Catalyseurs à base de zéolithes échangées au fer et au cuivre. Application pour le procédé SCR des NOx en présence de NH3 pour les moteurs Diesel

Doktorarbeit / Dissertation , 2018 , 168 Seiten , Note: "-"

Chemie - Materialchemie, Werkstoffchemie

L’utilisation des combustibles fossiles comme source d’énergie conduit à une formation importante de gaz nuisibles à l’environnement tels que les oxydes de soufre (SO2 et SO3), le dioxyde de carbone (CO2) et les oxydes d’azote (NOx). Les NOx sont à l’origine des phénomènes environnementaux inquiétants tels que les pluies acides, la formation des brouillards oxydants et la diminution de la couche d’ozone stratosphérique.

Au cours des trente dernières années, de grands efforts ont été entrepris pour résoudre le problème posé par les NOx et de nombreuses techniques pour limiter leur formation ont été développées. Ces efforts ont mené au développement de nouveaux procédés d’abattement catalytique des NOx particulièrement dans le secteur automobile. La réduction directe des oxydes d’azote par les hydrocarbures imbrûlés à la sortie du moteur a été la première technologie testée mais sans grand succès. Une approche alternative à cette solution s’est basée sur la réduction catalytique sélective des NOx en présence d’ammoniac (NH3-SCR). Ce procédé décompose les oxydes d’azote en présence d’un catalyseur en formant de la vapeur d'eau et de l'azote, deux substances non nocives pour l'environnement.

La technologie SCR peut atteindre une réduction des NOx dépassant 95% dans les processus de combustion et peut répondre à une législation future plus stricte. Ce dispositif de dépollution est appelé à se généraliser à partir de septembre 2014 avec l'application des normes Euro 6. Pour répondre à cette norme, les constructeurs automobiles ont eu fort à faire avec les moteurs Diesel qui rejettent beaucoup d'oxydes d'azote. Dans une situation pareille, le catalyseur conventionnel V2O5/TiO2 n’est plus performant, alors les recherches se sont orientées vers les zéolithes échangées aux métaux de transition connus pour leurs multiples avantages.

Inhaltsverzeichnis (Table of Contents)

• Introduction générale
• Chapitre I: Synthèse bibliographique
  • 1. Introduction
  • 2. Les oxydes d'azote
    • 2.1. Nomenclature et propriétés physico-chimiques
    • 2.2. Sources et origines des NOx
      • 2.2.1. Emetteurs naturels
      • 2.2.2. Emetteurs anthropogènes
        • 2.2.2.1. L'agriculture
        • 2.2.2.2. La combustion de la biomasse
        • 2.2.2.3. La combustion des carburants fossiles
    • 2.3. Formation des NOx
      • 2.3.1. NOx thermiques
      • 2.3.2. NOx carburants
      • 2.3.3. NOx rapides
    • 2.4. Impcat des NOx
      • 2.4.1. Toxicité
      • 2.4.2. Impact sur l'homme
      • 2.4.3. Impact sur l'environnement
    • 2.5. Normes réglementaires de l'émission des NOX
      • 2.5.1. Normes européennes
      • 2.5.2. Normes tunisiennes
    • 3. Procédés de réduction des oxydes d'azote
      • 3.1. Décomposition directe des NOx
      • 3.2. Réduction Catalytique Non Sélective (NSCR)
      • 3.3. Réduction Non Catalytique Sélective (SNCR)
      • 3.4. Réduction Catalytique Sélective (SCR)
        • 3.4.1. Principe
        • 3.4.2. SCR par l'ammoniac
          • 3.4.2.1. Principe
          • 3.4.2.2. Nature des catalyseurs
            • 3.4.2.2.1. Les métaux nobles
            • 3.4.2.2.2. Les oxydes métalliques
            • 3.4.2.2.3. Les zéolithes échangées aux métaux
        • 3.4.3. SCR par les hydrocarbures
          • 3.4.3.1. Principe
          • 3.4.3.2. Nature des catalyseurs
            • 3.4.3.2.1. Les systèmes zéolithiques
            • 3.4.3.2.2. Les métaux nobles supportés
      • 4. Le moteur Diesel
        • 4.1. Historique
        • 4.2. Différents types de moteurs Diesel
          • 4.2.1. Les moteurs à injection indirecte
          • 4.2.2. Les moteurs à injection directe
          • 4.2.3. Les moteurs à injection haute pression à rampe commune
        • 4.3. Composition chimique du gaz d'échappement Diesel
        • 4.4. Réduction des NOx par le procédé SCR du moteur Diesel
        • 4.5. Le devenir de la SCR du moteur Diesel
    • Chapitre II: Techniques expérimentales
      • 1. Introduction
      • 2. Caractérisation physico-chimique
        • 2.1. Analyse Chimique par Spectrométrie à Plasma à Couplage Inductif (ICP-AES)
          • 2.1.1. Principe
          • 2.1.2. Appareillage
        • 2.2. Microscopie Electronique à Transmission à Haute Résolution associée à la Microanalyse par Energie Dispersive des Rayons X (HRTEM-EDX)
          • 2.2.1. Principe
          • 2.2.2. Appareillage
        • 2.3. Physisorption d'azote à 77 K
          • 2.3.1. Principe
            • 2.3.1.1. Physisorption d'azote
            • 2.3.1.2. Détermination de la surface spécifique et la distribution poreuse
          • 2.3.2. Appareillage
        • 2.4. Diffraction des Rayons X (DRX)
          • 2.4.1. Principe
          • 2.4.2. Appareillage
        • 2.5. Résonnance Magnétique Nucléaire en rotation à l'Angle Magique de 27 Al (27 Al RMN MAS)
          • 2.5.1. Principe
          • 2.5.2. Appareillage
        • 2.6. Réduction en Température Programmée par H2 (H2-TPR)
          • 2.6.1. Principe
          • 2.6.2. Appareillage
        • 2.7. Désorption d'Ammoniac à Température Programmée (NH3-TPD)
          • 2.7.1. Principe
          • 2.7.2. Appareillage
        • 2.8. Spectroscopie Paramagnétique Electronique (RPE)
          • 2.8.1. Principe
          • 2.8.2. Appareillage
        • 2.9. Spectroscopie par réflectance diffuse dans l'UV-visible
          • 2.9.1. Principe
          • 2.9.2. Appareillage
        • 2.10. Spectroscopie des photoélectrons induits par Rayons X (XPS)
          • 2.10.1. Principe
          • 2.10.2. Appareillage
        • 3. Test catalytique
          • 3.1. Appareillage de la SCR-NO
          • 3.2. Expression des résultats
      • Chapitre III: Effet de la topologie de la zéolithe
        • 1. Introduction
        • 2. Préparation des catalyseurs
          • 2.1. Procédure de préparation
          • 2.2. Terminologie
        • 3. Performances catalytiques dans la réaction NH3-SCR de NO
        • 4. Propriétés physico-chimiques
          • 4.1. Analyse chimique et étude texturale
          • 4.2. Etude structurale
            • 4.2.1. Diffraction des Rayons X (DRX)
            • 4.2.2. Résonance Magnétique Nucléaire (27 Al RMN MAS)
          • 4.3. Etude de l'acidité par NH3-TPD
          • 4.4. Etude de la spéciation du fer et du cuivre
            • 4.4.1. Réflectance Diffuse dans l'UV-visible (DRS UV-vis)
            • 4.4.2. Réduction à Température Programmée (H2 -TPR)
            • 4.4.3. Résonance Paramagnétique Electronique (RPE)
            • 4.4.4. Microscopie Electronique à Transmission à Haute Résolution associée à la Spectrométrie à Dispersion Energétique des rayons X (HRTEM-EDX)
        • 5. Discussion
        • 6. Conclusion
      • Chapitre IV: Effet de l'ordre du métal échangé
        • 1. Introduction
        • 2. Préparation des catalyseurs
          • 2.1. Procédure de préparation
          • 2.2. Terminologie
        • 3. Performances catalytiques dans la réaction NH3-SCR de NO
        • 4. Propriétés physico-chimiques
          • 4.1. Analyse chimique par ICP-AES
          • 4.2. Etude structurale
            • 4.2.1. Diffraction des rayons X (DRX)
            • 4.2.2. Résonance Magnétique Nucléaire (27 Al RMN MAS)
          • 4.3. Etude de l'acidité par NH3-TPD
          • 4.4. Etude de la spéciation du fer et du cuivre
            • 4.4.1. Réflectance Diffuse dans l'UV-visible (DRS UV-vis)
            • 4.4.2. Réduction à Température Programmée (H2-TPR)
            • 4.4.3. Résonance Paramagnétique Electronique (RPE)
            • 4.4.4. Microscopie Electronique à Transmission à Haute Résolution associée à la Spectrométrie à Dispersion Energétique des rayons X (HRTEM-EDX)
        • 5. Discussion
        • 6. Conclusion
      • Chapitre V: Effet de la méthode de préparation
        • 1. Introduction
        • 2. Préparation des catalyseurs
          • 2.1. Procédure de préparation
          • 2.2. Terminologie
        • 3. Performances catalytiques dans la réaction NH3-SCR de NO
        • 4. Propriétés physico-chimiques
          • 4.1. Analyse chimique et étude texturale
          • 4.2. Etude structurale par Diffraction des Rayons X (DRX)
          • 4.3. Etude de la spéciation du fer et du cuivre
            • 4.3.1. Réflectance Diffuse dans l'UV-visible (DRS UV-vis)
            • 4.3.2. Réduction à Température Programmée (H2 -TPR)
            • 4.3.3. Spectroscopie Photoélectronique des Rayons X (XPS)
            • 4.3.4. Microscopie Electronique à Transmission à Haute Résolution associée à la Spectrométrie à Dispersion Energétique des rayons X (HRTEM-EDX)
        • 5. Discussion
        • 6. Conclusion

      Zielsetzung und Themenschwerpunkte (Objectives and Key Themes)

      Diese Dissertation befasst sich mit der Entwicklung und Charakterisierung von zeolithbasierten Katalysatoren, die für die selektive katalytische Reduktion (SCR) von NOx mit NH3 in Dieselmotoren geeignet sind. Die Arbeit zielt darauf ab, die Auswirkungen verschiedener Parameter auf die katalytische Aktivität und Selektivität der Katalysatoren zu untersuchen, wie z. B. die Topologie der Zeolithe, die Reihenfolge der Metallaustausch und die Präparationsmethode.

      • Synthese und Charakterisierung von zeolithbasierten Katalysatoren für die SCR-Reaktion von NOx
      • Untersuchung der Auswirkungen verschiedener Parameter auf die katalytische Aktivität und Selektivität der Katalysatoren
      • Optimierung der Katalysatorformulierung und -präparation für eine verbesserte NOx-Reduktion in Dieselmotoren
      • Elucidierung der Mechanismen, die der katalytischen Aktivität der zeolithbasierten Katalysatoren zugrunde liegen
      • Entwicklung von Strategien für die nachhaltige Reduktion von NOx-Emissionen aus Dieselmotoren

      Zusammenfassung der Kapitel (Chapter Summaries)

      Kapitel I bietet eine umfassende Übersicht über die Bildung, die Auswirkungen und die Reduktionstechniken von NOx. Es werden verschiedene SCR-Methoden vorgestellt, wobei die SCR mit Ammoniak als die vielversprechendste Option hervorgehoben wird. Kapitel II beschreibt die experimentellen Techniken, die für die Synthese, Charakterisierung und katalytische Bewertung der zeolithbasierten Katalysatoren verwendet wurden. Es werden detaillierte Informationen über die einzelnen Charakterisierungstechniken und deren Anwendung in der vorliegenden Arbeit gegeben.

      Kapitel III konzentriert sich auf die Untersuchung des Einflusses der Zeolithtopologie auf die katalytische Leistung. Die Ergebnisse zeigen, dass die Topologie der Zeolithe einen signifikanten Einfluss auf die SCR-Aktivität und Selektivität der Katalysatoren hat. Kapitel IV untersucht die Auswirkungen der Reihenfolge des Metallaustausches auf die katalytischen Eigenschaften. Es wird festgestellt, dass die Reihenfolge, in der die Metalle in die Zeolithe eingetauscht werden, die Verteilung der Metallarten innerhalb der Zeolithstruktur und folglich die katalytische Aktivität beeinflusst.

      Kapitel V konzentriert sich auf die Untersuchung des Einflusses der Präparationsmethode auf die katalytischen Eigenschaften. Die Ergebnisse zeigen, dass die Präparationsmethode eine entscheidende Rolle für die texturalen und strukturellen Eigenschaften der Katalysatoren spielt, was sich wiederum auf ihre SCR-Leistung auswirkt.

      Schlüsselwörter (Keywords)

      Die wichtigsten Schlüsselwörter und Themengebiete dieser Dissertation sind zeolithbasierte Katalysatoren, selektive katalytische Reduktion (SCR), NOx, Ammoniak, Dieselmotoren, Metallaustausch, Topologie, Präparationsmethode, Charakterisierungstechniken, katalytische Aktivität, Selektivität.

• Hochschule: Université de Tunis El Manar (Faculté des Sciences de Tunis)
• Note: "-"
• Autor: Houda Jouini (Autor:in)
• Erscheinungsjahr: 2018
• Seiten: 168
• Katalognummer: V1165172
• ISBN (PDF): 9783346570918
• ISBN (Buch): 9783346570925
• Sprache: Französisch
• Schlagworte: Zeolithe, Catalyse, Environnement, Dépollution automobile