UPThèses

L'EU-1 et la MCM-22 sont deux zéolithes à taille de pores intermédiaire, utilisées respectivement pour l'isomérisation de la coupe C8 aromatique et l'alkylation du benzène par des oléfines légères. Leurs propriétés catalytiques originales sont dues à une contribution très importante des sites acides localisés sur leur surface externe. Au cours de ce travail, différentes approches ont été envisagées pour augmenter la quantité ou la proportion de ces sites aux dépends des sites internes. Tout d'abord, une série de zéolithes H-EU-1 partiellement échangées par du sodium a été préparée et caractérisée par voie physicochimique et par des réactions modèles. Comme attendu, l'échange s'accompagne d'une diminution de la concentration en sites acides de Brönsted. Toutefois, une augmentation importante de la quantité de sites acides très forts a été observée pour des taux d'échange de 26 à 35 % et corrélée à l'augmentation de l'activité en craquage du méthylcyclohexane. Par ailleurs, les conversions du m-xylène et du 1,3,5-triméthylbenzène diminuent rapidement pour de faibles taux d'échange, ce qui pourrait s'expliquer par un échange préférentiel des sites acides externes, également mis en évidence dans le cas de zéolithes MCM-22. Enfin, une nouvelle zéolithe de la famille MWW a été synthétisée et caractérisée. Cette zéolithe possède une acidité totale similaire à celle de la MCM-22, mais une proportion de sites acides externes beaucoup plus importante, conduisant à une activité beaucoup plus grande en transformation du m-xylène et du 1,3,5-triméthylbenzène. Cette nouvelle zéolithe pourrait donc constituer une alternative intéressante à la zéolithe MCM-22 en alkylation du benzène.

Les quantités de soufre contenues dans les essences, responsables d'émissions polluantes, sont limitées, selon les normes environnementales en vigueur, à moins de 10 ppm depuis janvier 2009. L'hydrodésulfuration conventionnelle de la charge provenant du procédé de craquage catalytique, la plus riche en composés soufrés, permet d'obtenir le taux de désulfuration requis mais peut entraîner une forte hydrogénation des oléfines conduisant ainsi à une baisse de la qualité de l'essence par une diminution de son indice d'octane. Une alternative possible à ce procédé est de réaliser l'alkylation des composés soufrés contenus dans cette charge par des oléfines afin d'augmenter leur masse molaire et ainsi permettre leur élimination par distillation. L'alkylation de deux molécules soufrées modèles, le 3-méthylthiophène et le benzothiophène, par des oléfines (1-hexène ou 2-méthyl-1-pentène) a été étudiée à 85°C et sous pression atmosphérique en présence soit de zéolithes acides (HY, HBEA et HMCM-22), soit d’hétéropolyanions à base de tungstène ou de molybdène supportés sur silice désordonnée ou ordonnée (SBA15). Une influence notable de l’architecture poreuse des zéolithes a été mise en évidence, celle-ci dépendant du composé soufré à alkyler : la HMCM-22 est la plus efficace en alkylation du 3-méthylthiophène alors que la HY est la zéolithe la plus intéressante pour celle du benzothiophène. L'hétéropolyanion à base de tungstène qu'il soit supporté sur silice commerciale ou sur SBA15 présente les meilleures performances et pourrait donc être un catalyseur de choix pour cette réaction.

L'objectif de cette étude était de mettre au point des catalyseurs actifs, sélectifs en dioxyde de carbone et stables pour la destruction de Composés Organiques Volatils (COV). Dans ce but, différentes méthodes de préparation ont été testées pour la synthèse de catalyseurs mixtes oxyde/zéolithe. La molécule modèle choisie était l'isopropanol. Son oxydation a été menée dans des conditions proches de celles de l'industrie (présence d'eau dans le mélange gazeux et forte vitesse massique horaire). Une étude préliminaire a tout d'abord été effectuée sur les oxydes et la faujasite seuls. Ce travail a principalement porté sur la destruction de l'isopropanol, la formation des produits secondaires et également la compréhension du mode de fonctionnement des catalyseurs (structure, acido-basicité). Dans un deuxième temps, la destruction de l'isopropanol a été suivie sur des catalyseurs mixtes oxyde/faujasite. En relation avec les résultats catalytiques, les interactions entre ces deux types de matériaux ont été mises en évidence. La cérine ayant présenté les meilleurs résultats catalytiques, parmi les oxydes testés, une étude plus poussée a été réalisée sur des catalyseurs mixtes cérine/faujasite où les effets du mode de préparation et de la teneur en cérine des catalyseurs ont été abordés. Reposant sur la quantification des capacités de stockage de l'oxygène et des échanges d'oxygène entre catalyseur et phase gazeuse, une étude de la mobilité de l'oxygène sur les catalyseurs mixtes cérine/faujasite a été menée, afin de mieux appréhender les observations effectuées sur les tests catalytiques.

L'objectif de cette étude a été de mettre au point des catalyseurs actifs, sélectifs (en formation de CO2 et d'H2O) et stables pour la destruction de mélanges binaires de Composés Organiques Volatils (COV). L'oxydation est menée dans des conditions proches de celle de l'industrie sur des catalyseurs à base de zéolithe, Pt/zéolithe mais également sur d'autres oxydes tels que MgO et CeO2. Dans un premier temps, l'oxydation a été mise en oeuvre indépendamment sur deux molécules représentatives des deux plus grandes familles de COV : l'isopropanol et l'o-xylène. Par la suite, la destruction de l'isopropanol et de l'o-xylène a été étudiée en mélange. Ce travail a principalement porté sur l'étude des mécanismes de destruction des COV et de formation des produits secondaires, sur les compétitions d'adsorption des COV en mélanges induisant des effets promoteurs ou inhibiteurs sur la destruction mais également sur la compréhension du mode de fonctionnement des catalyseurs (structure, acido-basicité). Parallèlement, un phénomène d'activation des transformations de l'o-xylène et du cumène ainsi que sur les rendements en CO2 au cours du temps a été mis en évidence sur NaX. Cette augmentation de l'activité semble être due à la formation de composés organiques oxygénés appelés " coke actif " et capable de catalyser les réactions d'oxydation.

MCM-22 has a very peculiar pore structure with three independent pore systems: narrow sinusoidal channels (4.1×5.1 Å), large supercages (ø 7.1 Å, height 18.2 Å) accessible through (4.0×5.5 Å) openings and external cups (ø 7.1 Å, depth 7.0 Å). The aim of this thesis was to study the global catalytic properties and ascertain the catalytic role of each pore system of HMCM-22 zeolite (Si/Al=14.5) on methylcyclohexane and n-heptane transformations at 350ºC. To this end, the participation of each pore system was established by selectively deactivating the supercages through coke deposition and poisoning the external cups acid sites. Supercages play the major catalytic role on both reactions. Sinusoidal channels present a very low activity due to high steric constraints. External cups acid sites are more active than those of supercages in methylcyclohexane transformation due to the absence of diffusion limitations. The results revealed that the external cups acid sites are not able to catalyze n-heptane reaction, which is ascribed to a lower acid strength and/or to the absence of confinement effect in the external cups. Adsorption of different molecules allowed the determination of the micropore volume of each pore system. An intermediate behavior of HMCM-22 between USHY (large pores) and HZSM-5 (intermediate pores) zeolites was observed on both reactions. The activities per acid site of HMCM-22 zeolite were closer to those of HZSM-5. Dealumination by acid leaching of the HMCM-22 zeolite removed mainly the acid sites located on the supercages and external cups, whereas those of the sinusoidal channels were almost not affected

Les alumines sont très largement utilisées dans les procédés industriels, les propriétés acido-basiques de ces solides jouent un rôle dans le développement de nouveaux catalyseurs, il est donc important de bien connaître leurs propriétés. Ces oxydes sont généralement caractérisés par des méthodes physico-chimiques classiques, la plus employée étant l'adsorption (désorption) de molécules sondes suivie par spectroscopie infrarouge. Cependant les conditions étant assez éloignées des conditions de catalyse, il est souvent difficile de prévoir le comportement réel d'un catalyseur. L'utilisation de réactions modèles, dont les conditions de caractérisation sont plus proches de la catalyse, permet de mieux appréhender les propriétés acido-basiques des catalyseurs. L'objectif de cette étude est de développer des réactions modèles permettant de caractériser simultanément l'acidité et la basicité de diverses alumines de transition. Des études ont montré que les réactions de transformation du mélange cyclopentanol et cyclohexanone permettent d'estimer l'acido-basicité de catalyseurs. En effet deux réactions se produisent, d'une part un transfert d'hydrogène (TH) sur les sites basiques, et d'autre part les deux alcools présents se déshydratent sur les sites acides (DES). Les résultats ont montré qu'à 250°C, il est possible en une seule réaction de déterminer les propriétés acide et basique des alumines de transition et qu'il est possible de distinguer les alumines en 2 groupes : d'une part les alumines ŋ, γ et δ qui possèdent un caractère acido-basique voisin, et d'autre part les alumines θ et α qui possèdent un caractère basique plus marqué.

Un nouveaux test basé sur la réaction modèle d'isomérisation du 1-dodécène en phase liquide à 150 °C a été développé et validé en vue de pouvoir caractériser l'activité résiduelle de zéolithes cationiques dans des conditions proches de celles des procédés industriels de séparation. Les résultats du test conjugués avec des caractérisations physico-chimiques de différents matériaux ont montré que les sites réactifs sur la NaY sont des sites de Brönsted en quantité résiduelle (6,0x10-6 mol.eq.H+/gzeo), localisés principalement sur la surface externe. Ces sites peuvent être neutralisés en partie par passivation de la surface externe par du TEOS ou globalement par traitement à la soude. L'étude de l'impact de certaines conditions industrielles montre que la présence de l'oxygène peut conduire à la dégradation du solide en tant qu'adsorbant et l'eau à une baisse de son activité. L'échange du Na+ par un autre cation compensateur de charge (K+, Li+, Ca2+, Ba2+, Mg2+ et La3+) entraîne une augmentation de l'activité de la NaY, principalement dans le cas des cations multivalents. Des solutions de neutralisation et/ou de préparation de solides non acides sont proposées. Finalement, l'utilisation de ce test a été étendue à l'étude de l'acido-basicité des alumines de transition. Les résultats montrent que la réactivité augmente selon l'ordre suivante : Al-η>Al-γ>Al-δ>Al-θ et que le type de sites mis en jeu varie avec la température de prétraitement.