Engineered zeolitic materials: synthesis and application

Les zéolithes étant des matériaux cristallins microporeux ont démontré leurs potentiels et leur polyvalence dans un nombre très important d’applications. Les propriétés uniques des zéolithes ont poussé les chercheurs à leur trouver constamment de nouvelles utilités pour tirer le meilleur parti de ces matériaux extraordinaires. Modifier les caractéristiques des zéolithes classiques ou les combiner en synergie avec d’autres matériaux se trouvent être deux approches viables pour trouver encore de nouvelles applications. Dans ce travail de doctorat, ces deux approches ont été utilisées séparément, premièrement avec la modification morphologique de la ZSM-12 et deuxièmement lors de la formation des matériaux de type coeur/coquille (silice mésoporeuses@silicalite-1). La ZSM-12 est une zéolithe à haute teneur en silice qui a récemment attiré beaucoup l’attention par ses performances supérieures dans les domaines de l’adsorption et de la catalyse. Afin de synthétiser la ZSM-12 avec une pureté élevée et une morphologie contrôlée, la cristallisation de la zéolithe ZSM-12 a été étudiée en détail en fonction des différents réactifs chimiques disponibles (agent directeur de structure, types de silicium et source d’aluminium) et des paramètres réactionnels (l’alcalinité, ratio entre Na, Al et eau). Les résultats présentés dans cette étude ont montré que, contrairement à l’utilisation du structurant organique TEAOH, en utilisant un autre structurant, le MTEAOH, ainsi que le Al(o-i-Pr)3, cela a permis la formation de monocristaux ZSM-12 monodisperses dans un temps plus court. L’alcalinité et la teneur en Na jouent également des rôles déterminants lors de ces synthèses. Les structures de types coeur/coquille avec une zéolithe polycristalline silicalite-1 en tant que coquille, entourant un coeur formé par une microsphère de silice mésoporeuse (tailles de particules de 1,5, 3 et 20-45 μm) ont été synthétisés soit sous forme pure ou chargée avec des espèces hôtes métalliques. Des techniques de nucléations de la zéolithe sur le noyau ont été utilisées pour faire croitre la coquille de façon fiable et arriver à former ces matériaux. C’est la qualité des produits finaux en termes de connectivité des réseaux poreux et d’intégrité de la coquille, qui permet d’obtenir une stéréosélectivité. Ceci a été étudié en faisant varier les paramètres de synthèse, par exemple, lors de prétraitements qui comprennent ; la modification de surface, la nucléation, la calcination et le nombre d’étapes secondaires de cristallisation hydrothermale. En fonction de la taille du noyau mésoporeux et des espèces hôtes incorporées, l’efficacité de la nucléation se révèle être influencée par la technique de modification de surface choisie. En effet, les microsphères de silice mésoporeuses contenant des espèces métalliques nécessitent un traitement supplémentaire de fonctionnalisation chimique sur leur surface externe avec des précurseurs tels que le (3-aminopropyl) triéthoxysilane (APTES), plutôt que d’utiliser une modification de surface avec des polymères ioniques. Nous avons également montré que, selon la taille du noyau, de deux à quatre traitements hydrothermaux rapides sont nécessaires pour envelopper totalement le noyau sans aucune agrégation et sans dissoudre le noyau. De tels matériaux avec une enveloppe de tamis moléculaire cristallin peuvent être utilisés dans une grande variété d’applications, en particulier pour de l’adsorption et de la catalyse stéréo-sélective. Ce type de matériaux a été étudié lors d’une série d’expériences sur l’adsorption sélective du glycérol provenant de biodiesel brut avec des compositions différentes et à des températures différentes. Les résultats obtenus ont été comparés à ceux utilisant des adsorbants classiques comme par exemple du gel de sphères de silice mésoporeux, des zéolithes classiques, silicalite-1, Si-BEA et ZSM-5(H+), sous forment de cristaux, ainsi que le mélange physique de ces matériaux références, à savoir un mélange silicalite-1 et le gel de silice sphères. Bien que le gel de sphères de silice mésoporeux ait montré une capacité d’adsorption de glycérol un peu plus élevée, l’étude a révélé que les adsorbants mésoporeux ont tendance à piéger une quantité importante de molécules plus volumineuses, telles que les « fatty acid methyl ester » (FAME), dans leur vaste réseau de pores. Cependant, dans l’adsorbant à porosité hiérarchisée, la fine couche de zéolite silicalite-1 microporeuse joue un rôle de membrane empêchant la diffusion des molécules de FAME dans les mésopores composant le noyau/coeur de l’adsorbant composite, tandis que le volume des mésopores du noyau permet l’adsorption du glycérol sous forme de multicouches. Finalement, cette caractéristique du matériau coeur/coquille a sensiblement amélioré les performances en termes de rendement de purification et de capacité d’adsorption, par rapport à d’autres adsorbants classiques, y compris le gel de silice mésoporeuse et les zéolithes.

Utilisation d’arbres de faible vigueur provenant de forêts feuillues tempérées comme matière première pour la fabrication de granules de bois

La présente étude avait pour objectif de contribuer à une meilleure compréhension de la granulation des bois feuillus par l’évaluation de la possibilité technique de transformer des bois feuillus de faible vigueur (l’érable à sucre et le bouleau jaune) en granules conventionnels et granules de haute qualité, un type prometteur de transport énergétique. Trois études individuelles ont été réalisées et présentées dans cette thèse. La première étude visait à déterminer s’il y a des changements de teneur en extractibles, cendres, et lignine du bois entre les classes de vigueur des arbres. Les teneurs plus élevées en extractibles et en lignine dans les arbres peu vigoureux ont suggéré que ces derniers sont plus appropriés par rapport aux arbres vigoureux pour la conversion en biocombustibles solides. La deuxième étude visait à optimiser des procédés de granulation des bois feuillus. L’étude a porté sur l’influence des paramètres du procédé (la température et la force de compression) et des caractéristiques de la matière première (la taille des particules et la teneur en humidité) sur les propriétés physiques et mécaniques des granules de bois. Le procédé de granulation doit être effectué à une température d’environ 100 °C pour minimiser la force de friction dans le granulateur et à une teneur en humidité d’environ 11,2% pour maximiser la masse volumique et la résistance mécanique des granules produites. Cette étude a également confirmé que les arbres de faible qualité sont plus appropriés pour la fabrication de granules de bois que les arbres vigoureux. La troisième étude visait l’élaboration de granules de haute qualité. L’eau chaude à température élevée a été utilisée pour modifier les propriétés de la matière première avant granulation. Les caractéristiques de granulation du matériau traité ont été significativement améliorées. Les granules produites ont montré des propriétés améliorées incluant une plus faible teneur en cendres, une plus haute densité énergétique, une meilleure résistance à l’eau, et une meilleure résistance mécanique. Les résultats obtenus de toutes ces études ont démontré la nécessité de bien connaître les fondements de la granulation des bois feuillus et les solutions pratiques pour l’utilisation d’arbres feuillus de faible qualité, le premier peut être applicable pour le développement de procédés de granulation et le dernier peut contribuer à long terme à la restauration des forêts feuillues dégradées en termes de santé des forêts et de leur valeur.

Commande prédictive non linéaire d’un séchoir à lit fluidisé pour granules pharmaceutiques

Avec la disponibilité de capteurs fiables de teneur en eau exploitant la spectroscopie proche infrarouge (NIR pour near-infrared) et les outils chimiométriques, il est maintenant possible d’appliquer des stratégies de commande en ligne sur plusieurs procédés de séchage dans l’industrie pharmaceutique. Dans cet ouvrage, le séchage de granules pharmaceutiques avec un séchoir à lit fluidisé discontinu (FBD pour fluidized bed dryer) de taille pilote est étudié à l’aide d’un capteur d’humidité spectroscopique. Des modifications électriques sont d’abord effectuées sur le séchoir instrumenté afin d’acheminer les signaux mesurés et manipulés à un périphérique d’acquisition. La conception d’une interface homme-machine permet ensuite de contrôler directement le séchoir à l’aide d’un ordinateur portable. Par la suite, un algorithme de commande prédictive (NMPC pour nonlinear model predictive control), basée sur un modèle phénoménologique consolidé du FBD, est exécuté en boucle sur ce même ordinateur. L’objectif est d’atteindre une consigne précise de teneur en eau en fin de séchage tout en contraignant la température des particules ainsi qu’en diminuant le temps de lot. De plus, la consommation énergétique du FBD est explicitement incluse dans la fonction objectif du NMPC. En comparant à une technique d’opération typique en industrie (principalement en boucle ouverte), il est démontré que le temps de séchage et la consommation énergétique peuvent être efficacement gérés sur le procédé pilote tout en limitant plusieurs problèmes d’opération comme le sous-séchage, le surséchage ou le surchauffage des granules.