Elaboration, Caractérisation Et Étude Des Performances De
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Elaboration, caractérisation et étude des performances de nouveaux adsorbants hydrophobes : application aux atmosphères odorantes et/ou chargées en composés organiques volatils Laetitia Majoli To cite this version: Laetitia Majoli. Elaboration, caractérisation et étude des performances de nouveaux adsorbants hy- drophobes : application aux atmosphères odorantes et/ou chargées en composés organiques volatils. Sciences de l’environnement. Ecole Nationale Supérieure des Mines de Saint-Etienne, 2005. Français. NNT : 2005EMSE0031. tel-00790773 HAL Id: tel-00790773 https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00790773 Submitted on 21 Feb 2013 HAL is a multi-disciplinary open access L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est archive for the deposit and dissemination of sci- destinée au dépôt et à la diffusion de documents entific research documents, whether they are pub- scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, lished or not. The documents may come from émanant des établissements d’enseignement et de teaching and research institutions in France or recherche français ou étrangers, des laboratoires abroad, or from public or private research centers. publics ou privés. ECOLE NATIONALE SUPERIEURE UNIVERSITE JEAN MONNET DES MINES DE SAINT-ETIENNE DE SAINT-ETIENNE THESE Présentée par Laetitia MAJOLI Pour obtenir le titre de DOCTEUR de l’Ecole Nationale Supérieure des Mines de Saint-Etienne et de l’Université Jean Monnet de Saint-Etienne Spécialité : Science et Génie de l’Environnement ELABORATION, CARACTERISATION ET ETUDE DES PERFORMANCES DE NOUVEAUX ADSORBANTS HYDROPHOBES : APPLICATION AUX ATMOSPHERES ODORANTES ET/OU CHARGEES EN COMPOSES ORGANIQUES VOLATILS Soutenue le 5 Décembre 2005 à l’Ecole des Mines d’Alès Composition du jury Pr. J. BOURGOIS Ecole des Mines de Saint-Etienne Président du Jury Pr. P. BAUSSAND Université Grenoble I Rapporteur Pr. J.-L. VIGNES IUFM Créteil Rapporteur Dr. J.-L. SAUVAJOL Université Montpellier II Examinateur Dr. J.-M. GUILLOT Ecole des Mines d’Alès Directeur de Thèse (HDR) Dr. A. EVSTRATOV Ecole des Mines d’Alès Encadrant Dr. J.-F. CHAPAT AXENS IFP Group Technologies Invité Thèse préparée au Laboratoire de Génie de l’Evironnement Industriel A l’Ecole des Mines d’Alès REMERCIEMENTS Je tiens à remercier l’Ecole des Mines d’Alès pour m’avoir accueillie au sein du Laboratoire Génie de l’Environnement Industriel (L.G.E.I) afin d’effectuer ces travaux de thèse. Que Monsieur le Professeur Jacques BOURGOIS reçoive l’expression de ma reconnaissance pour m’avoir accueillie dans la formation doctorale Science et Génie de l’Environnement de l’Ecole de Mines de Saint-Etienne et pour avoir présidé le Jury de cette thèse. J’exprime ma reconnaissance à Dr. Jean-Michel GUILLOT, Directeur de cette Thèse ainsi qu’à Dr. Alexis EVSTRATOV, encadrant de ces travaux, pour leur disponibilité, leurs conseils ainsi que leurs encouragements au cours de ces trois années de Recherches. Je remercie aussi la société AXENS IFP Group Technologies pour m’avoir accueillie en stage au sein du Laboratoire de Contrôle et d’Analyse dirigé à l’époque par M. Claude GIOVANNONI ainsi que dans le Groupe Développement Industriel car ces périodes m’ont permis d’acquérir une expérience professionnelle qui a contribué à mon admission en tant qu’Elève-Chercheur dans l’Equipe Odeur et COV du L.G.E.I. Que la Société soit également remerciée pour son apport financier sans lequel ces travaux n’auraient pu débuter. J’adresse mes plus sincères remerciements à Monsieur le Professeur Patrick BAUSSAND du Groupe de Recherche sur l’Environnement de Chimie Atmosphérique de Grenoble ainsi que le Professeur Jean-Louis VIGNES du Laboratoire d’Ingénierie des Matériaux et des Hautes Pressions de l’Université Paris XIII pour avoir accepter de juger ces travaux et d’en être les rapporteurs. Je remercie Dr. Jean-Louis SAUVAJOL du Laboratoire Colloïdes Verres Nanostructures de l’Université Montpellier II, pour avoir accepté de participer au Jury de cette thèse. Ma reconnaissance va aussi à Dr. Jean-François CHAPAT, Ingénieur Recherche et Développement à AXENS (GDI), pour l’expérience enrichissante qu’il m’a permis d’obtenir au cours des sept mois de stage effectués dans le cadre du DEA, ainsi que pour tout son soutien durant mes travaux de recherches de Thèse. Je tiens également à le remercier pour sa présence dans le Jury. Mes remerciements vont aussi vers toutes les personnes qui ont contribué aux résultats de caractérisation des produits, par la mise à disposition du matériel d’analyse ainsi que par leurs précieuses explications. Je remercie ainsi : Drs. Paul JOUFFREY et Anna FRAZCKIEWICKZ du Centre Sciences des Matériaux et des Structures de l’Ecole des Mines de Saint Etienne pour les analyses morphologiques (MEB et MET), Dr. Jean-Louis SAUVAJOL (Spectroscopie Raman), Dr. Bernard DUCOURANT du Laboratoire des Agrégats Moléculaires et Matériaux Inorganiques (DRX), Dr. Jean GIRAUD et André BERTRAND de l’Equipe Catalyseurs d’AXENS (Microsonde X, ATD/ATG et DSC) ainsi que le Laboratoire de Contrôle et d’Analyse d’AXENS (Caractéristiques physiques). Enfin, je remercie aussi Aurélie ROUVIERE du Groupe de Recherche sur l’Environnement de Chimie Atmosphérique de Grenoble pour sa collaboration dans les tests d’adsorption effectués dans le cadre du contrat ACI-NPD 37. Merci, à tous ceux qui par leur gentillesse et leur bonne humeur ont contribué à rendre agréable ces trois années. Merci aussi, à mon professeur de Mathématiques de 1ère Littéraire, Michel LAZERGES qui m’a permis de regagner le secteur scientifique sans quoi je n’aurai pu réaliser ce long parcours en Chimie. Merci enfin, à mes parents. Table des matières ________________________________________________________________________________ TABLE DES MATIERES INTRODUCTION GENERALE 0 INTRODUCTION GENERALE 1 CHAPITRE I ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE 4 INTRODUCTION 4 1- COMPOSES ORGANIQUES VOLATILS ET COMPOSES ODORANTS. 4 1.1- COMPOSES ORGANIQUES VOLATILS (C.O.V). 4 1.1.1- Origines des COV. 5 1.1.2-Nuisances sur la santé et l’environnement. 5 1.1.2.1-Risques pour la santé. 5 1.1.2.2-Contribution à la pollution photochimique et effet de serre. 6 1.1.3-Sources d’émission. 6 1.1.4- Techniques de traitement. 7 1.1.4.1-Techniques de récupération. 8 1.1.4.2-Techniques de destruction. 8 1.2- COMPOSES ODORANTS. 10 1.2.1-Définition et classification. 11 1.2.2- Origines des émissions. 11 2- ADSORPTION. 11 2.1-PRINCIPALES CARACTERISTIQUES DE L’ADSORPTION. 12 2.1.1-Adsorption et comportement de la matière. 12 2.1.2- Principe, matériaux et caractéristiques. 13 2.1.2.1-Adsorption et mode régénératif. 13 2.1.2.2-Matériaux et caractéristiques. 13 2.2-DIFFERENTS TYPES D’ADSORBANTS. 13 2.2.1-Charbons actifs. 13 2.2.1.1-Propriétés mécaniques. 14 2.2.1.2-Facteurs influents sur les capacités d’adsorption du charbon actif. 14 2.2.1.3-Contraintes d’utilisation. 14 2.2.1.4-Durée de vie. 15 2.2.2-Zéolithes. 15 2.2.2.1-Synthèse. 15 2.2.2 2-Propriétés et application. 16 2.2.2.3-Architecture moléculaire. 16 2.2.3-Nanomatériaux : nanostructures de carbone. 17 2.2.3.1-Synthèse. 18 2.2.3.2-Propriétés et applications. 19 2.2.3.3-Aspect morphologique et structural. 24 2.3-INTERET DES ZEOLITHES ET DES NANOTUBES DE CARBONE. 26 2.3.1-Zéolithes. 26 2.3.1.1-ZSM-5. 26 2.3.1.2-ZSM-8. 28 2.3.1.3-ZSM-11. 28 2.3.1.4-Faujasites. 29 2.3.1.5- Zéolithes A. 30 2.3.1.6-Tamis 3A, 4A et 5A. 32 I Table des matières ________________________________________________________________________________ 2.3.1.7- Récapitulatif. 32 2.3.1.8-Adsorption: propriétés de ces structures vis-à-vis des COV. 32 2.3.2-NANOSTRUCTURES DE CARBONE. 33 2.3.2.1-Adsorption d’hydrogène. 33 2.3.2.2-Adsorption de composés organiques volatils. 34 CHAPITRE II ELABORATION DE MATERIAUX AUX PERFORMANCES NOUVELLES 3 INTRODUCTION 35 1-ELABORATION DE MATERIAUX PERFORMANTS. 35 1.1-HYDROPHOBISATION DE SUPPORTS MINERAUX. 35 1.1.1-Silices. 35 1.1.2-Zéolithes. 36 1.1.2.1-Méthodes de synthèse. 36 1.1.2.2- Influence des conditions de traitement. 37 1.1.3 -Désalumination des zéolithes. 38 1.1.3.1-Méthodes de synthèse. 38 1.1.3.2-Influence du rapport Si/Al. 38 1.1.3.3-Conséquences de la désalumination. 39 1.2-FABRICATION DE SUPPORTS CARBONE-SILICE. 39 1.2.1-Principe. 39 1.2.2-Synthèse de matériaux hydrophobes par carbonisation directe. 40 1.2.3-Synthèse par polymérisation puis carbonisation. 41 1.2.3.1-Influence de la teneur en polymère. 41 1.2.3.2-Influence de la nature du polymère. 42 2.3-SYNTHESE DE NANOSTRUCTURES DE CARBONE SUR SUPPORTS MINERAL/METAL. 43 2.3.1-Principe de la méthode Chemical Vapour Deposition par pyrolyse catalytique. 43 2.3.2-Préparation du catalyseur. 44 2.3.3-Synthèse des nanotubes de carbone. 45 2.3.4-Influence du temps de réaction et du débit. 46 2.3.4.1-Influence du débit de N2 et du débit du réactant. 46 2.3.4.2-Influence du temps de réaction. 46 2.3.5-Activité et sélectivité des catalyseurs. 47 2.3.5.1-Cas des catalyseurs monométalliques. 47 2.3.5.2-Cas des catalyseurs bimétalliques. 47 2.4- SYNTHESE DE NANOTUBES DE CARBONE SUR SUPPORTS ZEOLITHIQUES. 47 2.4.1-Influence de la préparation du catalyseur. 47 2.4.2-Influence du support catalytique sur la croissance des nanostructures de carbone. 48 2.4.3-Influence du métal de transition. 48 2.4.4-Influence du temps de réaction. 49 2.4.5-Influence de la température de réaction.