Synthèse d’oxydes métalliques par voie alginate et leur application dans l’oxydation catalytique des COV

par Siham Behar

Thèse de doctorat en Sciences Chimiques

Sous la direction de Françoise Quignard.


  • Résumé

    Les composés organiques volatils (COV) contribuent fortement à la pollution atmosphérique. Plusieurs techniques sont possibles pour leur élimination parmi lesquelles, l'oxydation catalytique est une alternative intéressante. Ces dernières années de nombreux efforts ont été entrepris pour la conception de catalyseurs à base d'oxyde de métaux de transition afin de remplacer les métaux nobles, généralement plus actifs pour cette réaction, mais chers. Le principal objectif de cette thèse est le développement de nouveaux catalyseurs à base d'oxyde métallique pour l'élimination du toluène, choisi comme modèle de COV, utilisant l'air comme oxydant. Les catalyseurs ont été préparés à partir de gels ionotropiques d'alginate. Ce biopolymère, un polysaccharide extrait des macro-algues brunes, est un copolymère à blocs fonctionnalisés sur chaque sucre par une fonction carboxylate. La coordination des cations conduit à la formation des gels. Après séchage, la matrice est sacrifiée par traitement thermique et cette voie de synthèse permet d'aboutir à des oxydes métalliques non supportés mais bien dispersés, ainsi qu'un contrôle de la structure, de la composition et de la taille des particules. Tous les matériaux obtenus à base de Fe, Co, Mn, Cu, sont caractérisés par DRX, TPR, MEB, MET, ATG, XPS, EDS, AE, adsorption-désorption d'azote. Parmi les oxydes (oxydes simples et mixtes) évalués comme catalyseurs dans la réaction d'oxydation totale du toluène en phase gaz, l'oxyde mixte cuivre-manganèse a été le plus prometteur. Sa performance est attribuée à la présence de la phase mixte de type spinelle Cu1.5Mn1.5O4 obtenus indépendamment de la structure de l'alginate. Ce catalyseur n'a pas montré de désactivation en fonction du temps (75 h) ni au cours de cycles successifs d'utilisation. Ses propriétés texturales et structurales sont conservées. Enfin, plusieurs modèles cinétiques (loi de puissance, modèle de Langmuir – Hinshelwood et le modèle de Mars-van Krevelen) ont été ajustés aux données expérimentales. L'analyse complète des données cinétiques a permis de conclure que la vitesse de réaction d'oxydation totale du toluène en phase gaz sur l'oxyde mixte cuivre manganèse, est mieux décrite par un modèle de type Mars-van Krevelen.

  • Titre traduit

    Synthesis of metal oxides from ionotropic alginate gels and their catalytic properties for air oxidation of VOCs


  • Résumé

    Volatile organic compounds (VOCs) contribute significantly to air pollution. Several techniques are available for their elimination including the interesting catalytic oxidation. In recent years many efforts have been made to design catalysts based on transition metal oxide to replace noble metals, usually more active for this reaction, but more expensive. The main objective of this thesis is the development of a new synthesis way to produce catalysts based on metal oxide for the removal of toluene, chosen as a model VOC, using air as oxidant. The catalysts were prepared using ionotropic alginate gels as precursors. This biopolymer, a polysaccharide extracted from brown macroalgae is a block copolymer functionalized on each sugar unit by a carboxylate function. The carboxylate- cations coordination leads to the formation of gels. After drying, the matrix is eliminated by thermal treatment and this synthesis route can lead to unsupported but well dispersed metal oxides with a good control of the structure, composition and particle size. All materials obtained based on Fe, Co, Mn, Cu, were characterized by XRD, TPR, SEM, TEM, TGA, XPS, EDS, EA, and adsorption-desorption of nitrogen. Among the oxides (single and mixed oxides) evaluated as catalysts in the reaction of toluene oxidation in gas phase, the copper manganese oxide was the most promising catalyst. Its performance is attributed to the presence of the spinel mixed phase Cu1.5Mn1.5O4, obtained independently of the alginate structure. This catalyst showed no deactivation over time (75 h) or after successive uses. Its textural and structural properties were preserved. Finally, several kinetic models (power law model, Langmuir - Hinshelwood model and Mars-van Krevelen model) were fitted on experimental data. The complete analysis of the kinetic data allowed to conclude that the rate of toluene total oxidation reaction in gas phase on copper manganese mixed oxide, is best described by a Mars-van Krevelen model.


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