Méthodes de simulation moléculaire pour l'étude de la distribution des cations et de l'adsorption de molécules polaires dans les zéolithes

Molecular simulation methods for the study of cation distribution and polar molecule adsorption in zeolites

• Auteur / Autrice : Angela Di Lella
• Direction : Alain Fuchs
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie. Chimie - Physique
• Date : Soutenance en 2007
• Etablissement(s) : Paris 11
• Partenaire(s) de recherche : Autre partenaire : Université de Paris-Sud. Faculté des sciences d'Orsay (Essonne)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Zéolites

Adsorption

Mots clés libres

Faujasite

Méthode Monte carlo

Résumé

Les propriétés d`adsorption des zéolithes sont étroitement corrélées à la position des cations extra-charpentes et à leur accessibilité aux molécules adsorbées. Cependant il est difficile de localiser précisement ces ions expérimentalement, surtout en présence d'eau. Nous avons donc utilisé la simulation moléculaire afin d'apporter de nouvelles informations sur la répartition des cations entre les différents sites cristallographiques de la faujasite. Dans un premier temps, nous nous sommes interessés à l'évolution de la distribution des ions sodium dans les zéolithes en fonction du rapport Si/Al et de la quantité d'eau adsorbée. L'introduction d'un nouveau biais statistique dans les simulations de Monte Carlo a permis d`accélérer notablement la convergence des calculs. Nous avons mis en évidence une hétéogénéité dans l'interaction eau-zéolithe et observé quatre sites d`adsorption d'eau différents. Cette étude a aidé à clarifier le mécanisme d`adsorption de l'eau dans les faujasites au sodium X et Y. Ce travail a ensuite été étendu à l'étude d'autres cations extra-charpentes. Ceci a nécessité la mise en place d'une méthodologie pour dériver des nouveaux paramètres pour le champ de force des cations. Les résultats obtenus permettent d'établir des prédictions sur les distributions cationiques et sur la thermodynamique de l'adsorption d'eau dans des faujasites totalement échangées mais aussi, et cela pour la première fois, pour des faujasites bicationiques.

Adsoprtion properties of zeolites are closely related to the position of nonframework cations and to their accessibility to adsorbed molecules. But it is often difficult to localise these cations experimentaly, all the more than water is present. We have thus used molecular simulations in order to obtain more complete informations on extraframework cation distribution among the different crystallographic sites. First, we have focused our attention on sodium cation distribution in faujasite as a function of Si:Al ratio and adsorbed water amount. The introduction of a new bias has efficently enhanced our Monte Carlo simulations. We have showed an interesting heterogenity in water-zeolite interaction and distinguished four different water adsorbed sites. This study has helped to clarify the water adsorption mechanism in sodium faujasites of both X and Y types. We have then extended this study to others cations. For this purpose, we have developed a methodology to derive new force-field parameters for a given cation. Our results have permitted to predict cationic distribution and water adsorption thermodynamics in both totally exchanged faujasites and, for the first time, in bicationic faujasites.