Apport et limitation de la spectroscopie infrarouge à la compréhension du phénomène de physisorption sur les zéolithes de topologie MFI

par Anthony Ballandras

Thèse de doctorat en Chimie - physique

Sous la direction de Maud Rotger et de Guy Weber.

Soutenue le 21-07-2011

à Dijon , dans le cadre de École doctorale Carnot (Dijon) , en partenariat avec Laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne (Dijon) (laboratoire) .

Le jury était composé de Bruno Domenichini, Laurent Manceron.

Les rapporteurs étaient Dominique Cavagnat, Nicole Floquet.


  • Résumé

    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.

  • Titre traduit

    Contribution and limitation of infrared spectroscopy technique to understand physisorption processes on MFI zeolites


  • Résumé

    This manuscript is devoted to the study of adsorption processes by FTIR spectroscopy. The experimental results concern the adsorption of ethylene, trichloroethylene, tetrachloroethylene, sulfur hexafluoride or p-xylene on MFI zeolites, more especially on silicalite-1. The first step of the work was to develop a new experimental device and procedure in order to obtain reliable absorption infrared data and to improve results previously obtained by a prototype. The first main result is to characterize, maybe for the first time, the evolution of the spectrum of the adsorbent all during the adsorption process. Experiments reveal that the zeolite infrared spectrum undergoes strong modifications when trichloroethylene, tetrachloroethylene or p-xylene molecules are adsorbed. These modifications have been correlated to adsorbent phase transitions characterized elsewhere by other experimental techniques. Another main result concerns the characterisation of the adsorbed phase during the accumulation of molecules in the zeolite. From a general point of view, the confinement of admolecules inside microporosity induces small shifts of vibrational bands of the adsorbed phase without significant modification of their shape. In contrast, the area of these bands depends on the nature and the number of adsorbed molecules. Indeed, it linearly increases with loading for the adsorption of ethylene, sulfur hexafluoride or trichloroethylene. On the contrary, when stepped isotherms are obtained, that is the case for tetrachloroethylene or p-xylene adsorption, the area of these bands stay constant within a filling domain 3-6 molec.(u.c)-1. The assumption of the formation of dimeric structures is proposed to explain such a singular behaviour.


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