Etude de l'adsorption de composés organiques sur des matériaux poreux de type Metal Organic Framework (MOF)

• Auteur / Autrice : Mohammed Boulhout
• Direction : Renaud Denoyel, Isabelle Beurroies
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des matériaux
• Date : Soutenance le 12/12/2012
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole Doctorale Physique et Sciences de la Matière (Marseille)
• Jury : Président / Présidente : Henri Wortham
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Samuel Mignard

Mots clés

Mots clés contrôlés

Soufre -- Composés organiques

Azote -- Composés organiques

Pétrochimie

Matériaux poreux

Mots clés libres

Metal Organic Frameworks

Adsorption

Microcalorimétrie

Séparation liquide

Isomères du xylène

Ethylbenzène

Purification des carburants

Thiophène

Indole

Metal Organic Frameworks

Adsorption

Microcalorimetry

Liquid separation

Xylene isomers

Ethylbenzene

Fuels purification

Thiophene

Indole

Résumé

Afin de répondre aux demandes des industriels de nouveaux matériaux poreux sont testés pour de nouvelles applications ou pour améliorer les procédés existants. Les adsorbants de types Metal Organic Frameworks(MOFs) ont des structures construites à partir d'unités inorganiques reliées entre elles par des ligands organiques. La possibilité de varier ces deux entités, offre une grande diversité de structures avec des cavités de tailles contrôlées. L'objectif de cette thèse a été d'évaluer les performances des MOFs pour l'adsorption de composés organiques et de comprendre les mécanismes d'adsorption. Les deux problématiques sélectionnées sont d'intérêt pour l'industrie pétrochimique. La séparation du para-xylène des autres isomères du xylène et de l'éthylbenzene, permets de répondre à la demande de matière première pour la synthèse du polytéréphtalate d'éthylène. L'adsorption des composés azotés et soufrés (teneur fixée par des législations), permets la purification de carburants. Notre étude thermodynamique est basée sur la réalisation d'isothermes d'adsorption et la détermination d'enthalpies d'adsorption par microcalorimétrie en phase liquide. L'adsorption des vapeurs des xylènes purs a été étudiée pour comprendre l'effet du solvant. Une grande variété de comportement a été observée selon les structures des MOFs. Nous avons par exemple mis en évidence l'effet de l'empilement moléculaire des isomères du xylène sur la sélectivité des MOFs. Nous avons démontré que la flexibilité des MOFs intervient sur les interactions au cours de l'adsorption des xylènes. Nous avons mis en évidence une sélectivité des MOFs possédant un centre métallique insaturé en faveur des composés azotés

In order to meet the industrials requirements, new porous materials are tested for new applications or to improve existing processes. The Metal Organic Frameworks (MOFs) are hybrids crystalline compounds made up of clusters (or chains) of metal ions coordinated by organic linkers to form three dimensional structures. The ability to vary these two entities offers to MOFs a wide variety of organized structure with pore sizes controlled. The aim of this thesis was to evaluate the MOF performances for the adsorption of organic compounds and also understand the related adsorption mechanism. The two selected issues are of interest for the petrochemical industry. The para-xylène separation from the other xylene isomers (ortho, meta) and ethylbenzene, allows to meet the demand for raw materials in the polyethylene terephthalate (PET) synthesis. The nitrogen and sulphur compounds adsorption allows the purification of fuels (sulphur content set by legislation). We present a thermodynamic study of adsorption from solution based on the determination of adsorption isotherms by depletion method and adsorption enthalpies by microcalorimetry. The pure xylenes vapour adsorption was also studied to understand the solvent effect. A wide variety of behaviour has been observed depending on MOF structures. For example we demonstrated the effect of xylene isomers molecular packing on MOF selectivity. Furthermore we have shown that the MOF structure flexibility influence the interactions involved during xylene isomers adsorption. We also demonstrated that MOF with unsaturated metallic centres present selectivity for nitrogen compounds (Lewis acid/base).