Une approche combinée de calculs et d'expérimentations pour prédire l'adsorption des NOx et du CO sur la faujasite d'argent - application au démarrage à froid des moteurs diesel

L'objectif est de réduire les émissions de composés gazeux des gaz d'échappement. Des solutions catalytiques existent pour réduire les espèces toxiques. Ces solutions ne sont pas très fonctionnelles pendant les cycles de démarrage à froid. Il est donc nécessaire de développer un procédé permettant de capter les gaz toxiques à basse température. Cependant, l'eau, qui se trouve dans les gaz d'échappement, inhibe parfois l'adsorption des polluants. La méthodologie utilisée est la suivante. De nos jours, la précision des calculs DFT (Density Functional Theory) est suffisamment élevée pour prédire les enthalpies d'adsorption de diverses molécules dans les zéolithes. Ils ont été effectués pour un criblage systématique à travers une série de zéolites X faujasite échangées par des cations monovalents et ensuite évaluées pour leur capacité à capturer le CO, NO et NO2. Cependant, cet outil numérique nécessite une validation expérimentale ; c'est pourquoi des mesures isothermes ont été effectuées pour atteindre l'enthalpie d'adsorption à " charge zéro ". Pour étudier la sélectivité de l'adsorption, les isothermes d'adsorption d'un seul composant ont été mesurées expérimentalement par manométrie à trois températures avec une pression qui varie de 0 à la pression atmosphérique, P0. Pour déterminer l'enthalpie d'adsorption, la méthode isostérique a été utilisée. De plus, des expériences dynamiques ont été réalisées pour étudier la co-adsorption. L'adsorption de NO, NO2 et CO purs et de leurs mélanges avec et sans eau et oxygène gazeux est étudiée à 101.3kPa et 303K. Par ailleurs, des expériences ont été menées avec NaX pour proposer une comparaison entre Ag+ et le cation sodium. Les objectifs ont été d'évaluer (i) les temps de percée, (ii) la quantité d'espèces adsorbées et (iii) les raisons qui mènent aux réactions chimiques de surface.
Les expériences d'équilibre ont montré que la zéolithe AgX peut être utilisée pour piéger le CO, le NO et le NO2. Les capacités d'adsorption ont augmenté dans l'ordre suivant : NO < CO < NO2. Les calculs DFT sont en accord avec les résultats expérimentaux à l'équilibre. L'énergie d'adsorption de ces trois espèces pures à couverture nulle a le même comportement. Nous pouvons observer que NO2 est plus adsorbé que l'eau avec une différence d'enthalpie autour de -30 kJ/mol. Par ailleurs, les calculs effectués sur Ag+ démontrent une forte affinité pour les molécules de gaz NO et CO dépassant -70 kJ/mol. Cependant, l'énergie d'adsorption de l'eau sur AgX est respectivement supérieure et équivalente à celle des molécules de NO et CO. Les expériences dynamiques réalisées ont permis de montrer que l'AgX est (i) facilement régénérable pour une réutilisation ultérieure, (ii) offre une stabilité à long terme et (iii) permet de piéger le CO, le NO et le NO2. Or, une réaction chimique se produit entre NO2 et l'eau pour générer du NO ; mais le NO est adsorbé grâce à la zéolithe AgX. En conclusion, les expériences soutenues par les résultats de la DFT, ont indiqué que cette approche peut être appliquée pour améliorer la conception, la mise à l'échelle et l'optimisation des systèmes d'adsorption en lit fixe continu pour traiter les gaz d'échappement de moteurs thermiques.