Étude des performances et de la désactivation par empoisonnement au soufre du catalyseur spinelle Ni-UGSO : cas du reformage autothermique du méthane

L’utilisation des énergies fossiles est de plus en plus croissante et du fait que ces réserves soient épuisables, le monde se tourne de plus en plus vers d’autres sources d’énergie, dans le but de diversifier les sources et ralentir la consommation des sources fossiles. La production et l’utilisation de l’hydrogène s’inscrivent dans ce mouvement de transition énergétique. Ayant diverses applications, l’hydrogène est de plus en plus utilisé et représente un élément important dans le secteur énergétique. Si divers procédés permettent de produire cette molécule, le reformage à la vapeur du méthane reste à l’heure actuelle le procédé qui permet de produire 94% de l’hydrogène mondial. Les travaux réalisés ont pour but de produire l’hydrogène pour diverses applications, parmi lesquelles les piles à combustible. Le reformage du méthane peut se faire de plusieurs façons : à la vapeur, à sec ou par oxydation partielle. Aussi, ces procédés nécessitent l’usage de catalyseur afin d’améliorer la cinétique et la productivité de la réaction. Les scientifiques mènent des recherches autour de divers catalyseurs afin de trouver ceux qui couteraient moins chers et présenteraient de bonnes performances catalytiques lors du reformage du méthane. C’est dans cette optique que s’inscrivent les travaux réalisés tout au long de ce doctorat. Un résidu minier nommé UGSO (Upgraded Slag Oxides) constituant un déchet provenant d’une unité de production de scorie de titane nommée UGS (Upgraded Slag), a été utilisé pour préparer un catalyseur en y ajoutant du nitrate de nickel hexahydraté, par la méthode de préparation à l’état solide améliorée. Le catalyseur obtenu, nommé Ni-UGSO (breveté) a montré des propriétés remarquables lors de divers procédés de reformage du méthane ou d’huiles pyrolytiques. Le premier objectif des travaux de cette recherche consistait à déterminer les conditions autothermiques pour lesquelles le Ni-UGSO présenterait de bonnes performances catalytiques. Aussi, il convenait d’apporter une explication préliminaire à l’activité observée du catalyseur. Le deuxième objectif consistait à étudier la désactivation du catalyseur Ni-UGSO et diverses méthodes de régénération de ce catalyseur. Il en ressort des expériences qu’aux conditions autothermiques : 850°C, pression atmosphérique, CH4/CO2 = 3 et CH4/O2 = 2 (ratios molaires), débit volumique des réactifs de 4500+/- 100 ml/(h.gcat), le catalyseur présente une bonne activité et une stabilité sur 2 jours de réaction. Le méthane est converti à 99% et des rendements de 98% et 95% en H2 et CO respectivement sont obtenus. De façon préliminaire, l’activité du catalyseur serait liée à un effet synergétique du nickel métallique, de la solution solide NiO-MgO, des oxydes NiO et MgO et du spinelle MgAl2O4. Ces éléments constituent le Ni-UGSO aux conditions autothermiques déterminées. L’étude de la désactivation du Ni-UGSO a montré que comparé aux catalyseurs rapportés dans la littérature, le Ni-UGSO, exposé à 275 ppm de H2S ne se désactive pas complètement (la conversion du méthane décroit de 99 à 40%). Une fois le catalyseur désactivé, la méthode de régénération permettant de récupérer intégralement l’activité initiale du catalyseur est la calcination à 900 °C, en présence d’oxygène. Celle-ci reforme les spinelles initiaux du Ni-UGSO, en assurant une distribution atomique du nickel

Étude des performances et de la désactivation par empoisonnement au soufre du catalyseur spinelle Ni-UGSO : cas du reformage autothermique du méthane

L’utilisation des énergies fossiles est de plus en plus croissante et du fait que ces réserves soient épuisables, le monde se tourne de plus en plus vers d’autres sources d’énergie, dans le but de diversifier les sources et ralentir la consommation des sources fossiles. La production et l’utilisation de l’hydrogène s’inscrivent dans ce mouvement de transition énergétique. Ayant diverses applications, l’hydrogène est de plus en plus utilisé et représente un élément important dans le secteur énergétique. Si divers procédés permettent de produire cette molécule, le reformage à la vapeur du méthane reste à l’heure actuelle le procédé qui permet de produire 94% de l’hydrogène mondial. Les travaux réalisés ont pour but de produire l’hydrogène pour diverses applications, parmi lesquelles les piles à combustible. Le reformage du méthane peut se faire de plusieurs façons : à la vapeur, à sec ou par oxydation partielle. Aussi, ces procédés nécessitent l’usage de catalyseur afin d’améliorer la cinétique et la productivité de la réaction. Les scientifiques mènent des recherches autour de divers catalyseurs afin de trouver ceux qui couteraient moins chers et présenteraient de bonnes performances catalytiques lors du reformage du méthane. C’est dans cette optique que s’inscrivent les travaux réalisés tout au long de ce doctorat. Un résidu minier nommé UGSO (Upgraded Slag Oxides) constituant un déchet provenant d’une unité de production de scorie de titane nommée UGS (Upgraded Slag), a été utilisé pour préparer un catalyseur en y ajoutant du nitrate de nickel hexahydraté, par la méthode de préparation à l’état solide améliorée. Le catalyseur obtenu, nommé Ni-UGSO (breveté) a montré des propriétés remarquables lors de divers procédés de reformage du méthane ou d’huiles pyrolytiques. Le premier objectif des travaux de cette recherche consistait à déterminer les conditions autothermiques pour lesquelles le Ni-UGSO présenterait de bonnes performances catalytiques. Aussi, il convenait d’apporter une explication préliminaire à l’activité observée du catalyseur. Le deuxième objectif consistait à étudier la désactivation du catalyseur Ni-UGSO et diverses méthodes de régénération de ce catalyseur. Il en ressort des expériences qu’aux conditions autothermiques : 850°C, pression atmosphérique, CH4/CO2 = 3 et CH4/O2 = 2 (ratios molaires), débit volumique des réactifs de 4500+/- 100 ml/(h.gcat), le catalyseur présente une bonne activité et une stabilité sur 2 jours de réaction. Le méthane est converti à 99% et des rendements de 98% et 95% en H2 et CO respectivement sont obtenus. De façon préliminaire, l’activité du catalyseur serait liée à un effet synergétique du nickel métallique, de la solution solide NiO-MgO, des oxydes NiO et MgO et du spinelle MgAl2O4. Ces éléments constituent le Ni-UGSO aux conditions autothermiques déterminées. L’étude de la désactivation du Ni-UGSO a montré que comparé aux catalyseurs rapportés dans la littérature, le Ni-UGSO, exposé à 275 ppm de H2S ne se désactive pas complètement (la conversion du méthane décroit de 99 à 40%). Une fois le catalyseur désactivé, la méthode de régénération permettant de récupérer intégralement l’activité initiale du catalyseur est la calcination à 900 °C, en présence d’oxygène. Celle-ci reforme les spinelles initiaux du Ni-UGSO, en assurant une distribution atomique du nickel

Conversion of actual flue gas CO2 via cycloaddition to propylene oxide catalyzed by a single-site, recyclable zirconium catalyst

A reusable zirconium-based catalyst for the cycloaddition of CO2 to propylene oxide (PO) was prepared by the surface organometallic chemistry (SOMC) methodology. Accordingly, well-defined amounts of the ZrCl4.(OEt2)(2) precursor were grafted on the surface of silica dehydroxylated at 700 degrees C (SiO2-700) and at 200 degrees C (SiO2-200) in order to afford surface coordination compounds with different podality and chemical environment. The identity of the surface complexes was thoroughly investigated by FT-IR, elemental microanalysis and solid state NMR and applied as a recoverable and reusable heterogeneous catalyst for the title reaction using pure CO2 and flue gas samples from a cement factory. The observed catalytic activity for the isolated zirconium complexes is rationalized by means of systematic DFT calculations