Zalfa NOUR ModÃ©lisation de l'adsorption des molÃ©cules Ã fort ...

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INTRODUCTION GENERALEdifférents modes possibles d’interaction de CO avec les cations métalliques pour unenvironnement local bien défini. En 2006, il a ainsi pu être mis en évidence un nouveau typed’interactions du monoxyde de carbone avec la Cu I NaY dans laquelle la molécule de COinteragit simultanément avec un cation Cu I par son atome de carbone, et avec un cation Na +par son atome d’oxygène, formant ainsi une structure de la forme: Cu I …CO…Na + . Ce typed’interactions a été ensuite observée dans d’autres zéolithes comme la FER, la ZMS-5 et laLTA. Il a été montré également au cours de ces travaux que pour former cette interaction, COinduit des réarrangements du réseau de la zéolithe ainsi que de celui de cations.L’objectif de ma thèse a été d’étudier l’influence de cette interaction double sur la fréquencede vibration du CO qui n’avait pas été abordée jusqu’ici sur ces systèmes. Une étudesystématique de l’adsorption de CO dans les faujasites échangées simultanément au Cu I etaux alcalins (Na + , K + et Li + ) a été menée, afin d’explorer de façon précise la surface d’énergiepotentielle et au-delà identifier les types d’interactions possibles de CO avec les cations extraréseau.Une étude identique a été aussi réalisée sur la faujasites échangée complètement auNa + . Pour chaque type d’interaction possible de CO, une analyse des propriétés structurale,énergétique et vibrationnelle a été menée. Grâce à ces derniers, une nouvelle interprétation duspectre IR de CO adsorbé dans la CuY et la NaY a pu être proposée. Ces études ont étéréalisées en utilisant l’approche cluster, sur des modèles relativement grand contenant 42tétraèdres T (T = SiO 4 ou AlO 4 ). Afin d’étudier la fiabilité de cette approche, une étudecomparative a été menée pour les deux faujasites (Cu I NaY et NaY) en faisant appel à uneapproche périodique, conduisant à l’observation des mêmes tendances. De plus une étude del’effet du changement de la taille du cluster sur les trois aspects structural, énergétique etvibrationnel a été aussi réalisée en utilisant un modèle cluster de taille plus petite contenantuniquement 16T.Par ailleurs, j’ai aussi étudié l’adsorption du monoxyde de carbone dans la Faujasite,sujet qui revêt un intérêt majeur dans le domaine du captage de gaz présentant des effetsnéfastes sur l’environnement. CO peut être considéré comme une impureté qui contamine lesflux de H 2 utilisés dans les piles à combustible, d’où la nécessité de l’éliminer. Les procédésPSA sont le plus souvent utilisés pour capter les molécules polluantes comme CO. Le principede cette technique est fondé sur l’utilisation d’adsorbants sélectifs, et les zéolithes comptentparmi les meilleurs candidats. L’évaluation des propriétés d’adsorption d’une zéolithe donnée14
INTRODUCTION GENERALEvis-à-vis du CO peut être conduite en déterminant les propriétés thermodynamiques de cesystème, ce qui revient à obtenir l’isotherme et l’enthalpie d’adsorption. Ceci peut se faire pardes techniques expérimentales telles que la gravimétrie, la manométrie ou lamicrocalorimétrie… Cependant, dans le cas où le gaz étudié est relativement toxique, commec’est le cas pour CO, l’utilisation de ces techniques reste très complexe. Ce problème peutêtre surmonté en substituant les techniques expérimentales par des expériences numériques. Ace niveau, la technique la plus appropriée pour étudier les propriétés thermodynamiqued’adsorption de CO est la méthode Monte Carlo dans l’ensemble grand Canonique (GCMC).Il s’agit d’une technique de simulations classique qui requiert un champ de force robustecapable de rendre compte le plus fidèlement de toutes les interactions mises en jeu dans lesystème étudié. Au-delà de la détermination des isothermes et des enthalpies d’adsorption deCO en fonction du taux de son taux de recouvrement, la modélisation permet aussi d’établir lemécanisme microscopique d’adsorption de CO.Dans le cadre de cette thèse, les adsorbants que nous avons choisis d’étudier ont étéles deux faujasites X et Y échangées au Na + . Pour réaliser les simulations Monte Carlo dansl’ensemble Grand Canonique il nous a été indispensable de paramétrer un nouveau champ deforce capable de décrire les interactions entre CO et les ions Na + présents à la surface desfaujasites, qui n’était pas disponible dans la littérature. Afin de décrire le plus précisémentpossible ce type d’interactions, nous avons paramétré un champ de force pour chaquezéolithe, ceci afin de tenir compte de la différence de position des cations Na + dans chaquesystème. Après validation de nos champs de forces, les simulations Monte Carlo dansl’ensemble Grand Canonique ont été menées pour chaque système sur un large domaine depression, ce qui nous a permis ensuite d’élucider les mécanismes microscopiques d’adsorptionde CO dans chaque faujasite.Les travaux de cette thèse sont divisés en six chapitres :Le premier chapitre commence par une description générale des zéolithes, avant de mettrel’accent sur la faujasite qui a fait l’objet de ce travail. Nous répertorions les donnéescristallographiques ainsi que la localisation et la distribution des cations de compensationdans les deux formes échangées au Cu I et au Na + . Nous décrivons ensuite succinctement lesdifférents techniques et modèles utilisés pour modéliser les propriétés de cette zéolithe.Le deuxième et le troisième chapitre regroupent les notions de base sur les outils demodélisation dont nous avons fait appel pour résoudre les problèmes qui se posaient à nous au15
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