by the kinetic model, some discrepancies are revealed. This work paves the way for a future microkinetic modeling.

Le reformage catalytique du méthane en hydrogène, vecteur d'énergie pour les piles à combustibles de type Solid Oxide Fuel Cell (SOFC), a été étudié sur des matériaux d'anode à base de métaux supportés (NiO/CeO2, NiO-Y2O3-ZrO2) et également sur des catalyseurs de structure définie (La0,8Sr0,2TiO3+δ). La première famille de catalyseurs a été synthétisée par deux méthodes de préparation : la technique d'imprégnation en milieu aqueux et en milieu organique sur des supports du commerce CeO2 et Y2O3-ZrO2 ou préparés au laboratoire, et par le procédé sol-gel. Le titanate de lanthane dopé au strontium a été préparé par la méthode de co-précipitation et également par la méthode sol-gel. La méthode de préparation a un effet important sur les propriétés physico-chimiques des catalyseurs synthétisés et par conséquent affecte à la fois leur activité catalytique en reformage du méthane et leur résistance à l'empoisonnement par le dépôt de carbone. Les catalyseurs à base de nickel supporté sur cérine ont été par la suite dopés avec l'oxyde de magnésium (formation d'une solution solide MgO-NiO) ainsi qu'avec l'oxyde de lanthane (La2O3-NiO) en vue de limiter la formation de carbone sur la surface catalytique et augmenter ainsi la durée de vie des catalyseurs lors du reformage du méthane. Les résultats obtenus montrent que l'effet de promotion de la phase active NiO par MgO ou La2O3 diminue à la fois le dépôt de carbone mais également les performances catalytiques. Les propriétés physico-chimiques et les performances catalytiques de NiO-Y2O3-ZrO2 préparé par le procédé sol-gel ont été comparées à celles de matériaux commerciaux (Aldrich & Jülich) de même composition. Les résultats expérimentaux montrent que les matériaux synthétisés par la méthode sol-gel sont plus actifs en vaporeformage du méthane que ceux du commerce (dans le domaine de fonctionnement d'une pile SOFC) alors qu'ils présentent une activité similaire à ces derniers en reformage à sec du méthane. La quantité de carbone graphitique formée, quoique supérieure à celle observée dans le cas des catalyseurs commerciaux, demeure faible (< 2%). Ce dépôt de carbone ne provoque qu'une légère diminution des performances catalytiques en reformage à sec du méthane. Ceci est probablement lié à la diminution des sites actifs / The catalytic reforming of methane into hydrogen, for direct operation of Solid Oxide Fuel Cells (SOFCs) on methane, was studied on anode materials such as NiO/CeO2, NiO-Y2O3-ZrO2 and La0.8Sr0.2TiO3+δ. The first group of catalysts was synthesized by two methods: the impregnation technique both in aqueous and organic media (commercial and laboratory made CeO2 and Y2O3-ZrO2), and also using sol-gel process. Lanthanumtitanium oxide host structure doped with strontium was prepared both by co-precipitation and sol-gel process. The method of preparation has an important effect on the physico-chemical properties of the synthesized catalysts and affects consequently both their catalytic performances in methane reforming and their resistance to poisoning by carbon deposition. In order to limit carbon formation on the catalytic surface and to increase the lifetime of catalysts during the catalytic reforming of methane, ceria supported nickel based-catalysts were doped with magnesium oxide (forming MgO-NiO solid solution) as well as with lanthanum oxide (La2O3-NiO). The obtained results show that the effect of promotion of NiO active phase by MgO and La2O3 decreases carbon deposition but also the catalytic performances. Physico-chemical properties and catalytic performances of NiO-Y2O3-ZrO2 (Ni-YSZ) prepared by the sol-gel process were compared with those of commercial (Aldrich and Jülich) materials having the same composition. The experimental results showed that materials synthesized by the sol gel method are more active in methane steam reforming than commercial catalysts while sol gel and commercial samples show similar performances in methane dry reforming. Amounts of graphitic carbon, although being higher for sol gel samples compared to commercial ones, remain low (< 2%). This carbon deposit provokes only a slight decrease of catalytic performances of sol gel prepared materials in methane dry reforming, probably by decreasing the number of active sites

L'impact environnemental d'un procédé est déterminé par des méthodes d'évaluation comme l'analyse de cycle de vie (ACV). Une méthode complémentaire a été développée afin de caractériser l'impact environnemental d'un procédé lors de la phase de dimensionnement, en lui appliquant un bilan thermodynamique restreint à ses frontières avec une fonction ad hoc. La fonction choisie, l'exergie, est basée sur l'état physico-chimique de l'environnement et quantifie l'irréversibilité d'une transformation. L'existence d'irréversibilités dans un procédé signifie qu'une partie de l'énergie fournie est dégradée augmentant simultanément les émissions polluantes. L'intérêt de l'exergie réside également dans l'allocation des coproduits. L'étude se focalise sur l'impact changement climatique dû aux émissions de gaz à effet de serre (GES). Cette méthode couplant ACV et analyse exergétique a été appliquée à un procédé représentatif du raffinage du pétrole: le reformage catalytique du naphta. Les émissions de GES y sont d'origine directe (régénération du catalyseur) et indirecte (utilités). Le procédé et les réacteurs ont été modélisés respectivement avec le simulateur de procédés ProII et avec un sous-programme codé en langage Fortran interfacé avec le simulateur pour tenir compte des transformations chimiques. La méthodologie, qui ne peut s'affranchir de données ACV, a permis de lier, pour le procédé, les émissions de GES respectivement à un indicateur thermodynamique Ip et à la variation d'exergie chimique. La méthode a été étendue pour comparer deux procédés ayant une même fonction en quantifiant, notamment, la qualité des produits formés et l'appauvrissement des ressources / The environmental impact of a process is assessed by evaluation methods such as life cycle assessment (LCA). A complementary method has been developed in order to characterize the environmental impact at the preliminary design stage by application of a thermodynamic balance on the process boundaries. The chosen thermodynamic function is exergy which takes into account irreversibilities and is linked to the mean environment temperature, pressure and composition. Existence of irreversibility in a process means that a part of the provided energy is wasted increasing simultaneously pollutant emissions. Exergy is also a tool for co-products allocation. The study focuses on climate change that implies greenhouse gas (GHG) emissions. To illustrate the potential of coupling LCA and exergy analysis in the petroleum industry, a naphtha catalytic reforming process has been selected and evaluated in terms of climate change. In this process, GHG emissions have two origins: direct (due to catalyst regeneration) and indirect (due to utilities) emissions. The process and the reactors have been respectively modelled with the process simulator ProII and with a Fortran subroutine to take into account chemical transformations. The method, which cannot avoid LCA data, has underlined, for the process, a positive relationship between GHG emissions and respectively a thermodynamic parameter Ip and the variation of chemical exergy. The method has been extended to compare two processes having the same function and to take into account co-products quality and resource depletion

Le reformage à la vapeur couplé à la sorption in-situ d’un composant du milieu réactionnel (sorption-enhanced steam reforming, SESR) est un procédé d’avant-garde qui permet simultanément la production d’hydrogène de très haute pureté et la capture du CO2. L'objectif principal de ce travail est le développement de nouveaux sorbants pour le CO2 applicables à hautes températures et l’étude de leur application dans SESR. Deux nouvelles méthodes de synthèse ont été proposées pour synthétiser du zirconate de lithium (Li2ZrO3), zirconate de sodium (Na2ZrO3) ainsi que des matériaux à base d’oxyde de calcium (CaO), trois catégories de sorbants capables de réagir avec le CO2 à hautes températures. L’application du Li2ZrO3 à la capture du CO2 a démontré une augmentation de l’activité du matériau produit par une nouvelle méthode de synthèse combinant un surfactant et traitement à ultrasons, comparativement au Li2ZrO3 préparé par une méthode avec surfactant seulement (sans ultrasons) ou par la méthode conventionnelle (mélange des composants en phase liquide). Néanmoins, pour des pressions partielles en CO2 inférieures à 0,75 bar, la faible cinétique de sorption du CO2 obtenue par le Li2ZrO3 limite son application au procédé SESR. En considérant l’amélioration des propriétés de sorption obtenue en appliquant la méthode combinée surfactant/ultrasons à la synthèse du Li2ZrO3, la même technique a été aussi appliquée à la synthèse du Na2ZrO3. Des résultats inattendus ont été pourtant obtenus. Le Na2ZrO3 développé par la nouvelle technique a été moins actif durant les cycles sorption/régénération que celui produit par la méthode conventionnelle, de par la faible résistance de sa structure poreuse à de très hautes températures. La nouvelle méthode de synthèse combinée surfactant/ultrasons a été aussi appliquée pour la synthèse de CaO stabilisé par du zirconium (Zr). Un rapport Zr/Ca de 0,303 a été trouvé optimal pour la production d’un sorbant présentant la meilleure stabilité et activité pour la capture de CO2. Dans les conditions sévères d’opération, les résultats ont généralement indiqué une capacité de sorption du CaO stabilisé supérieure à celle du CaO pure. Dans le but de réduire les coûts de production des sorbants, une source moins chère de CaO (calcaire naturel) a été utilisée en combinaison avec une nouvelle méthode de synthèse qui consiste dans l’acidification du calcaire par de l’acide citrique suivie par une calcination en deux étapes (argon et air). Doté d’une structure hautement poreuse, le CaO produit a révélé une stabilité nettement meilleure par rapport au calcaire, ainsi qu’une capacité accrue de sorption du CO2. La même technique de synthèse a été aussi utilisée pour développer plusieurs matériaux à base de CaO stabilisé par divers oxydes métalliques (Al, Zr, Mg et Y), afin d’améliorer la stabilité du sorbant dans les conditions opérationnelles sévères, particulièrement les hautes températures de régénération en présence de CO2. CaO stabilisé par l’aluminium (Al) ou le zirconium (Zr) a démontré une meilleure activité comparativement aux autres matériaux synthétisés, inclusivement dans des conditions sévères d’opération. L’application de ces deux types de sorbants au vaporeformage du méthane (SESMR) a été ensuite étudiée dans un réacteur à lit fixe. Pour minimiser les limitations diffusionnelles, deux matériaux hybrides sorbant-catalyseur ont été développés. NiO-CaO stabilisé par Zr, préparé par la méthode combinée surfactant/ultrasons, dont le contenu en NiO est de 20.5 % (masse) a montré une efficacité dans la production d’hydrogène de 92% lors du premier cycle de reformage, ce qui est remarquablement plus élevée que le rendement d’équilibre en H2 pour le procédé traditionnel de vaporeformage du méthane (SMR) ( 70%). La méthode acidification/calcination en deux étapes a été utilisée pour produire le deuxième matériau hybride (NiO-CaO stabilisé par Al). L’application du matériau contenant 25 % (masse) de NiO a conduit à une efficacité moyenne de production d’hydrogène de 97.3%, démontrant ainsi son grand potentiel pour le SESMR. Les résultats de ce projet de recherche ont clairement démontré que le procédé SESR est une alternative très avantageuse au procédé traditionnel de reformage à la vapeur (sans séparation in-situ de CO2) pour la production d’hydrogène de très haute pureté. Le matériau hybride sorbant-catalyseur NiO-CaO stabilisé par Al a démontré une excellente activité à long terme, en confirmant son potentiel élevé pour application dans le procédé SESMR. / Sorption-enhanced steam reforming (SESR) is a forefront technology to produce H2 clean fuel, which integrates both CO2 capture and H2 production in a single process. The main objective of this work is to develop novel high-temperature CO2 sorbents and to investigate their application in SESR operation. Special attention was given to lithium zirconate (Li2ZrO3), sodium zirconate (Na2ZrO3) and calcium oxide (CaO)-based materials, as most famous high temperature CO2 sorbents, by applying two novel synthesis techniques. The application of Li2ZrO3 in CO2 capture sorption showed an increase in activity of the material prepared by surfactant template/sonication method compared to Li2ZrO3 prepared by simple surfactant template method (without sonication) or conventional wet-mixing route. Nevertheless, porous Li2ZrO3 still suffered from slow kinetics of CO2 sorption at low CO2 partial pressure (below 0.75 bar), which can limit its application for SESMR operation. Taking into consideration the improvement of Li2ZrO3 sorption properties, the same surfactant template/sonication technique was then applied to develop porous Na2ZrO3. The behavior of the new developed Na2ZrO3 was unexpected. The samples prepared by surfactant template/sonication technique were found to be less active than the conventional Na2ZrO3 during cyclic operation, due to the low resistivity of the pore structure at the very high temperature treatment required for calcination. The same surfactant template/sonication was also applied to develop Zr-stabilized CaO sorbents. An optimum Zr/Ca ratio of 0.303 was found to maximize the stability and CO2 capture activity of the proposed Zr-stabilized CaO sorbent. The results generally showed a better CO2 capture ability of Zr-stabilized CaO sorbent in comparison with pure CaO in severe cyclic operating conditions. With the purpose of reducing the cost of sorbent production, a cheaper source of CaO (natural limestone) was also considered and a novel synthesis technique (limestone acidification by citric acid followed by two-step calcination (in Ar and air atmospheres)) was applied in order to prepare highly porous CaO structure with unique CO2 capture ability. The results revealed a much better stability and CO2 sorption activity of the developed sorbent compared to natural limestone. The same technique was employed to develop a number of metal oxide (Al, Zr, Mg and Y)-stabilized CaO sorbents in order to enhance sorbent stability in severe operating conditions, i.e., high temperature regeneration in the presence of CO2. Al and Zr-stabilized CaO showed the best activity during both mild and severe operating conditions. The performance of the developed CO2 sorbents providing the best performance in CO2 capture (Zr-stabilized and Al-stabilized CaO) were then investigated experimentally in the sorption enhanced steam methane reforming (SESMR) using a fixed-bed reactor. To minimize the diffusional limitations, a hybrid catalyst-sorbent was developed for both sorbents. The application of Zr-stabilized CaO-nickel hybrid catalyst with 20.5 wt% NiO loading, prepared by surfactant-template/sonication method, resulted in 92% H2 production efficiency for the initial SESMR cycle, which is remarkably higher than traditional steam methane reforming (SMR) equilibrium H2 yield (70 %). The second developed hybrid sorbent-catalyst (Al-stabilized CaO-NiO) was prepared using limestone acidification coupled with two-step calcination technique. The long-term application of the hybrid catalyst containing 25 wt% NiO led to an average H2 production efficiency of 97.3%, proving its high efficiency in the SESMR process. In summary, the results of this thesis show that the SESR process is as an efficient alternative of traditional steam reforming for production of highly pure H2. The Al-stabilized CaO-NiO hybrid sorbent-catalyst showed an excellent activity over long-term operation, thus confirming its very high potential for use in the SESMR process.