Adsorption de dichlorobenzènes par des zéolithes cationiques en présence d’eau

Adsorption of dichlorobenzenes by cationic zeolites in presence of water

• Auteur / Autrice : Tarik Ammouli
• Direction : Philippe Sonnet, Régis Stephan
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie-physique
• Date : Soutenance le 03/02/2022
• Etablissement(s) : Mulhouse
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie-physique (Strasbourg ; 1994-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Science des Matériaux de Mulhouse - Institut de Science des Matériaux de Mulhouse / IS2M

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation quantique

Technique de l'environnement

Biotechnologie appliquée à l'environnement

Zéolites

Polluants organiques persistants

Mots clés libres

Adsorption

Zéolithes cationiques

Dichlorobenzène

Taux d’hydratation

Simulation classique et quantique

Monte Carlo

DFT

Adsorption

Cationic zeolites

Dichlorobenzene

Hydration rate

Classical and quantum simulation

Monte Carlo

DFT

Résumé

La conception de nouvelles technologies de dépollution visant les polluants organiques persistants (POPs), issus majoritairement de l’activité humaine et dotés d’une nocivité majeure, constitue un sujet prioritaire de la recherche fondamentale et appliquée. Une voie prometteuse est basée sur l’adsorption sélective par les Faujasites cationiques, zéolithes alliant large porosité et présence des cations qui forment les sites d’adsorption préférentiels. Néanmoins, dû au caractère hydrophile, la porosité des zéolithes cationiques dans les conditions normales de température et de pression, est partiellement occupée par des molécules d’eau, nécessitant une activation énergivore avant l’emploi. Nous avons combiné des techniques de simulation classique (mécanique moléculaire et Monte Carlo) et quantique (DFT) afin de décrire l’adsorption des isomères de dichlorobenzène (DClB), précurseurs et modèles des POP, dans les Faujasites cationiques activées et hydratées. Tout d’abord, nous avons établi des modèles réalistes pour les Faujasites étudiées (KX, LaX, YNaX). La distribution cationique et le paramètre de maille pour chaque composition chimique ont été déterminés. De plus, une fonction d’énergie potentielle pour l’interaction Y3+ - O(FAU) a été établie. Puis, nous avons décrit l’adsorption d’eau dans les Faujasites et déterminé ses sites d’adsorption préférentiels. Enfin, nous avons déterminé les propriétés d’adsorption des DClBs dans les Faujasites activées et hydratées, en faisant varier le taux d’hydratation. Nous avons alors mis en évidence l’influence de sites cristallographiques du cation sur les interactions avec l’adsorbat. De plus, nous avons déterminé le taux d’hydratation maximal pour lequel l’influence sur l’adsorption des DClB reste limité, permettant ainsi d’économiser l’énergie lors de l’activation.

The design of new depollution technologies targeting persistent organic pollutants (POPs), mainly resulting from human activity and endowed with high toxicity, is an emergency subject for fundamental and applied research. A promising candidate is based on selective adsorption by cationic Faujasites, zeolites combining large porosity and the presence of cations which lead to preferential adsorption sites. Nevertheless, due to their hydrophilic character of cationic zeolites, their porosity under moderate thermodynamic conditions, is partially occupied by water molecules. Thus, their application often requires a high energy cost activation phase. We have combined classical (molecular mechanics and Monte Carlo) and quantum (DFT) simulation techniques to describe the adsorption of dichlorobenzene (DClB) isomers, precursors and models of POPs, in activated and hydrated cationic Faujasites. First, realistic adsorbent models for the studied Faujasites (KX, LaX, YNaX) have been built. The cation distribution and lattice parameter for each chemical composition were determined. In addition, a potential energy function for the Y3+- O(FAU) interaction was established. Then, water adsorption phenomenon in Faujasites has been studied by determining water preferential adsorption sites. Finally, the adsorption properties of DClBs in activated and hydrated Faujasites have been simulated, by varying the hydration rate. Furthermore, the influence of crystallographic sites of the cation on the interactions with the adsorbate has been highlighted. And finally, we have determined the optimal hydration rate where the influence on the adsorption of DClB remains limited, thus saving energy during activation.