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CHAPITRE 6. EVALUATION DES PROPRIETES D’ADSORPTION DES FAUJASITES NaX etNaY VIS-A-VIS DU CO : SIMULATIONS MONTE CARLO DANS L’ENSEMBLE GRANDCANONIQUEI. INTRODUCTIONLe monoxyde de carbone est considéré comme une impureté dans de nombreuxprocessus industriels et son élimination à moindre coût et avec le plus faible impact surl’environnement est de grande importance. Ceci est le cas par exemple lorsqu’on cherche àproduire du H 2 le plus pur possible pour son utilisation ultérieure dans les piles àcombustibles. En effet, le processus du reformage du gaz naturel utilisé le plus souvent pourproduire du H 2 crée du monoxyde et du dioxyde de carbone comme sous-produits. Cesderniers doivent impérativement être éliminés parce qu’ils empoisonnent les catalyseurs àbase de platine utilisés dans les piles à combustibles, ce qui engendre des problèmeséconomiques majeurs.Plusieurs méthodes ont été proposées pour éliminer le monoxyde de carbone des gaz riches enhydrogène telle que la séparation par membrane 1 , l’oxydation 2, 3 , la méthanisation 4 , ainsique la physisorption réalisée par variation de pression (Pressure-Swing Adsorption (PSA)) 5 .Pour cette dernière, le choix d’un adsorbant adéquat est crucial vu que l’efficacité de cetteméthode dépend fortement de la performance de ce matériau pour capter le CO.Les zéolithes en général sont classées parmi les solides poreux les plus prometteurs pour lesapplications mettant en jeu l’adsorption et la séparation sélective de gaz. Parmi cette famillede matériaux, les faujasites échangées au sodium sont connues parmi les adsorbants les plusefficaces pour la capture de CO 2 à faible pression. Qu’en est-il du comportement de ceszéolithes vis-à-vis du CO ? C’est sur cette question que nous nous sommes penchés au coursde ce chapitre.Les propriétés d’adsorption d’un matériau donné vis-à-vis d’un adsorbat donnépeuvent être évaluées en déterminant à la fois les isothermes et les enthalpies d’adsorption dece dernier. Alors que l’isotherme va nous renseigner sur les quantités de CO que la faujasiteva pouvoir capter à une pression donnée, l’enthalpie va permettre d’estimer son affinité parrapport à CO, paramètre important quand on envisage la régénération de l’adsorbant. Cesdonnées peuvent être obtenues à partir de techniques expérimentales telles que la gravimétrie(isotherme) et la microcalorimétrie (enthalpie), mais aussi par modélisation. La méthode demodélisation la plus appropriée pour traiter ce type de problème est la simulation Monte Carlodans l’ensemble canonique (GCMC). Elle est largement utilisée pour étudier les propriétésthermodynamiques d’un grand nombre de matériaux poreux comme les zéolithes, les200
CHAPITRE 6. EVALUATION DES PROPRIETES D’ADSORPTION DES FAUJASITES NaX etNaY VIS-A-VIS DU CO : SIMULATIONS MONTE CARLO DANS L’ENSEMBLE GRANDCANONIQUEcharbons, les silices mésoporeux, et les MOFs (Metal Organic Framework) vis-à-vis denombreux adsorbats tels que CO 2 ou des alcanes. 6-14 Comme on vient de l’aborder dans lepremier chapitre, la pertinence de telles simulations repose sur deux critères essentiels : d’unepart, la considération de modèles fiables capables de représenter le plus réellement possible lematériau hôte et la molécule de l’adsorbat à l’échelle microscopique, et d’autre part, la priseen compte des champs de forces capables de décrire le plus exactement possible lesinteractions entre les différents constituants du système adsorbat/adsorbant.Au cours de ce chapitre, nous nous sommes intéressés à prédire les isothermes et lesenthalpies d’adsorption de CO en fonction de son taux de recouvrement dans les deuxfamilles connues de faujasites : la X et la Y échangées aux cations de sodium, à l’aide dessimulations GCMC. Au-delà de ces simulations, nous avons tenté de proposer desmécanismes microscopiques de l’adsorption de CO dans chaque faujasite qui soient cohérentsavec les évolutions des enthalpies d’adsorption en fonction du taux de recouvrement commel’on fait Maurin et al. 7 précédemment dans leur étude sur l’adsorption de CO 2 dans les mêmeszéolithes.Il n’existe dans la littérature aucun champ de force décrivant l’interaction du CO avecla faujasite ou bien avec d’autres zéolithes. L’étape essentielle de notre travail a donc consistéà paramétrer un champ de force robuste capable de décrire ces interactions dans les deuxfaujasites échangées au sodium, et en particulier l’interaction entre le CO et les cations Na + ,sites d’adsorption préférentiels. Du fait que dans les deux faujasites les cations peuplant lasupercage n’ont pas le même environnement chimique vu qu’ils n’occupent pas les mêmessites comme nous l’avons montré dans le chapitre 3 (dans NaX, Na + sont en sites II et sitesIII’, alors que dans NaY, ils sont uniquement en sites II), leurs rôles dans le processusd’adsorption de CO vont être sensiblement différents. Au cours de notre travail, nous avonstenu compte de cette diversité des cations présents dans chaque faujasite, et ceci enparamétrant deux champs de force propre à chaque type de cation, ce qui n’a jamais été faitavant dans la littérature.Reste à noter que les simulations GCMC ont été réalisées en imposant la contrainte que lescations restent fixes dans leurs positions et ensuite en leur laissant la liberté de se mouvoir.Les résultats obtenus avec ces deux types d’approches ont été ensuite comparés dans le but dequantifier l’influence de la mobilité des cations sur les propriétés thermodynamiquesd’adsorption de CO dans ces matériaux.201
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