Contexte :
La mise en oeuvre des différents isotopes de l’hydrogène sous forme gazeuse (hydrogène, deutérium, tritium) au CEA – Valduc implique l’exploitation de divers procédés. Cette exploitation génère des effluents tritiés. Le développement d’un procédé de décontamination poussée doit permettre de rendre possible le rejet de ces effluents dans le respect des autorisations réglementaires.
La décontamination de ces effluents peut être réalisée par la mise en oeuvre d’un procédé de type chromatographique en phase gazeuse à des températures cryogéniques généralement comprises entre 77K et 40K. Dans ces conditions, une séparation sélective peut être obtenue par physisorption préférentielle des isotopes lourds sur des matériaux adsorbants de type zéolithe.
Dans le cadre d’une thèse en cours, les études sur les zéolithes cationiques (zéolithes A et X) ont notamment mis en évidence le rôle prépondérant des cations compensateurs de charges présents au sein de la charpente zéolithique. A faible remplissage, la sélectivité des adsorbants est particulièrement gouvernée par la nature des cations mais également par leur distribution dans les sites cationiques et par leur accessibilité aux espèces à séparer.
Au cours de ces études, des résultats préliminaires sur des zéolithes A partiellement échangées au potassium ont montré que les facteurs cinétiques pouvaient influer sur les sélectivités observées lors du processus de séparation isotopique. En effet, l’introduction de cations potassium plus volumineux que les cations sodium dans les fenêtres d’accès aux super-cages α implique des différences de diffusivité entre chaque isotope, induisant des facteurs de séparation intéressants.
Objectif de la thèse :
L’objectif de cette thèse est d’une part de caractériser le processus de séparation cinétique observé au sein de zéolithes A partiellement échangées au potassium et d’autre part de tirer profit de ces propriétés singulières de séparation pour les isotopes de l’hydrogène afin de les exploiter dans le cadre du développement d’un procédé de séparation à l’échelle industrielle.
Dans cette optique, l’acquisition de données expérimentales à l’équilibre via la réalisation d’isothermes d’adsorption et de co-adsorption sera effectuée de même que la réalisation de courbes de perçage destinées à étudier les phénomènes mis en oeuvre dans un procédé de type chromatographique.
Les données thermodynamiques et cinétiques des adsorbants déterminées seront alors implémentées dans un outil de simulation permettant de concevoir un schéma procédé, de définir des paramètres de fonctionnement et d’évaluer ses performances.
Déroulement de la thèse :
Dans un premier temps, il s’agira de synthétiser des zéolithes partiellement échangées au potassium, en définissant notamment la quantité optimale de cations potassium à insérer dans la zéolithe NaA, et
de les caractériser par l’intermédiaire de techniques classiques (DRX, FTIR, MEB, MET…).
La détermination des données thermodynamiques et cinétiques des adsorbants synthétisés sera alors réalisée à travers la mesure d’isothermes d’adsorption de corps purs, d’isothermes de co-adsorption et de courbes de perçage par élution de mélanges binaires H2-D2.
Une étude de procédés à l’aide des données expérimentales issues de l’étape précédente sera menée grâce à un outil de simulation afin notamment d’évaluer si ce type d’édifices zéolithiques est susceptible de répondre aux besoins de productivité requis par le futur procédé industriel. La prise en considération des limitations cinétiques et diffusionnelles liées à la mise en oeuvre des zéolithes NaKA devra particulièrement guider la recherche et la conception de schémas procédés innovants et originaux.
Directeur de thèse et école doctorale :
Pr Jean-Pierre BELLAT – Institut Carnot de Bourgogne
Contact :
Mathieu MACAUD
CEA/Valduc – 21120 Is sur Tille – 03 80 23 40 00