Thèse soutenue

Vers une intégration de solides poreux hybrides (MOFs) pour la préservation du patrimoine
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Auteur / Autrice : Maria Neves
Direction : Christian SerreMoïse Pinto
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Chimie des Matériaux
Date : Soutenance le 15/06/2022
Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie des matériaux (Paris)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des matériaux poreux de Paris
établissement opérateur d'inscription : Ecole supérieure de physique et de chimie industrielles de la Ville de Paris (1882-....)
Jury : Président / Présidente : Anne Dolbecq
Examinateurs / Examinatrices : Christian Serre, Moïse Pinto, Johnny Deschamps, Sabine Devautour-Vinot, Laurence Rozès, Farid Nouar
Rapporteurs / Rapporteuses : Anne Dolbecq, Johnny Deschamps

Mots clés

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Résumé

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La présence de polluants dans l’air intérieur incite les chercheurs à trouver de nouvelles solutions. Les composés organiques volatiles (COVs) sont une classe de polluants nocifs pour la santé mais associés aussi à la perte d'artefacts culturels. Dans le cadre du projet EU-H2020 'Nemosine' (solutions d'emballage innovantes pour le stockage et la conservation du patrimoine culturel du XXe siècle à base de dérivés de cellulose; partenaires: universitaires, PME et utilisateurs), de nouveaux adsorbants de type Metal-Organic Frameworks (MOF) ont été étudiés pour résoudre ce problème.L'un des principaux composants qu'il est important de capturer est ici l'acide acétique (AA), qui est issu de la dégradation autocatalytique de l'acétate de cellulose, à partir duquel les bobines de films anciens sont produites. Cependant, l'AA est présent en quantité bien inférieure à l'eau présente dans l’air ambiant ce qui rend son adsorption sélective un véritable défi à surmonter. Cette problématique est extrapolable à la capture d’autres Composés Organiques Volatils polaires.Les MOFs, de par leurs structures et compositions aisément modulables en fonction de l’application visée, ont été explorés majoritairement pour la séparation. Afin d’accéder à une adsorption plus sélective de l’AA en conditions environnementales, deux stratégies ont été mises en place : soit accroître le caractère hydrophobe, soit augmenter les interactions entre l’AA et la charpente du MOF. Dans cette thèse, la présence de sites métalliques acides ou alternativement l'utilisation de ligands fonctionnalisés sur des structures microporeuses a permis d’améliorer la capture de l'AA.Cependant, l’étude des coûts de production de ces MOFs est primordiale en préalable à leur commercialisation. Deux MOFs de référence ont été évalués, parmi lesquels l’un des matériaux les plus prometteurs pour la capture de l’AA. La fabrication de ces MOFs (synthèse et purification) suivant des règles écoresponsables, a été étudiée, leurs conditions de production optimisées et leur mise à l'échelle établie en se basant sur des tests expérimentaux à l'échelle pilote de laboratoire. Cela a permis de concevoir des processus de production à l’échelle industrielle et d’identifier les principaux coûts de production. Pour ces deux MOFs, se basant sur des procédés de synthèse en réacteur à pression ambiante et en conditions vertes, des valeurs inférieures à 30 $/kg pour une production de 1 kton/an ont été calculées. L'échelle, l'investissement en capital fixe et le prix des matières premières se sont révélées des facteurs essentiels pour obtenir les coûts de production les plus faibles.La poudre obtenue après synthèse ne permettant pas l’utilisation pratique des MOFs, leur mise en forme est donc essentielle pour une manipulation sans risque et des performances optimales. Diverses méthodes de mise en forme (granulation, extrusion, incorporation de mousse) ont donc été envisagées. Le processus a été adapté afin de développer un protocole permettant d'obtenir des corps mécaniquement stables tout en conservant les performances initiales afin d’être facilement incorporés dans les boîtes contenant des films anciens à base de cellulose. Les différents échantillons ont été testés par des mesures d’isothermes en corps pur, des tests en chambre environnementale d’adsorption dans les conditions des musées (40 % H.R., à 25 °C).Le travail développé dans cette thèse est issu de l'étroite collaboration entre l'Institut des Matériaux Poreux de Paris, l'ESPCI-ENS et l'Instituto Superior Técnico, l'ULisboa.