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Les zéolithes , livre ebook

EDP Sciences - Fernando Ramôa , Michel Guisnet

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Description

En un peu plus d'un demi-siècle, les zéolithes (appelées aussi tamis moléculaires) ont conquis une position clé dans notre vie quotidienne. Ces nanomatériaux ont des applications diverses et variées, allant de l'échange des cations durs en détergence au séchage des gaz et des solutions organiques, à la séparation par tamisage moléculaire et à la catalyse. Cette dernière application est la plus importante : les zéolithes sont en effet de remarquables catalyseurs qui permettent la production sélective et propre des molécules oléfiniques et benzéniques pour la Chimie, de carburants et lubrifiants de qualité, de précurseurs de médicaments, etc. et la destruction de polluants gazeux.

Ce livre comprend 14 chapitres. Les trois premiers décrivent les principales zéolithes commerciales, leur synthèse et la caractérisation des propriétés qui ont fait leur succès dans la catalyse sélective de nombreuses réactions. Les trois suivants montrent sur des exemples démonstratifs que leur sélectivité exceptionnelle provient du réseau régulier de leurs cages et canaux de taille moléculaire contenant des centres actifs de caractéristiques bien définies. Les huit autres chapitres présentent en détail les grands procédés du raffinage du pétrole (craquage, hydroisomérisation, hydrocraquage), de la pétrochimie (production d'alkyl benzéniques, conversion du méthanol en éthylène et propène, oxydation et ammoximation, etc.), de la chimie fine et de la dépollution, utilisant des zéolithes comme catalyseurs.

L'accent est mis sur la diversité des réactions et de leurs mécanismes (catalyse acide, basique, acidobasique, d'oxydation, bifonctionnelle) et sur l'apport économique et environnemental important des catalyseurs zéolithiques. Des annexes introduisent les notions fondamentales et appliquées indispensables aux lecteurs non spécialistes. Cet ouvrage est destiné aux chercheurs, débutants ou confirmés, universitaires ou industriels, du domaine de la catalyse. Il peut aussi permettre aux Professeurs d'IUT, de licence, de master, d'écoles d'Ingénieurs, etc. d'illustrer de façon claire le rôle des nanomatériaux dans la Chimie industrielle moderne.

Sujets

Techniques

Automatisation et Contrôle

Matériaux

Materials Science

Sciences et techniques

Technology

Engineering

Matériau

Informations

Publié par	EDP Sciences
Date de parution	01 mars 2006
Nombre de lectures	1
EAN13	9782759802494
Langue	Français
Poids de l'ouvrage	6 Mo

Informations légales : prix de location à la page 0,4000€. Cette information est donnée uniquement à titre indicatif conformément à la législation en vigueur.

Extrait

LES ZÉOLITHES UN NANOMONDE AU SERVICE DE LA CATALYSE

Michel Guisnet et Fernando Ramôa Ribeiro

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LES ZÉOLITHES, UN NANOMONDE AU SERVICE DE LA CATALYSE

Michel Guisnet et Fernando Ramôa Ribeiro

17, avenue du Hoggar Parc d’activités de Courtabœuf, BP 112 91944 Les Ulis Cedex A, France

Illustration de couverture :c droits réservés.

ISBN : 2-86883-826-X

Tous droits de traduction, d’adaptation et de reproduction par tous procédés, réservés pour tous pays. La loi du 11 mars 1957 n’autorisant, aux termes des alinéas 2 et 3 de l’article 41, d’une part, que les « copies ou reproductions strictement réservées à l’usage privé du copiste et non destinées à une utilisation collective », et d’autre part, que les analyses et les courtes citations dans un but d’exemple et d’illustration, « toute représentation intégrale, ou partielle, faite sans le consentement de l’auteur ou de ses ayants droit ou ayants cause er est illicite » (alinéa 1 de l’article 40). Cette représentation ou reproduction, par quelque procédé que ce soit, constituerait donc une contrefaçon sanctionnée par les articles 425 et suivants du code pénal.

cEDP Sciences 2006

À ma femme, mes enfants et petits-enfants,

Au Professeur Raymond Maurel et à Denise Barthomeuf, Directeur de recherche CNRS qui m’ont inoculé leur passion pour la Catalyse et pour les Zéolithes, M. G.

À ma sœur, nièce et neveu et à mon collègue et ami, José Luis Figueiredo,

À Christian Marcilly, Directeur de recherche à l’Institut Français du Pétrole qui a guidé mes premiers pas en recherche et au Professeur Éric Derouane pour son soutien constant, F.R. R.

À tous nos collaborateurs et élèves qui, par leur enthousiasme et leur dynamisme ont joué un rôle clé dans la conception de ce livre,

À tous les chercheurs industriels et universitaires de nombreux pays avec qui nous avons coopéré pour leurs suggestions et leurs critiques,

Un remerciement particulier à ceux qui ont contribué avec dextérité à la préparation matérielle du manuscrit, et spécialement à Joao Pedro Marques, Hugo Vale, Maryvonne Choumil, Philippe Ayrault et Sébastien Laforge ainsi qu’à notre collègue et ami Jacques Védrine qui a accepté de préfacer ce livre. M. G ; F.R. R.

Préface

Les zéolithes sont des matériaux qui ont fasciné les hommes dès leur découverte par A.F. Crönsted (zeo-lithosou la pierre qui bout) en Suède en 1756. Il s’agissait alors de la stilbite, un alumino-silicate hydraté. Pendant plus de deux cents ans, les zéolithes furent des minéraux de collection des musées d’histoire naturelle avec de beaux cristaux naturels. La synthèse artiﬁcielle de tels minéraux s’est dévelop-pée dès les années 1950 pour leurs propriétés d’adsorption spéciﬁque, de catalyse et d’échange ionique (détergents). Actuellement plus de 130 zéolithes ont été syn-thétisées contre une quarantaine trouvée dans la nature.

C’est dans le domaine de la catalyse hétérogène que les innovations et la créati-vité des chercheurs ont été les plus spectaculaires. Pour beaucoup de chercheurs, la catalyse hétérogène reste une science mystérieuse et les découvertes aléatoires, pour ne pas dire fortuites. Les différents concepts qui ont pu être proposés sont rarement généraux ou applicablesa priori. Il est largement reconnu que les cata-lyseurs hétérogènes les plus actifs sont des solides mal cristallisés, parfois même amorphes, souvent fort complexes et constitués de plusieurs phases ou composés minéraux, ce qui rend la description du site actif et du cycle catalytique pratique-ment impossible. Par contre, le cas des zéolithes, composés bien cristallisés et à structure stable, est apparu « digne d’intérêt » en recherche fondamentale, car des concepts simples (tamisage moléculaire, sélectivité de forme, catalyse supra-moléculaire, etc.) d’action et de réaction catalytique peuvent être imaginés. C’est pourquoi on a assisté, dès les années 70, à un engouement des chercheurs pour ce domaine de recherche qui a même provoqué quelques conﬂits avec les auto-rités universitaires qui considéraient ces travaux comme un simple cadeau à la recherche industrielle.

Le succès de ces matériaux en adsorption et surtout dans de nombreux pro-cédés catalytiques essentiels (craquage ou FCC, transformation du méthanol en essence ou MTG, etc.) ont donné lieu à des brevets et publications innombrables et à de nombreux livres. Le présent livre, écrit par deux experts en catalyse hé-térogène sur zéolithes, en est un exemple frappant. C’est aussi un des rares livres actuels en langue française à l’usage d’un public varié depuis des étudiants français

PRÉ FAC E

ou francophones jusqu’aux chercheurs des secteurs publics et industriels. Il pré-sente de grands avantages :

– Il constitue une synthèse moderne des connaissances actuelles dans le do-maine des zéolithes. Il comprend 14 chapitres dans lesquels tous les prin-cipaux aspects et caractéristiques de ces matériaux sont exposés, de façon simpliﬁée le plus souvent mais exhaustive. Il s’agit de la structure, de la syn-thèse de matériaux zéolithiques, de leur caractérisation par des techniques variées et surtout de leurs nombreuses propriétés catalytiques tant pour les procédés industriels que pour les mécanismes réactionnels mis en jeu...

– Ce livre est très bien documenté, au fait des derniers développements en ca-talyse sans omettre les développements plus anciens. Les tamis moléculaires mésoporeux, qui n’ont pas reçu d’application industrielle à ce jour ne sont pas abordés volontairement. Le livre présente également tous les aspects, souvent occultés, de la désactivation des catalyseurs zéolithiques par le coke et de leur régénération...

C’est un excellent livre que l’on peut fortement conseiller aux chercheurs dé-butants mais également aux chercheurs conﬁrmés, universitaires ou industriels du domaine. Il n’a pas l’ambition de se substituer aux livres spécialisés sur des aspects particuliers de ces solides mais il se veut simple et généraliste. Trois annexes ap-portent des compléments généraux importants en catalyse hétérogène et sur les réacteurs. Elles sont de grande utilité en rappelant des grands principes que les chercheurs ont souvent tendance à oublier.

Je suis particulièrement heureux de cette initiative de mes collègues et je tiens à leur exprimer toutes mes félicitations et mon admiration pour ce travail exhaustif et d’excellente qualité.

Professeur Jacques C. VEDRINE, Directeur de Recherche CNRS Émérite ÉditeurApplied Catalysis A: General Laboratoire de Physico-Chimie des Surfaces École Nationale Supérieure de Chimie de Paris, ENSCP

Sommaire

Préface. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

v xv

Chapitre 1 : Les zéolithes : de la synthèse aux applications 1. Histoire des zéolithes1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2. Structure poreuse et sites actifs des zéolithes5. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1. Structure poreuse [15] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5 2.2. Sites actifs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6 2.2.1. Catalyse acide sur zéolithes. Sites actifs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6 2.2.2. Catalyse d’oxydoréduction sur zéolithes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14 2.2.3. Catalyse bifonctionnelle sur zéolithes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15 3. Les zéolithes, des catalyseurs intelligents à la base d’une chimie verte. . 15 4. Conclusions20. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Références

Chapitre 2 : Synthèse et modiﬁcation des zéolithes 1. Synthèse hydrothermale des zéolithes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 1.1. Étapes clés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .23 1.2. Supersaturation de la solution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .24 1.3. Nucléation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .25

viii

SO M M AI RE

1.4. Croissance des cristaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.5. Paramètres déterminant la zéolithisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2. Traitements post-synthèse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . 2.1. Échange d’ions [6] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2. Désalumination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.1. Désalumination par des agents non siliciques . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.2. Désalumination par des agents siliciques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Références

26 26 27 27 29 29 35

Chapitre 3 : Caractérisation des catalyseurs zéolithiques 1. Structure zéolithique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 2. Composition globale et composition de la maille élémentaire. . . . . . . . . . 41 2.1. Composition chimique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .41 2.2. Composition de la maille élémentaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .42 2.2.1. Détermination du rapport Si/Al de charpente . . . . . . . . . . . . . . . . . .42 2.2.2. Formule de la maille élémentaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .47 3. Taille et forme des cristallites. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 4. Propriétés d’adsorption48. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5. Sites d’adsorption51. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1. Détermination quantitative des concentrations en sites de Brønsted et de Lewis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .52 5.2. Force des sites acides de Lewis et de Brønsted . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .54 5.3. Catalyseurs bifonctionnels Pt/zéolithe. Dispersion du platine . . . . . . . . . . . .56 6. Conclusions57. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Références

Chapitre 4 : Transformation d’hydrocarbures par catalyse acide sur zéolithes 1. Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . 2. Sites acides et activité catalytique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 3. Mécanismes de réaction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . 3.1. Généralités . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2. Isomérisation squelettale et craquage d’alcènes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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