Molecular simulation of cationic zeolites properties : thermodynamic and structural properties
Simulation moléculaire des propriétés des zéolithes cationiques : Propriétés thermodynamiques et propriétés structurales
Résumé
Zeolites are alumino-silicates materials whose pores have a characteristic size comparable to the size of various organic or inorganic molecules. They have some interesting adsorption and catalytic properties, whose are widely used in industrial processes. Molecular modelling of zeolitic properties is important for different point of view. For an industrial point of view, it can help the choice of a more adapted material for an given application ; for a fundamental point of view, the highly ordered structure of zeolites make them ideal tests systems to compare modelling and experimental results. This thesis is part of a collaboration between the Laboratoire de Chimie Physique d'Orsay and IFP - new energy. Several simulation methods have been developped to modelise, understand and predict various structural characteristics and properties of cationic zeolites : adsorption selectivity of water and hydrocarbons (in particular for baryum faujasites), extraframework cations location, aluminum atoms siting in the framework, ionic exchange properties (NaY and NaX faujasites) and framework flexibility. Models and methods available allow to study materials containing monovalent but also divalent cations, monocationic and bicationic samples.
Les zéolithes sont des aluminosilicates poreux cristallins dont la taille caractéristique de la porosité est de l'ordre de la taille de nombreuses molécules organiques et inorganiques, ce qui leur confère des propriétés spécifiques en adsorption et catalyse, à l'origine de leur importance dans de nombreuses applications industrielles. La modélisation des propriétés des zéolithes est importante de plusieurs points de vue : du point de vue de l'industriel, elle peut favoriser un choix plus judicieux du matériau qui présente la propriété d'adsorption critique pour une application ; du point de vue fondamental, la structure ordonnée des zéolithes en fait des matériaux modèles uniques pour tester les méthodes de calculs sur des étalons dont les propriétés peuvent être mesurées par de nombreuses techniques expérimentales. Cette thèse s'inscrit dans le cadre d'une collaboration entre le Laboratoire de Chimie Physique d'Orsay et l'IFP - énergies nouvelles. Différentes méthodes de simulation ont été mises au point pour modéliser, comprendre et prédire diverses caractéristiques structurales et propriétés des zéolithes cationiques : la sélectivité d'adsorption d'eau et hydrocarbures (notamment dans les faujasites au baryum), la localisation des cations extraréseaux (baryum notamment), la localisation des atomes d'aluminium dans la charpente (méthode basée sur des études de diffraction des rayons X), les propriétés d'échange ionique (faujasites NaX et NaY) et la flexibilité de la charpente. Les modèles et les méthodes dont nous disposons aujourd'hui permettent d'étudier des matériaux contenant des cations monovalents mais aussi divalents, ainsi que des matériaux bicationiques.