Modélisation moléculaire de ladsorption et de la diffusion de molécules polaires dans un solide nanoporeux de type zéolithique

Molecular simulation of the adsorption and diffusion of polar molecules in two Faujasite zeolites

• Auteur / Autrice : Cyril Abrioux
• Direction : François Henn
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie théorique, physique, analytique
• Date : Soutenance le 02/12/2010
• Etablissement(s) : Montpellier 2
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Chimiques Balard (Montpellier ; 2003-2014)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Charles Gerhardt (Montpellier ; 2006-....)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Louis Bantignies
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : François Henn, Carlos Nieto, Jean-Marc Douillard
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marie Jardat, Bogdan Kuchta

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux poreux

Zéolites

Dynamique moléculaire

Mots clés libres

Monte Carlo

Dynamique Moleculaire

Zéolithe

Faujasite

Adsorption

Diffusion

Monte Carlo

Molecular Dynamic

Zeolite

Faujasite

Adsorption

Diffusion

Résumé

Les zéolithes sont des matériaux aluminosilicates nanoporeux largement utilisés dans l'industrie pour la filtration de l'eau, la séparation de gaz et le craquage des bruts pétroliers. Leurs propriétés d'adsorption et de catalyse sont reliées à la géométrie de leur réseau poreux d'une part et aux cations qui sont présents à leur surface d'autre part. Dans cette thèse, nous étudions par simulation moléculaire l'adsorption de molécules polaires, i.e. l'eau et le méthanol, dans deux zéolithes sodiques de type Faujasite. L'objectif de ce travail est d'étudier l'effet de la présence de molécules adsorbées sur la position et la dynamique des cations sodium et inversement l'effet des cations sur l'adsorption et la diffusion des molécules d'adsorbat. Nous nous sommes tout d'abord attachés à simuler par la méthode Monte Carlo le processus d'adsorption en fonction de plusieurs paramètres: i) répartition et densité des substitutions Si/Al, ii) valeur des charges électriques portées par le réseau zéolithique et iii) nature des potentiels d'interaction. Nous avons ainsi pu simuler les isothermes et les chaleurs d'adsorption d'une part et d'autre part la redistribution cristallographique des cations en fonction du nombre de molécules adsorbées, Nous nous avons ensuite porté notre intérêt à l'aide de la méthode de Dynamique Moléculaire, aux propriétés dynamiques (diffusion, transport) du système molécules adsorbées/cations/zéolithe. L'originalité de ce projet réside dans l'utilisation de ces deux techniques complémentaires qui permettent d'accéder aux propriétés thermodynamiques, structurales et dynamiques de tels systèmes. Les résultats de ces simulations sont comparés, en particulier, à ceux obtenus expérimentalement par Spectroscopie de Relaxation Diélectrique.

Zeolites are nanoporous aluminosilicate materials which attract a great deal of attention because of their use in industry for water filtration, phase separation and for cracking of crude oil. Their adsorption and catalysis properties depend on their pores geometry and on the cations which are located at their surface. In this work, we study by means of molecular simulation techniques the adsorption of polar molecules, i.e; water and methanol, in two zeolites type Faujasite. The aim of this study is to determine, on the one hand, the effect of the adsorbate on the cation distribution and dynamics at the surface of the zeolite and, on the other hand, the effect of the cation density on the adsorption and diffusion of the adsorbate molecules. We first simulate by Monte Carlo methods the adsorption of water and methanol and investigate the influence of several parameters: i) localisation and density of Si/Al substitution, ii) electrical charges at the nanopore surface and iii) expression of the interaction potential between the various atoms of the considered system. We thus calculated isotherms and heat of adsorption as well as the crystallographic re-localisation of the sodium cation as a function of the adsorbed molecule loading. . Then, we study by Molecular Dynamics the dynamics of the system adsorbate/cations/zeolite. The originality of this project lies in the use of both Molecular Dynamics and Monte Carlo techniques, which are complementary to study the thermodynamic, structural and dynamical properties of confined systems. Our simulation results are compared with those obtained by means of Dielectric Relaxation Spectroscopy experiments.