Séparation des isotopologues de H2 sur des zéolithes de type chabasite

Contexte :

Le présent s’inscrit dans le cadre d’une collaboration entre le groupe « Adsorption sur Solides Poreux (ASP) de l’ICB et le centre CEA DAM de Valduc sur la problématique de la séparation des isotopes de l’hydrogène par adsorption sélective sur des matériaux nanoporeux de type zéolithique à température cryogénique (T < 77 K). La mise en oeuvre des isotopes sous forme gazeuse (hydrogène, deutérium, tritium) au CEA Valduc implique l’exploitation de divers procédés dont certains sont à l’origine de la production d’effluents tritiés. Le développement d’un procédé de décontamination poussée doit permettre de rendre possible le traitement et le rejet de ces effluents dans le respect des autorisations réglementaires. Une séparation sélective peut être obtenue dans un procédé de type chomatographie par physisorption préférentielle des isotopologues lourds sur des matériaux adsorbants nanoporeux de type zéolithe.

Objectif de la thèse :

Dans le cadre d’une précédente thèse, des études sur les zéolithes cationiques ont mis en évidence le rôle prépondérant des cations présents dans la structure zéolithique. À faible remplissage, la sélectivité des adsorbants est gouvernée par la force d’interaction entre les cations et les molécules adsorbées . Des études plus récentes sur des chabasite ont montré qu’à fort remplissage des effets de confinement de la phase adsorbée influencent la sélectivité. Ainsi nous avons démontré que dans la structure chabasite, un réarrangement moléculaire de la phase adsorbée a lieu, augmentant la sélectivité D2/H2. La combinaison des deux mécanismes de séparation pourrait être une voie très prometteuse pour augmenter la sélectivité. L’objectif est d’une part de caractériser le processus de séparation au sein de chabasites de composition cationique différente et d’autre part de tirer profit de ces propriétés singulières de séparation pour le développement de procédés de séparation à l’échelle industrielle.

Déroulement de la thèse :

La détermination des données thermodynamiques et cinétiques pour les adsorbants synthétisés sera réalisée par mesures d’isothermes d’adsorption. La prise en considération des limitations cinétiques et diffusionnelles liées à la mise en oeuvre des chabasites devra particulièrement guider la recherche et la conception de schémas de procédés innovants et originaux.
– Synthèse de zéolithes type chabasite avec différents cations et caractérisations (DRX, FTIR, MEB, MET…). Détermination des conditions de mise en forme à l’échelle de laboratoire pour obtenir des matériaux utilisables en colonne pour les mesures des courbes de perçage.
– Détermination des isothermes d’adsorption de corps purs à différentes températures (40 K – 77 K). Mesures de sélectivité D2/H2 par co-adsorption.
– Réalisation et et mise en oeuvre d’un montage permettant les mesures des courbes de perçage, destinées à étudier les phénomènes dynamiques mis en oeuvre dans un procédé en colonne.
– -Caractérisation des matériaux les plus performants sur les unités pilotes du CEA Valduc.

DIRECTEUR DE THESE

Igor BEZVERKHYY
igor.bezverkhyy@u-bourgogne.fr

ECOLE DOCTORALE

ED 553
Carnot – Pasteur
9 rue A. Savary
BP 47870
21078 DIJON

ENCADRANT

Clément CABAUD
clement.cabaud@cea.fr

CENTRE

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