Etude de l'adsorption du CO, du NO et de l'eau sur les zéolithes NiY, NiX pour traiter les gaz d'échappement du diesel : Calculs DFT, synthèse des zéolithes, comparaison avec NaY et NaX, adsorption à l'équilibre et adsorption dynamique

Cet article évalue la capacité d'adsorption de NO, CO, eau et leur comportement compétitif sur les faujasites NaY (Si/Al=2,55) et NaX (Si/Al=1,23) échangées avec le cation nickel. Ce travail s'inscrit dans le cadre de la santé au travail et plus particulièrement du traitement des gaz d'échappement diesel dans les environnements de travail confinés. L'élimination de ces polluants nécessite de trouver un matériau sélectif capable d'adsorber le NO et le CO en présence d'eau. Le métal de transition nickel a été choisi grâce à la modélisation moléculaire : calculs DFT. En effet, les structures de l'adsorption du CO, du NO et de l'eau sur NiY, NiX, NaY et NaX ont été calculées et étudiées avec la méthode GGA, PBE GGA avec la méthode D2 de correction de la dispersion. Un screening a été réalisé sur les cations divalents et l'énergie d'interaction de chaque gaz sur les quatre zéolithes. Quel que soit le rapport Si/Al, les calculs d'énergie d'adsorption montrent que le sodium présente une plus grande affinité pour l'eau que pour le NO et le CO, ce qui indique son inadéquation pour le traitement des gaz d'échappement du diesel. Le cation Ni se comporte plus efficacement, puisque chacune des faujasites, NiX et NiY, montre une plus grande affinité pour NO et CO qu'avec l'eau. L'échange de cations a donc été réalisé en traitant les deux zéolithes avec une solution de sel de nickel. Les analyses ICP OES et XRD, réalisées sur la phase solide, ont permis d'observer un sur-échange dû à la présence de nickel hydraté dans la solution saline. Néanmoins, un bilan de masse réalisé sur le cation sodium a démontré que l'échange cationique s'est déroulé avec succès. Les techniques de manométrie (appareil Belsorp max II - société BEL) et de thermogravimétrie (Setys Setaram) ont été utilisées pour fournir des isothermes d'adsorption du CO, du NO et de l'eau avec des faujasites échangées au sodium et au nickel. Les expériences ont été menées à au moins trois températures (5, 25 et 35°C) pour obtenir l'enthalpie d'adsorption de tous les gaz par la méthode de l'isostère. Les propriétés texturales ont été obtenues par des expériences d'adsorption/désorption d'azote réalisées à 77 K. Ces investigations ont permis de montrer que la structure cristalline n'a pas été endommagée par les multiples échanges réalisés.
Ce travail a permis de valider les calculs DFT, de déterminer la constante d'équilibre et d'évaluer la quantité maximale de gaz adsorbé. Quelle que soit la température, toutes les capacités d'adsorption de NO et de CO augmentent avec la présence de nickel. L'échange cationique n'a pas d'influence significative sur l'adsorption de l'eau. Sa capacité d'adsorption garde le même ordre de grandeur après comparaison entre NaY/NiY et NaX/NiX mais elle reste très élevée pour la X-faujasite : Les X-faujasites étaient modérément sélectives pour l'eau. Par conséquent, l'écart de quantité adsorbée entre les polluants et l'eau augmente clairement de NaY à NiY. Les expériences dynamiques ont révélé et confirmé cette dernière remarque et l'intérêt du cation nickel. Elles ont également mis en évidence l'influence de la forme de la percée et par conséquent du rapport Si/Al sur la résistance du transfert de masse. La zéolithe étudiée a indiqué que la zéolithe NiY est plus performante que les trois autres matériaux et a révélé que le cation nickel est le cation divalent le plus approprié pour piéger sélectivement les molécules de NO et de CO en présence d'eau.