Size and agglomeration of zeolite crystals during synthesis : effects of experimental parameters and modelling
Taille et agglomération des cristaux d'une zéolithe au cours de la synthèse : effets des paramètres expérimentaux et modélisation
Résumé
Zeolites are an important class of natural and synthetic solids. They are used for ion exchange and adsorption, but are also widely used as catalysts and catalyst supports for the petroleum industry. ln some cases, obtaining the desired catalytic performance totally rely on the synthesis of zeolite crystals having an optimal size. ln the actual state of art, nucleation and growth of zeolite crystals are relatively well known. The initial gel, obtained by mixing of a sodium aluminate solution, an organic compound and a silicium source, is made of an amorphous solid phase and a liquid phase. However, there are in the literature few mentions about the two levels agglomeration process taking place in sorne zeolites crystallizations. The aim of this thesis is to study the hydrothermal synthesis of a specifie zeolite in order to control the sizes of crystals and their agglomeration degrees during synthesis. A methodology using XRD, SEM, AAS and PSA has then been elaborated to follow the synthesis and the evolution of those characteristics during synthesis. Once the physico-chemical and hydrodynarnic parameters (alkalinity, dilution, synthesis temperature, gel ageing, stirring speed and suspension volume) able to influence those features deterrnined, the method described above allowed the study of the influence of those parameters on the synthesis and on the various entities forrning zeolite crystals. A predictive model of sizes and agglomeration degrees, based on operating conditions, with respect to thermodynamics, kinetics and hydrodynarnics, has been elaborated. An investigative study of the influence of ultrasounds on zeolite synthesis has also been performed.
Les zéolithes constituent une classe importante de solides naturels et synthétiques. Ils sont utilisés pour l'échange d'ions, la séparation par adsorption, mais surtout ils ont une activité importante de catalyseurs et de supports de catalyseurs dans l'industrie pétrolière. Dans certaines applications, l'utilisation d'une taille optimale de cristaux de zéolithe peut être la condition sine qua none à l'obtention de la performance catalytique désirée. En l'état actuel des connaissances scientifiques, les processus de nucléation et de croissance des zéolithes sont relativement bien connus. Le milieu initial, obtenu par mélange d'aluminate de sodium, d'un agent organique et d'une suspension de silice, se présente sous la forme d'un gel contenant une phase solide amorphe et une phase liquide. En revanche, il y a dans la littérature peu de données sur le processus d'agglomération à deux niveaux rencontré lors de la synthèse de certaines zéolithes. Le but de ce travail est l'étude de la synthèse hydrothermale d'une zéolithe en vue de maîtriser la taille et les degrés d'agglomération des cristaux au cours de la synthèse. Dans ce dessein, il a été développé une méthodologie de suivi de la synthèse et de l'évolution de ces caractéristiques au cours de la synthèse par DRX, MEB, SAA et granulométrie laser. Après détermination des facteurs physico-chimiques et hydrodynamiques pouvant influencer ces caractéristiques (alcalinité, dilution, température de synthèse, mûrissement du gel, vitesse d'agitation et volume de suspension), cette méthode a permis d'étudier l'impact de ces facteurs sur la synthèse et sur les différentes entités formant la zéolithe. Un modèle prédictif de la taille et des degrés d'agglomération de ces entités a été défini en fonction des conditions opératoires, basé sur des considérations thermodynamiques, cinétiques et hydrodynamiques. Enfin, un travail exploratoire de synthèse de la zéolithe sous ultrasons a été effectué.