Developing a strategy to evaluate the potential of new porous materials for the separation of gases by adsorption

par Andrew Wiersum

Thèse de doctorat en Sciences des Matériaux, Physique, Chimie et Nanosciences

Sous la direction de Philip Llewellyn.

Le président du jury était Elisabeth Badens.

Le jury était composé de Philip Llewellyn, Elisabeth Badens, Guy De Weireld, Stéfano Brandini.

Les rapporteurs étaient Guy De Weireld, Stéfano Brandini.

  • Titre traduit

    Elaboration d'une stratégie pour évaluer le potentiel de nouveaux matériaux poreux pour la séparation des gaz par adsorption.


  • Résumé

    Les Metal-Organic Framework (MOF) sont des adsorbants très prometteurs pour la séparation des gaz. Formés de centres métalliques reliés par des ligands organiques, ces matériaux présentent une structure organisée avec des pores de taille contrôlée ainsi que des surfaces et des volumes poreux très élevées. La possibilité de faire varier à la fois le centre métallique et le ligand organique donne aux MOFs une très grande diversité qu'on ne retrouve pas chez les zéolithes et les charbons actifs.L'objectif de cette étude a été d'évaluer le potentiel des MOFs en tant qu'adsorbants pour quatre procédés de séparation de gaz. En raison du grand nombre de MOFs disponibles, il a été nécessaire d'élaborer une stratégie pour identifier les matériaux les plus prometteurs dans chaque cas. Cette méthodologie comprend quatre étapes : une étape de criblage, une étape expérimentale, une étape de calcul et une étape d'évaluation.Pour l'étape de criblage, un nouvel appareil dit « à haut débit » a été développé pour mesurer des isothermes approximatives. Ensuite, un certain nombre de matériaux ont été retenus pour faire une étude plus approfondie de leurs propriétés d'adsorption. Des isothermes très précises ont été mesurées par gravimétrie tandis que les enthalpies d'adsorption ont été obtenues par microcalorimétrie. Dans l'étape de calcul, le modèle IAST a été utilisée pour prédire les sélectivités à partir des données en gaz pur. Enfin, les adsorbants ont été classés à l'aide d'un nouveau paramètre de sélection qui regroupe la sélectivité, la capacité efficace et l'enthalpie d'adsorption, où l'importance de chacun des paramètres peut être ajustée en fonction des besoins du procédé.


  • Résumé

    Metal-Organic Frameworks (MOFs) are seen to be one of the most promising classes of adsorbents for gas separations. Consisting of metal clusters connected by organic linkers to form a fully crystalline network, these materials have record breaking surface areas and pore volumes as well as a wide variety of pore structures and sizes. This, coupled with the possibility to use virtually any transition metal as well as functionalized linkers, gives MOFs the chemical and physical versatility often lacking in traditional adsorbents such as zeolites and activated carbons.The purpose of this study was to evaluate the potential of MOFs as adsorbents for four gas separations of interest to the petrochemical industry. Because of the diversity and number of MOFs available, a methodology was needed to help identify the most promising materials in each case. The proposed methodology comprises four stages: a screening step, an experimental step, a computational step and finally an evaluation step. For the first stage, a high-throughput setup was developed to measure rough adsorption isotherms. A number of materials were then selected for a more thorough investigation of their adsorption properties. Highly accurate isotherms were measured gravimetrically while precise adsorption enthalpies were obtained by microcalorimetry. Step three involved predicting the co-adsorption behaviour from the pure gas isotherms using the Ideal Adsorbed Solution Theory. Finally, the adsorbents were ranked based on a new selection parameter regrouping selectivity, working capacity and adsorption enthalpy where the importance of each term can be adjusted depending on the requirements of the process.


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  • Détails : 1 vol. (198 p. - A-59)
  • Annexes : Notes bibliogr.

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