Traitement catalytique des émissions issues de la combustion du bois

Catalytic treatment of emissions from wood combustion

• Auteur / Autrice : Caroline Paris
• Direction : Renaud Cousin, Stéphane Siffert
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie, spécialité chimie théorique, physique, analytique
• Date : Soutenance le 25/10/2024
• Etablissement(s) : Littoral
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences, Technologie, Santé
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Unité de chimie environnementale et interactions sur le vivant - Unité de Chimie Environnementale et Interactions sur le Vivant
• Partenaire(s) de recherche : financeur : Hauts-de-France. Conseil régional
• Jury : Président / Présidente : Leonarda Francesca Liotta
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Renaud Cousin, Stéphane Siffert, Valérie Tschamber, Benoît Louis
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Valérie Tschamber, Benoît Louis

Mots clés

Mots clés contrôlés

Monoxyde de carbone

Suie

Toluène

Oxydation catalytique

Cobalt

Manganèse

Mots clés libres

Polluant atmosphérique

Catalyse hétérogène

Bois énergie

Traitement des fumées

Smoke treatment

Heterogeneous catalyst

Atmospheric pollutant

Fuel wood

Soot

Catalytic oxidation

Résumé

L’utilisation de la combustion du bois pour le chauffage domestique est une alternative très intéressante à l’utilisation des combustibles fossiles. Cette source d’énergie présente l’avantage d’être renouvelable tout en étant une source faiblement émettrice de gaz à effet de serre. Néanmoins, plusieurs polluants peuvent être émis lorsque que la combustion n’est pas complète, des polluants gazeux comme le CO, des COV et des polluants particulaires comme les suies. Il est donc essentiel de développer des procédés limitant l’émission de ces polluants. Parmi les techniques existantes, une des plus prometteuses est le traitement catalytique.L’objectif de ce projet de thèse est donc de développer des matériaux catalytiques efficaces permettant l’oxydation totale des polluants de manière successive et simultanée en CO2 et H2O. Ces matériaux doivent être actifs aux températures d’émissions réelles et ne doivent pas engendrer un coût trop important. C’est la raison pour laquelle les matériaux synthétisés sont à base d’oxydes de métaux de transition et non à base de métaux nobles. Les différents catalyseurs synthétisés ont été caractérisés par différentes techniques physico-chimiques dont les Analyses Thermiques (ATD/ATG), la Diffraction des Rayons X (DRX), la Réduction en Température Programmée (RTP- H2) et la Spectrométrie de Photoélectrons induits par rayons X (SPX).Dans un premier temps, une série d’oxydes mixtes à base de manganèse et de cobalt a été synthétisée par coprécipitation, par la voie Hydroxyde Double Lamellaire (HDL). Ces matériaux ont ensuite été caractérisés et étudiés pour les réactions d’oxydation de polluants. Cette étude a révélé l’intérêt de l’association du manganèse avec le cobalt, particulièrement pour l’oxydation du toluène, seul ou en présence de CO.Dans un deuxième temps, dans le but de limiter la quantité de phase active utilisée, des matériaux supportés sur oxyde de cérium à base de manganèse et de cobalt ont été synthétisés. Cette étude a montré l’intérêt du choix de l’oxyde de cérium en tant que support, notamment grâce à ses propriétés rédox.Enfin, l’influence de la teneur en phase active et l’effet des proportions en manganèse et en cobalt supportés sur l’oxyde de cérium ont été étudiés. Cette étude a mis en évidence l’effet bénéfique de l’association du manganèse et du cobalt sur les propriétés physico-chimiques mais également pour l’activité catalytique dans les réactions d’oxydation des polluants.

Wood fuel for domestic heating is a highly attractive alternative to fossil fuels. This energy source has the advantage of being both renewable and a low greenhouse gas emissions. Nevertheless, several pollutants can be emitted when combustion is not complete: gaseous pollutants such as CO, VOCs and particle pollutants such as soot. It is therefore essential to develop processes to limit these pollutants emissions. One of the most promising solutions is catalytic treatment.The aim of this thesis project is therefore to develop efficient catalytic materials enabling the total oxidation of pollutants successively and simultaneously into CO2 and H2O. These materials must be active at real emission temperatures, and must not be too expensive. This is why the catalysts synthesized are based on transition metal oxides rather than noble metals. The various catalysts synthesized were characterized by a range of physico-chemical techniques, including Thermal Analysis (DTA/DTA), X-ray Diffraction (XRD), Temperature Programmed Reduction (TPR- H2) and X-ray Photoelectron Spectrometry (XPS).Initially, a set of mixed oxides based on manganese and cobalt were synthesized by co-precipitation, using the Layered Double Hydroxide (LDH) route. These materials were then characterized and studied for pollutant oxidation reactions. This study revealed the value of combining manganese with cobalt, particularly for toluene oxidation, either alone or in the presence of CO.Secondly, in order to limit the quantity of active phase used, materials supported on cerium oxide based on manganese and cobalt were synthesized. This study demonstrated the benefits of choosing cerium oxide as support material, thanks in particular to its redox properties.Finally, the influence of the active phase content and the effect of the proportions of manganese and cobalt supported on cerium oxide were studied. This study highlighted the beneficial effect of the combination of manganese and cobalt on the physicochemical properties and catalytic activity of pollutant oxidation reactions.