Effet de l'eau sur les propriétés d'adsorption d'un solide nanoporeux : étude par simulation moléculaire de la zéolithe faujasite

par Christèle Beauvais

Thèse de doctorat en Chimie. Chimie - Physique

Sous la direction de Alain Fuchs.

Soutenue en 2004

à Paris 11 , en partenariat avec Université de Paris-Sud. Faculté des sciences d'Orsay (Essonne) (autre partenaire) .


  • Résumé

    Mon travail se situe dans le cadre général de la modélisation de la physisorption de fluides moléculaires, tels que l'eau, dans les zéolithes et autres matériaux nanoporeux. Les propriétés d'adsorption dans les zéolithes faujasites (aluminosilicates microporeux) sont intimement liées à la localisation des cations extra-charpente et à leur accessibilité à d'autres molécules. Aussi, j'ai étudié la distribution des cations sodium dans la faujasite anhydre, pour tous les rapports Si/Al. J'ai repris ensuite cette étude pour une faujasite hydratée, en mettant en évidence la redistribution des cations lors de l'adsorption d'eau. Le même phénomène est observé en présence de molécules de xylène adsorbées dans les pores, mais pour un taux d'hydratation beaucoup plus faible. J'ai également calculé, et comparé aux résultats expérimentaux, les isothermes d'adsorption d'eau et les chaleurs d'adsorption. J'ai testé la sensibilité de nos résultats vis-à-vis de petites modifications du potentiel utilisé pour l'eau. Enfin, j'ai étudié l'adsorption des isomères para et meta du xylène par une faujasite NaY, anhydre puis hydratée. J'ai mis en évidence l'influence de la présence d'eau sur les propriétés d'adsorption sélective de la faujasite NaY vis-à-vis de ces isomères. Ainsi, nous avons pu voir au cours de cette thèse que les problèmes posés par la mobilité des cations, et par la présence d'eau, sont complexes, mais il est essentiel de les intégrer dans l'étude de tout matériau nanoporeux. Les méthodes que j'ai développées ici, notamment le "Parallel Tempering", sont généralisables à tout couple adsorbant/adsorbat.

  • Titre traduit

    Effect of water on adsorption properties of nanoporous materials : molecular simulation study of faujasite zeolite


  • Résumé

    This work deals with the properties of water confined in the nanometer-scale channels and pores of zeolites and other inorganic open framework materials. Adsorption properties in zeolites are closely related to the location of nonframework cations and to their accessibility to adsorbed molecules. I report a molecular simulation study of water and aromatics adsorption in zeolite sodium faujasite NaY and NaX. We use a recently developed Monte Carlo simulation method that enables the nonframework cation distribution to change upon water adsorption. The location of extraframework cations in anhydrous faujasite have been elucidated for all Si:Al ratio. In the case of hydrated faujasite, cation redistribution is observed upon water adsorption. The same phenomenon is observed in presence of adsorbed xylene molecules in the framework. A very small amount of water (some 5% weight) leads to the observed cation redistribution. There is another consequence of the presence of water, that is a change by a factor of 4 in the adsorption selectivity of NaY in favour of p-xylene, when a mixture of m and p-xylene are exposed to the zeolite sample. Water adsorption isotherms and heats of adsorption have been calculated and compared to available experimental data. The sensibility of the results to little changes of the intermolecular potential model has also been studied. The issue addressed in the present work is the effect of small amount of water on the separation processes involving hydrocarbon mixtures. The molecular simulation tools developed in this work, such as the " parallel tempering " method can, in principle, be extended to any type of guest-host systems.

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Informations

  • Détails : 213 p.
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. p.205-211

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  • Bibliothèque : Université Paris-Saclay (Orsay, Essonne). Service Commun de la Documentation. Section Sciences.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : 0g ORSAY(2004)129

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  • Disponible pour le PEB
  • Cote : 04 PA11 2129
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