La synthèse de matériaux zéolithiques est régie par de nombreux paramètres, en particulier la nature de l'hétéroélément associé au silicium et celle de l'agent organique structurant. Ainsi, l'introduction de germanium dans les milieux réactionnels ainsi que l'utilisation de structurants dérivés d'imidazole, les cations 1-éthyl-3-méthylimidazolium et 1-butyl-3-méthylimidazolium, ont permis la découverte de deux nouveaux solides microporeux nommés respectivement IM-16 et IM-20 et présentant des topologies de charpente inédites (respectivement UOS et UWY). De plus, un troisième germanosilicate poreux nommé IM-17 a été obtenu en présence du cation décaméthonium. Chacun de ces trois matériaux possède un système tridimensionnel de canaux avec des ouvertures de 8 et 10 atomes T (IM-16) ou de 10 et 12 atomes T (IM-17 et IM-20), ainsi que des unités de construction composites d4r au sein de leur charpente. Enfin, une partie importante du travail a été consacrée à l'élaboration de molécules structurantes originales (dérivés du décahydro-dicyclopenta[b,d]pyrrole) puis de leur emploi en synthèse hydrothermale. Ces essais ont permis d'obtenir divers matériaux déjà connus, parmi lesquels les zéolithes IM-12 (UTL), ITQ-7 (ISV), ITQ-17 (BEC) et ITQ-21.

Les sources d'énergies renouvelables représentent un gisement intéressant mais l'intermittence de leur production impose une meilleure anticipation des besoins et la mise en place d'un système de stockage d'énergie. Le stockage thermochimique par adsorption dans un système intégrant le couple zéolithe 13X/eau semble être une solution adaptée à un stockage de l'énergie à basse température pour une application aux bâtiments. Notre objectif consiste à reproduire le comportement de ce type de problèmes thermiques non-linéaires. En effet, une simulation précise et rapide du comportement du système sélectionné permettrait une régulation lors de son utilisation. Un modèle bidimensionnel de stockage d'énergie dans un adsorbeur cylindrique a été développé. La résolution numérique de ce modèle, dit d'ordre élevé, implique l'intégration d'un système de quelques centaines à quelques milliers d'équations fortement non-linéaires et couplés. Les coûts de calculs générés pouvant être prohibitifs, l'application d'une méthode de réduction a ainsi été envisagée afin de conserver les caractéristiques, le couplage des transferts de chaleur et de masse ainsi que les non-linéarités de ce modèle tout en limitant le temps de calculs. La projection de Galerkin des équations de ce dernier sur la base, obtenue grâce à une décomposition orthogonale aux valeurs propres, permet de construire un système dynamique d'ordre faible. Sa résolution est moins coûteuse que celle du modèle d'ordre élevé et reproduit correctement la dynamique de l'adsorbeur.

Les catalyseurs sont des matériaux largement utilisés en chimie et particulièrement dans le domaine du raffinage pour convertir les produits lourds du pétrole peu valorisables en produits légers entrant dans le pool carburant (essence, kérosène ou gazole). L'amélioration de nouveaux supports peut être conduite par la synthèse de matériaux à morphologie contrôlée, par l'augmentation de la surface d'échange entre le catalyseur et le réactif ou encore par l'augmentation de la surface de contact des particules métalliques avec le réactif. L'amélioration et le développement de nouveaux matériaux nécessitent la mise en place d'outils analytiques performants permettant de suivre leur genèse. Dans le cadre de ce travail, nous avons développé une nouvelle méthodologie RMN basée sur la mesure des temps de relaxation transversale (durée de la disparition de l'aimantation transversale) et longitudinale (durée du retour de l'aimantation longitudinale). Nous avons pu montrer que cette technique permet de décrire finement, au cours de la synthèse, les paramètres caractéristiques des particules formées. Elle est applicable à des supports inorganiques amorphes, hiérarchiquement organisés ou cristallisé sur une large gamme de porosité de 4,5Å à 240nm. Elle permet d'accéder à : La texture des particules : rugosité (surface externe) et surface interne développée (micro, méso et macroporosité), la taille et la proportion de particules formées. Pour une famille de matériaux donnée, cette technique est particulièrement sensible à la composition de surface : proportion d'aluminium et d'hydroxyle

Ce mémoire traite de l'apport expérimental de la spectroscopie infrarouge à la compréhension des processus d'adsorption mis en jeu au cours de l'interaction d'un gaz pur avec un matériau nanoporeux. Le travail concerne plus particulièrement une étude fondamentale de l'adsorption de l'éthylène, du trichloroéthylène, du tétrachloroéthylène, de l'hexafluorure de soufre et du p-xylène sur des zéolithes MFI, notamment la silicalite-1. La première étape de ce travail de thèse a consisté à mettre au point un nouveau dispositif expérimental et une méthode d'analyse afin d'acquérir des données d'absorption infrarouges fiables tout en améliorant les performances du prototype réalisé dans le cadre d'études antérieures. L'un des apports majeurs de ce travail est de pouvoir suivre, pour la première fois, semble-t-il, l'évolution des bandes de structure de la zéolithe au cours du processus d'adsorption. De plus, dans le cas particulier de l'adsorption du trichloroéthylène, du tétrachloroéthylène ou du p-xylène, le spectre infrarouge de la zéolithe subit de profondes modifications au cours de l'accumulation des molécules dans la microporosité du matériau. Ces modifications qui se manifestent par sauts successifs à des remplissages déterminés, ont été corrélées aux changements de structure de l'adsorbant mis en évidence par ailleurs par d'autres techniques expérimentales. Un autre point fort de ce travail concerne la caractérisation de la phase adsorbée tout au long du processus d'adsorption. D'une façon générale, le confinement des molécules dans la microporosité de la zéolithe induit essentiellement de faibles modifications de la position des bandes de vibration du fluide adsorbé, de l'ordre de quelques cm-1, sans en affecter pour autant leur allure. L'aire de ces bandes augmente proportionnellement avec la charge, dans le cas de l'adsorption de l'éthylène, du trichloroéthylène ou de l'hexafluorure de soufre. En revanche, cette relation de proportionnalité n'est plus vérifiée dans le cas de l'adsorption du tétrachloroéthylène ou du p-xylène. Pour ces systèmes avec lesquels ont été observées des isothermes à sous marche, l'aire des bandes de la phase adsorbée reste constante, en particulier dans le domaine de remplissage compris entre 3 et 6 moléc.maille-1. L'hypothèse de la formation de dimères est avancée pour rendre compte de cette singularité dans ce domaine de remplissage.

L'incinération des ordures ménagères entraine la formation de dioxines. Ces composés sont reconnus comme toxiques voire cancérigènes. La connaissance des quantités émises en temps réel est donc nécessaire. Ces travaux de thèses s'inscrivent dans une étude globale d'un dispositif permettant l'analyse en ligne des dioxines grâce à un système pré-concentrateur utilisant l'adsorption sélective de congénères toxiques sur des zéolithes, supportant la thermo-désorption, et un analyseur en masse. Dans un premier temps, les enjeux sont exposés. Puis une étude des écoulements dans les milieux poreux a pour but de déterminer quelle est la meilleure mise en forme des zéolithes pour favoriser l'adsorption en phase gazeuse dynamique. Ensuite, la mise en place et la caractérisation d'un système de génération de dioxines en phase gazeuse sont détaillées. Cette source est ajustable en concentration et en débit, permettant des études d'adsorption en laboratoire. Les premiers essais d'adsorption en phase gazeuse montrent, en accord avec les prédictions de la première étude, l'importance d'un adsorbant régulier de faible granulométrie. L'analyse par thermodésorption des dioxines piégées sur des grains de FAU [NaX] est réalisée en quelques heures. La facilité d'utilisation de zéolithes dans un système de prélèvement comme adsorbants et leur analyse par les méthodes de la norme EN 1948 a été prouvée lors de deux campagnes sur une unité d'incinération d'ordures ménagères. Ces travaux ont montré que l'analyse quotidienne en ligne des dioxines est d'actualité et pertinente.

Deux zéolithes nanocristaux de type *BEA et CP814E commerciales avec de différentes propriétés texturales, et une zéolithe microcristaux de type *BEA qui a été synthétisée durant cette thèse, ont été modifiées par une desilication en utilisant de différents traitements alcalins. Toutes les zéolithes parentes et certaines désilicées ont été sélectionnée pour le craquage du n-hexane, où aucune amélioration significative de la conversion n'a été observée après la désilication. Toutes les zéolithes parentes et quelques désilicées sélectionnées ont été transformés en leur forme bifonctionnelle par imprégnation du platine pour d'étudier l'impact de la désilication dans l'hydroisomérization de n-C10. On a constaté que l'amélioration des propriétés texturales par la désilication n'était pas toujours la cause d'une augmentation ou d'une diminution de l'activité et de la sélectivité du catalyseur, mais plutôt de la localisation des particules de Pt et leur distance prédite des sites acides. Cependant, la présence des mésopores inter- et intracristallins, en plus de la distance de Pt-H+, sont des importants caractéristiques qui affectent l'activité et la sélectivité. Nous avons également étudié l'impact de la longueur de chaîne dans l'hydroisomérization de n-C12 et de n-C14. Un phénomène spécial dans le cas de n-C12 est apparu, où le rendement d'isomérisation semblait inférieur à celui obtenu sur n-C10 et n-C14, ce qui suggère que cela résulte de l'effet de confinement. La série microcristaux a montré une amélioration de l'activité dans la transformation n-C14, mais une diminution de la sélectivité des isomères à cause des limites de diffusion potentielles. / Two commercial nanocrystal *BEA zeolites with different textural properties and a microcrystal synthesized *BEA zeolite, were desilicated using different alkaline treatment; classical in presence of Noah alone, or incorporated with a pore directing agent. All parent zeolites and some selected desilicated samples were chosen for catalytic cracking of n-hexane, where no significant improvement of n-hexane conversion was observed after desilication. To investigate the impact of desilication on the hyrdoisomerization of n-C10, all parent and the some selected desilicated zeolites were transformed into their bifunctional form by platinum loading. The improvement of the textural properties by desilication using the different pore directing agents, was not always the cause behind an increase or decrease in the activity and selectivity of the catalyst, but rather was more the location of the Pt particles and their predicted distance from the acidic sites. However, the synergetic effect of both the textural and bifunctional characteristics was positive. Tests on hydroisomerization of n-C12 and n-C14 to investigate the impact of chain length were done. In the nanocrystal series, a special phenomenon on n-C12 appeared where the isomerization yield seemed to be less than that obtained on n-C10 and n-C14, suggesting that this would be due the confinement effect, which was shown to be more effective in case of n-C12. The microcrystal series showed an improvement of the activity over all the catalysts in case of n-C14 transformation, but a decrease in isomers selectivity as observed due to probable diffusional limitations within the channels of these series catalysts.

Les zéolithes sont largement utilisées en catalyse acide, particulièrement en pétrochimie. Toutefois, leur activité n'est pas optimale à cause des limitations diffusionnelles imposées par leur structure microporeuse. Diverses approches ont été proposées pour contourner ces limitations et notamment la préparation des zéolithes mésoporeuses. Après une évaluation industrielle des différentes méthodes rapportées dans la littérature, la première partie de la thèse a été consacrée à la mise au point, la compréhension et l'optimisation d'une procédure de préparation de zéolithes à mésoporosité contrôlée à l'aide d'un agent structurant organique. Nous nous sommes intéressés à la recristallisation de la zéolithe Y qui permet de créer un volume mésoporeux important au sein des cristaux de zéolithe par transformation pseudomorphique. Dans une seconde partie, nous rapportons la première synthèse de zéolithes mésoporeuses à partir d'un agent structurant récupérable et recyclable en conditions douces dans l'eau. En synthétisant un agent structurant thermosensible adapté aux conditions de recristallisation, une mésostructure contrôlée a pu être obtenue au sein de la zéolithe. L'extraction du polymère en solution aqueuse a été optimisée et son recyclage sur quatre cycles de recristallisation a été démontré. / Zeolites are widely used in acid catalysis, especially in petrochemistry. However, their activity is not optimal because of diffusional limitations imposed by their microporous structure. Various approaches have been proposed to circumvent these limitations, including the preparation of mesoporous zeolites. After an industrial assessment of the different methods reported in the literature, the first part of the thesis was devoted to the development, understanding and optimization of a procedure for preparation of zeolites with controlled mesoporosity using an organic structuring agent. We studied the recrystallization of the zeolite Y, which creates a large mesoporous volume in the zeolite crystals by pseudomorphic transformation. In the second part, we report the first synthesis of mesoporous zeolites using a structuring agent recoverable and recyclable under mild conditions in water. By synthesizing a structuring agent adapted to the conditions of thermal recrystallization, controlled mesostructure could be obtained within the zeolite. The extraction of the polymer in aqueous solution has been optimized and recycling of four cycles of recrystallization has been demonstrated.

La consommation continue de matières plastiques a conduit, jusqu’à 2015, à l'accumulation de 6,3 milliards de tonnes de déchets plastiques. En Europe, le recyclage des plastiques ramassés ne dépasse pas les 30% pour des raisons logistiques et économiques liées à cette filière. La valorisation énergétique de ces déchets, non valables pour le recyclage, est alors préférée aux autres modes de gestion. L’incinération étant controversée pour son bilan énergétique et environnemental, d’autres moyens de valorisation tels que la pyrolyse sont privilégiés. Les travaux de recherche menés dans cette thèse ont été focalisés sur la pyrolyse des polyoléfines, le polyéthylène (PE) et le polypropylène (PP), en raison de leur forte présence dans les déchets plastiques municipaux. L’influence de la zéolithe Ultrastable Y (USY) sur la pyrolyse du PP et du PE, récupérés d’une déchèterie, a été étudiée par une analyse thermogravimétrique (ATG) puis sur un réacteur en batch à lit fixe et un réacteur continu. L’étude cinétique dedécomposition thermique des mélanges de PP et de PE a été réalisée, les paramètres cinétiques ont été déterminés et les interactions entre les différents composants du mélange ont été analysées. La quantité de zéolithe a été optimisée et le rapport catalyseur/plastique de 1:10 a été adopté durant les essais expérimentaux. L’utilisation de l’USY comme catalyseur a conduit à une distribution plus ciblée de composés et des temps de réaction plus courts. Les liquides de pyrolyse obtenus ont été séparés en différentes fractions de carburants compatibles avec les normes Européennes EN 590 et EN 228. Afin de réduire le coût de production de ces carburants, une étude de régénération du catalyseur a été menée et a montré que son niveau d’activité a diminué au bout de 14 cycles de régénération. A la fin de la thèse, un bilan d’énergie et de masse du procédé a été effectué puis les perspectives d’amélioration sont présentées afin de transposer l’étude à l’échelle industrielle. / Continuous consumption of plastics led, until 2015, to the accumulation of 6.3 billion tons of plastic waste. In Europe, the recycling of collected plastics does not exceed 30% for logistical and economic reasons related to this sector. The energy recoveryof this waste, which is not valid for recycling, is then preferred to other management methods. Incineration is controversial for its energy and environmental balance; other means of recovery such as pyrolysis are preferred. The research carried out in this thesis focused on the pyrolysis of polyolefins, polyethylene (PE) and polypropylene (PP), because of their strong presence in municipal plastic waste. The influence of the ultrastable Y zeolite (USY) on the pyrolysis of PP and PE, recovered from a waste collection center, was studied by thermogravimetric analysis (TGA) and then on a fixed bed batch reactor and a continuous reactor. The kinetic study of thermal decomposition of the PP and PE mixtures was carried out, the kinetic parameters were determined and the interactions between the various components of the mixture were analyzed. The amount of zeolite was optimized and the catalyst/plastic ratio of 1:10 was adopted during the experimental tests. The use of USY as a catalyst has led to a more targeted distribution of compounds and shorter reaction times. The pyrolysis liquids obtained were separated into different fuel fractions compatible with the European standards EN 590 and EN 228. In order to reduce the production cost of these fuels, a catalystregeneration study was conducted and showed that its activity level decreased after 14 cycles of regeneration. At the end of the thesis, an energy and mass balance of the process was carried out and the prospects for improvement are presented in order to transpose the study on an industrial scale.

La Réduction Catalytique Sélective (SCR) par l'ammoniac, ou l'urée, est un procédé connu de post-traitement permettant de réduire efficacement les oxydes d'azote émis par les motorisations Diesel, en azote et en eau. Les zéolithes échangées au cuivre sont parmi les meilleures formulations pour une application sur véhicules légers, puisque efficaces sur une large zone de température. Le but de cette thèse était d'étudier la stabilité hydrothermale de ce type de catalyseur. L'approche utilisée au cours de ce travail repose sur l'étude des différentes fonctionnalités d'un catalyseur commercial de NH3-SCR présent sous forme de monolithe, à l'état frais et pour différentes conditions de vieillissement, au Banc Gaz Synthétique couplée à une analyse physico-chimique précise de la phase active du catalyseur. Ceci nous a permis de comprendre les phénomènes de désactivation intervenant au cours d'un vieillissement hydrothermal et de mesurer leur impact sur l'activité et la sélectivité de ce type de catalyseur. Après traitement hydrothermal, on assiste à une désalumination plus ou moins importante de la zéolithe, pouvant conduire à l'effondrement de sa structure, ainsi que d'importantes modifications au niveau du cuivre dès les plus faibles températures de vieillissements. Les résultats ont montré l'importance de maintenir une teneur minimal de cuivre en position d'échange, afin de conserver une capacité de stockage en ammoniac suffisante, mais surtout pour garantir une bonne efficacité à basse température en SCR du NO. Le maintien de la structure de la zéolithe semble essentiel pour que le catalyseur conserve une bonne efficacité et sélectivité au cours du temps. / The Selective Catalytic Reduction (SCR) by ammonia, or urea, is a well-known after-treatment process used for converting efficiently the nitrogen oxides, emitted by Diesel engines, into nitrogen and water. Copper-exchanged zeolites are among the most efficient formulations for light-duty applications, since effective over a wide temperature-range. The aim of this thesis is to study the hydrothermal stability of this type of catalyst. The approach used is this work is based on the study of the catalytic properties of a fresh commercial monolith catalyst for NH3-SCR in fresh and after different ageing conditions, at synthetic gas test bench, coupled with a comprehensive physicochemical analysis of the catalyst active phase. This allowed us to understand the deactivation phenomena occurring during a hydrothermal ageing and the impact on the catalyst activity and selectivity. A hydrothermal treatment induces a dealumination of the zeolite, into a more or less significant extent, which can lead to its collapse, as well as important modifications of the copper sites, even at low ageing. The results showed the importance to maintain a minimal copper content into exchanged sites, in order to retain a sufficient ammonia storage capacity, and especially to provide a good efficiency for the SCR of NO at low temperature. The preservation of the zeolite structure seems to be essential in order to maintain the catalyst efficiency and selectivity over time.

Le réchauffement de la planète, en partie dû à l'augmentation des teneurs du dioxyde de carbone (CO2) dans l'atmosphère, pousse les scientifiques à trouver des méthodes et des techniques performantes pour limiter les émissions de ce gaz. L'objectif de ce travail est d'améliorer le piégeage du CO2 sur des adsorbants à base de zéolithe et d'optimiser la désorption dans une gamme de température peu élevée (35 – 350°C). Afin d'apprécier l'influence de la méthode de synthèse, des échanges cationiques (K+, Li+, Mg2+, Ca2+ et Ba2+), des mélanges mécaniques (MgO), et des imprégnations (Mg et Ca) ont été réalisés sur la faujasite NaX.L'étude de la désorption en température (-60 à 200°C) du CO2 indique une augmentation des quantités physisorbées entre 35 – 60°C sur les adsorbants préparés. Les proportions sont de l'ordre de 5 à 20% supérieures à celles de la zéolithe de référence NaX. Quelques échantillons à faible teneur en oxyde montrent aussi une augmentation des quantités entre 60 – 120°C, en particulier la zéolithe imprégnée à 5% en acétate de magnésium avec une amélioration de 15%. Ainsi, une augmentation des interactions CO2 / structure zéolithique sur les échantillons est confirmée. En adsorption dynamique à lit fixe, le mélange mécanique à 2% d’oxyde apparaît piéger plus de CO2 que la zéolithe NaX. Des études du piégeage du CO2 ont aussi été menées en absence et en présence d'humidité puis avec des mélanges gazeux (CH4 ou C3H8). En présence d'humidité, les capacités d'adsorption du CO2 sont fortement affectées. En présence de méthane ou de propane, aucune modification des capacités d'adsorption n'est visible sur la zéolithe échangée à 100% au baryum. / Due to increase of the carbon dioxide concentration, the global warning pushes scientists to find the processes to limit these emissions. The aim of this work is to increase the CO2 storage on the materials mainly constituted of zeolite and to optimize the desorption in the temperature range between 35 – 350°C. In order to investigate the synthesis method, various samples were obtained using either the cationic exchanges (K+, Li+, Mg2+, Ca2+ et Ba2+), mechanical mixtures (MgO) or the impregnation process (Mg(CH3COO)2 and Ca(CH3COO)2).CO2 Thermal desorption study (-60 – 600°C) indicates an increase of the physisorbed compounds between 35 – 60°C on the synthesized samples. The amounts are of about 5 to 20% higher compared to the NaX reference zeolite. Few samples with low oxide amount show also an increase between 60 – 120°C, especially the zeolite impregnated (5%) which desorbs 15% more than NaX. Thus, an increase of the CO2 / zeolite interactions is confirmed.In fixed bed dynamic adsorption, the mechanical mixture with 2% of oxide traps more CO2 than the reference zeolite. These studies were also been performed in presence / absence of humidity using gaseous mixture (CH4 or C3H8). With water, the CO2 adsorption capacities are strongly affected. In presence of methane or propane, no change of adsorption capacities is observed with the baryum exchanged zeolite.