Study of the feasibility of a gas-solid adsorption process for the treatment of NOx and CO in the presence of water : Application to diesel engines emissions in confined spaces

Depuis 2012, les gaz d’échappement diesel sont considérés comme cancérigènes, ce qui représente un risque pour les travailleurs quotidiennement exposés à ces fumées. Cette étude s’intéresse plus particulièrement aux oxydes d’azotes (NOx) et au monoxyde de carbone (CO) présents dans l’échappement diesel. Actuellement, des solutions catalytiques permettent de réduire la concentration de sortie de ces composés mais elles ne sont pas viables pour les véhicules non routiers fonctionnant de façon discontinue et pour solutionner la problématique du « cold start ». La thèse s’est alors orientée vers l’adsorption sur des zéolithes. Dans un premier temps, sept zéolithes ont été choisies et l’étude de l’adsorption des corps purs en dynamique a montré qu’elles étaient peu efficaces dans la capture de NO et de CO mais qu’elles avaient de bonnes capacités d’adsorption vis à vis de NO2. L’étude plus poussée sur trois d’entre elles, Na Y, NH4 Y et H Y, a montré qu’en présence d’O2 et/ou de vapeur d’eau dans le flux gazeux, des réactions chimiques se produisent, conduisant notamment à la formation de NO2 et/ou de NO qui doivent alors être également adsorbé. Le rôle de la température d’adsorption a également été étudié sur la zéolithe Na Y. Son influence est importante à la fois sur la capacité d’adsorption et sur les cinétiques des réactions chimiques. Les capacités de rétention maximales des NOx sur la zéolithe Na Y sont obtenues à 30°C en présence d’O2 dans le flux gazeux et en absence totale d’eau. Afin d’améliorer la capture de NO et CO, il est possible d’estimer les capacités d’adsorption d’autres zéolithes en utilisant la modélisation moléculaire par Density Functional Theory (DFT) afin de calculer les chaleurs isostériques d’adsorptionSince 2012, diesel exhaust gases are considered to be carcinogenic, which is a risk to workers who are exposed to these fumes on a daily basis. This study focuses on nitrogen oxides (NOx) and carbon monoxide (CO) present in the diesel exhaust. Currently, catalytic solutions can reduce the outlet concentration of these compounds, but they are not viable for non road vehicles operating intermittently and to solve the problem of “cold start”. The thesis was then focuses on adsorption on zeolites. As a first step, seven zeolites were selected and the study of the adsorption of pure components in dynamics showed that they were ineffective in the uptake of NO and CO but they had good adsorption capacities for NO2. The further study on three of them, Na Y, NH4 Y and H Y, showed that in the presence of O2 and/or water vapor in the gaseous stream, chemical reactions occur, leading in particular to the formation of NO2 and/or NO which must then also be adsorbed. The role of adsorption temperature has also been studied on zeolite Na Y. Its influence is important on the adsorption capacity and on the kinetics of the chemical reactions. The maximum retention capacities of NOx on zeolite Na Y are obtained in presence of O2 in the gaseous mixture and in absence of water. In order to improve the uptake of NO and CO, it is possible to estimate the adsorption capacities of other zeolites by using molecular modeling by Density Functional Theory (DFT) to calculate the isosteric heats of adsorptio