Simulation moléculaire des propriétés des zéolithes cationiques : Propriétés thermodynamiques et propriétés structurales

Molecular simulation of the properties of cationic zeolites : thermodynamic and structural properties

• Auteur / Autrice : Marie Jeffroy
• Direction : Anne Boutin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie. Chimie - Physique
• Date : Soutenance en 2010
• 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

Monte-Carlo, Méthode de

Zéolites

Matériaux poreux

Résumé

Les zéolithes sont des aluminosilicates nanoporeux cristallins utilisés dans un grand nombre de procédés industriels. Certains de ces matériaux, les zéolithes cationiques, contiennent des cations « extracharpentes », non liés de manière chimique avec la charpente, dont le nombre, la nature ainsi que la localisation influencent les propriétés du matériau. La mise au point de modèles et de méthodes permettant de reproduire, d’expliquer et de prédire leurs propriétés est au centre de cette étude. La première partie de ce travail est consacrée à leurs propriétés thermodynamiques. L’étude des phénomènes d’adsorption dans ces matériaux fait l’objet du premier chapitre de résultats. Une attention toute particulière est apportée à la co-adsorption de xylènes dans les faujasites, exploitées pour leurs propriétés au niveau industriel. Dans un deuxième temps, les propriétés d’échange ionique des zéolithes sont abordées. La mise au point d’une nouvelle méthode a permis de prédire et de comprendre ces processus, notamment en donnant accès aux mécanismes microscopiques mis en jeu. La dernière partie s’intéresse à leurs propriétés structurales. La répartition des atomes d’aluminium dans la charpente est d’abord étudiée. Une nouvelle méthode a permis de prédire leur répartition et de déterminer l’influence de leur localisation sur les positions des cations extracharpentes. Le dernier chapitre de ce manuscrit est consacré à l’étude des déformations de charpente qui peuvent avoir lieu au cours des procédés d’échange ou d’adsorption dans les zéolithes. Un nouveau champ de force, qui reproduit les déformations observées expérimentalement, est proposé.

Zeolites are cristalline nanoporous aluminosilicates, which find applications in a huge number of industrial processes. Among them, cationic zeolites, contains cations non-chemically linked to the framework, called ''extraframework'' cations. The number, location and nature of these cations have a strong influence on the properties of the material. This study is centered on the construction of models and methods to reproduce, explain and predict the properties of these materials. The first part of this work is dedicated to their thermodynamic properties. The first chapter deals with their adsorption properties. The coadsorption of xylenes in faujasite, material that finds industrial applications, is particularly studied. In a second time, ionic exchange properties are studied. These properties are reproduced and explained in terms of microscopic mechanisms, using a new molecular simulation method. The second part of this work deals with the structural properties of these materials. Aluminum location is predicted using a new molecular simulation method based on Monte Carlo algorithms. This method allows to access to both aluminum and extraframework cation location. The last chapter of this work is dedicated to structural deformations of the framework that can occur during cation exchange or adsorption processes in zeolitic materials. The new force field, proposed in this work, allows reproducing some deformations experimentally observed.