Les activités humaines ont généré une augmentation importante de la concentration de gaz à effet de serre (GES) au cours des 150 dernières années, ce qui est relié à plusieurs problèmes environnementaux, tels que le réchauffement planétaire et les changements climatiques. Le secteur agricole contribue de 8 à 10% aux émissions totales de GES dans l'atmosphère, et les principaux GES émis sont le dioxyde de carbone (CO₂), le méthane (CH₄) et l’oxyde nitreux (N₂O). Le contrôle et la quantification de ces émissions requièrent des technologies qui permettent de les capturer et ou les dégrader, par exemple par adsorption. L'objectif du présent projet est de caractériser des matériaux qui puissent être utilisés comme adsorbants des GES et de décrire leurs cinétiques d’adsorption afin d’avoir l’information qui permette de sélectionner des adsorbants pour capturer le CH₄ et le N₂O à des basses concentrations et à température et pression ambiantes. Pour adsorber le CH₄, des adsorbants commerciaux et synthétiques ont été utilisés. Les adsorbants choisis ont été des zéolithes, un biocharbon conditionné au laboratoire et un ZIF (« Zeolitic imidazolate framework », ZIF-8) synthétisé au laboratoire. Ce dernier a été employé aussi pour adsorber du N₂O. La capacité d’adsorption de CH₄ et de N₂O a été évaluée pour chaque adsorbant par de tests dynamiques d’adsorption du gaz sous conditions ambiantes. Des zéolithes commerciales sous forme de billes ou d’extrudés et de poudre ont été caractérisées physiquement et chimiquement afin de corréler leurs propriétés avec la capacité d'adsorption de CH₄. L’effet de la structure et de la composition chimique sur la capacité d'adsorption de CH₄ ont été analysées. La capacité d'adsorption du CH₄ par les zéolithes commerciales a été étudiée à 30°C, à pression atmosphérique et à pressions partielles du CH₄ inférieures à 0,40 kPa (4000 ppm CH₄). L’isotherme d’adsorption de Freundlich a ajusté correctement aux données expérimentales. Il a été observé que la capacité d’adsorption du CH₄ augmentait avec la surface spécifique et le volume de pores, tandis qu’elle diminuait avec le rapport Si/Al et la température. Egalement, les zéolites sous forme de poudre ont présenté des capacités d’adsorption du CH₄ plus élevées que les zéolithes sous forme de billes ou d’extrudés. Du biocharbon obtenu par torréfaction du carton ciré a été traité chimiquement avec KOH et caractérisé. La caractérisation physique, chimique et thermique du carton ciré torréfié et des échantillons traités chimiquement permet de prédire la durabilité des échantillons et de corréler ses propriétés avec sa capacité d’adsorption. La capacité d'adsorption du CH₄ par le biocharbon a été étudiée à 30°C, à pression atmosphérique et à pressions partielles du CH₄ inférieures à 0,40 kPa (4000 ppm CH₄). L’isotherme d’adsorption de Freundlich a ajusté les données expérimentales. La capacité d'adsorption augmentait avec le temps de torréfaction et diminuait avec le traitement chimique. Le ZIF-8 a été obtenu par synthèse solvothermale et caractérisé physiquement et chimiquement afin de corréler ses propriétés avec sa capacité d'adsorption du CH₄ et du N₂O. La capacité d'adsorption du CH₄ et du N₂O a été étudiée à 30 °C et à pression atmosphérique, tandis que les pressions partielles du CH₄ et N₂O ont été inférieures à 0,40 kPa pour le CH₄ (4000 ppm CH₄) et à 0,10 kPa pour le N₂O (1000 ppm N₂O). L’isotherme d’adsorption de Freundlich ajuste correctement les donnés expérimentales. En plus, de l’adsorption d’un mélange de CH₄ et N₂O a été étudié et la courbe de percé du CH₄ est affecté pour le N₂O. Parmi les différents matériaux utilisés lors de l’adsorption du CH₄ à 30 ºC et à pressions partielles de CH₄ inférieures à 0,40 kPa (4000 ppm CH₄), les biocharbons présentent la capacité d’adsorption la plus élevée, suivis par le ZIF-8 et les zéolithes commerciales. / Human activities contributed with a significant increase in GHG concentrations over the past 150 years and they are related to environmental issues, such as global warming and climate change. The agricultural sector contributes 8 to 10% of total GHG emissions to the atmosphere, being carbon dioxide (CO₂), methane (CH₄) and nitrous oxide (N₂O) the main GHGs emitted. The control and quantification of these emissions requires technologies which can capture and or degrade these GHG, for example by adsorption. The objective of this project is to characterize adsorbents and to describe their adsorption kinetics in order to select the most suitable for the adsorption of CH₄ and N₂O at low concentration and at ambient temperature. For CH₄ adsorption, commercial and synthesized adsorbents were tested. The selected adsorbents were commercial zeolites, laboratory conditioned biochar and synthesized ZIF ("Zeolitic imidazolate framework"). ZIF was also used for N₂O adsorption. The adsorption capacity of CH₄ and N₂O for each adsorbent was evaluated by dynamic adsorption tests of the gas under atmospheric conditions. Commercial zeolites, in the form of pellets and powders, were physically and chemically characterized in order to correlate their properties with its CH₄ adsorption capacity. The effect of zeolites structure and chemical composition on the adsorption capacity of CH₄ was evaluated for zeolites in the form of pellets and powders. CH₄ adsorption capacity of commercial zeolites was studied at 30 °C, atmospheric pressure and at CH₄ partial pressures lower than 0.40 kPa (4000 ppm CH₄). Freundlich isotherm fitted the experimental data of CH₄ adsorption. The adsorption capacity of CH₄ increased with the surface area and pore volume, while decreased with the Si/Al ratio and temperature. Furthermore, the zeolites in powder form exhibited higher CH₄ adsorption capacities than those of zeolites in pellets. The torrefied cardboard was chemically treated with KOH and it was physically, chemically and thermally characterized to correlate its properties with its CH₄ adsorption capacity and to predict the durability of the samples. The adsorption capacity of CH₄ of torrefied cardboard was studied at 30 °C, atmospheric pressure and CH₄ partial pressures lower than 0.40 kPa (4000 ppm CH4). The Freundlich adsorption isotherm fitted correctly the experimental data. CH4 adsorption capacity increased with torrefaction time and decreased with chemical treatment. ZIF-8 was obtained by solvothermal synthesis and was physically and chemically characterized in order to correlate its properties with its adsorption capacity of CH₄ and N₂O. The adsorption capacity of CH₄ and N₂O was studied at 30 °C and atmospheric pressure, while the partial pressures of CH₄ and N₂O evaluated were lower than 0.40 kPa for CH₄ (4000 ppm CH₄) and lower than 0.10 kPa for N2O (1000 ppm N₂O). The experimental adsorption of CH₄ an N₂O was fitted by Freundlich isotherm. Furthermore, the adsorption of a mixture of CH₄ and N₂O was evaluated, being CH₄ breakthrough influenced in the presence of N₂O. Among the different materials used for CH₄ adsorption at 30 ºC and partial pressures lower than 0.40 kPa (4000 ppm CH₄), biocharbons presented the highest adsorption capacity, followed by ZIF- 8 and commercial zeolites.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LAVAL/oai:corpus.ulaval.ca:20.500.11794/27771 |
| Date | 24 April 2018 |
| Creators | Delgado Cano, Beatriz |
| Contributors | Godbout, Stéphane, Giroir-Fendler, Anne, Lagacé, Robert |
| Source Sets | Université Laval |
| Language | French |
| Detected Language | French |
| Type | thèse de doctorat, COAR1_1::Texte::Thèse::Thèse de doctorat |
| Format | 1 ressource en ligne (xxiii, 152 pages), application/pdf |
| Rights | http://purl.org/coar/access_right/c_abf2 |
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