Capture sélective d'eau par des tamis moléculaires de taille nanométrique permettant un éco-recyclage et une augmentation de la durée de vie des lubrifiants

par Eng-Poh Ng

Thèse de doctorat en Chimie des matériaux

Sous la direction de Svetlana Mintova.


  • Résumé

    L’eau sous forme dissoute, émulsifiée ou libre est l’une des contaminants les plus nocifs pour les huiles lubrifiantes. Sa concentration élevée dans les lubrifiants conduit à la dégradation et à la corrosion des ces derniers ainsi qu’à une usure excessive et un endommagement des surfaces métalliques lubrifiées. Vu les effets destructifs de la présence de l’eau dans les huiles lubrifiantes, le contrôle de leur teneur en eau semble indispensable afin de prolonger simultanément la durée de vie des lubrifiants et celle des machines. L’objectif de cette étude est de contrôler et réduire le contenu en eau des huiles lubrifiantes via des techniques d’adsorption ; techniques assez efficaces et écologiques pour remplacer la méthode traditionnelle de distillation. Afin de réaliser ce but, des matériaux microporeux et hydrophiles ont été choisis et préparés dans les buts de i) piéger l’eau au cours de la purification des huiles et ii) contrôler la quantité d’eau et le degré de dégradation durant le processus d’oxydation des huiles, ceci en utilisant les matériaux microporeux en tant qu’additifs. L’étude consiste premièrement en une sélection, une synthèse et une caractérisation des capacités de sorption d’eau de plusieurs matériaux microporeux, hydrophiles et de tailles nanométriques. D’abord, une synthèse écologique de tamis moléculaires de tailles nanométriques par chauffage aux micro-ondes a été développée. Cette méthode permet la réutilisation des réactifs non réagis réduisant ainsi, voire éliminant, les déchets résultant de la synthèse. Par conséquent, des rendements raisonnables de matériaux microporeux nanocristallins sont produits avec un coût et une toxicité remarquablement réduits. De plus, l’utilisation des irradiations micro-ondes permet la préparation de nanocristaux de matériaux microporeux en quelques minutes lorsque la synthèse par voie hydrothermale nécessite quelques jours. Ceci rend la synthèse fiable de point de vue économique et environnemental. Ensuite, une préparation de nanocristaux d’aluminophosphates en présence d’un liquide ionique a été reportée. Le liquide ionique joue un rôle double : en tant qu’agent permettant le remplissage des pores des matériaux synthétisés et en tant que solvant. Egalement, le liquide ionique n’ayant pas réagi est récupéré à la fin de la synthèse pour être réutilisé avec d’autres lots. Pour la vi préparation de cristaux nanométriques d’aluminosilicates, ayant une teneur importante en aluminium, des synthèses ont eu lieu à partir de systèmes ne contenant pas de structurants organiques, à basse températures (30-50 °C) et à faibles durées de synthèse (1-3 jours). La totalité des matériaux obtenus présentent de volumes poreux importants et une grande capacité d’eau répondant aux exigences de bons adsorbants hydrophiles. Dans le but d’augmenter la durée de vie des lubrifiants, un éco-recyclage de différentes huiles minérales et végétales a été mis en évidence par une adsorption sélective d’eau sur les nanocristaux de matériaux microporeux. [...]

  • Titre traduit

    Design and application of hyfrophilie nanoporous materials for selective capturing of water to increase lubricant lifetime


  • Résumé

    Water in solution, emulsion and separate form is one of the most harmful contaminants in lubricant oils. The high concentration of water in lubricants leads to oil degradation, corrosion, excessive wear and premature failure of lubricated metal surfaces. As water has such destructive effects on lubricants, a special attention to the control of the water level has to be paid in order to prolong the lifetime of both lubricants and machinery. The aim of this work is to control and reduce the water content in lubricant oils using adsorption technique as an effective and green alternative to replace the traditional distillation method. In order to achieve this goal, microporous materials with hydrophilic properties were selected and prepared to (i) capture the water during static oil purification and (ii) apply as additives to control the water level and degradation during the oxidation process of lubricating oils. The study starts with the selection, synthesis and characterization of water sorption behavior of several hydrophilic microporous materials with nanosized dimensions. Additionally, an environmentally benign synthesis of the nanosized molecular sieves by microwave heating involving an efficient re-utilization of nonreacted materials has been developed, resulting in decrease and almost no related wastes. Thus the quantity of expensive and toxic chemicals is reduced. This approach results in a reasonable crystalline yield of the nanomaterials, while the production cost is remarkably lowered. In addition, the use of microwave irradiation leads to a preparation of nanocrystalline material within several minutes instead of days compared to conventional heating, which makes the process economically viable and environmentally benign. Additionally, the preparation of discrete nanosized aluminophosphate crystals by an ionic liquid mediated approach is reported. The ionic liquid has a dual function, as pore filling agent and solvent. In addition, the non-reacted ionic liquid after the syntheses are recovered and reused for several batches. For the preparation of aluminosilicates, template-free syntheses of nanosized aluminosilicate crystals with high Al content have been carried out. They were synthesized at low temperature (30-50 °C) for short time (1- ix 3 days). All resulting materials have high pore volume and high water capacity, which meet the expected requirements for highly hydrophilic sorbents. Eco-recycling of mineral and vegetable oils for an increase of lubricant lifetime by selective adsorption of water using the microporous nanocrystals was carried out. The oils were oxidized and purified with the molecular sieves. The processes of oxidation and purification of the two types of oil is followed by Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR), atomic absorption spectroscopy (AAS), Karl Fischer (KF) titration, thermogravimetry analysis (TGA) and gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS). In addition, FT-IR combined with a solvent (dimethyl sulfoxide, DMSO) extraction method is used to quantify the water content in lubricant oils, which rivals the accuracy of the classical KF titration; it is deemed to be an alternative analytical method for water content determination. The influence of treatment parameters including zeolite type, crystal size, temperature, sorbent loading and treatment time on the purification process of oxidized oil was studied. In addition, the hydrophilic microporous materials were applied as additives for controlling the water content and inhibiting the oxidation of oil. It is found that aluminosilicates control the water content and inhibit the oil degradation better at elevated temperatures, while aluminophosphates have an improved performance at mild conditions (< 90?C). Moreover, the oxidative stabilities of vegetable oils in the presence of the microporous additives are related to their poly-unsaturation contents. [...]

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