Development of a compact process for noble gases separation

Dans le cadre du Traité d’Interdiction Complète des Essais nucléaires, le Commissariat à l’Energie Atomique et aux Energies Alternatives (CEA) développe des systèmes de détection des essais nucléaires en se basant sur la mesure des isotopes radioactifs du xénon, tels que le Système de Prélèvement d’Air en Ligne avec l’Analyse des radioXénons. L’adsorption est un procédé adapté pour ce type d’applications mais nécessite l’utilisation de matériaux adsorbants très performants pour piéger et séparer les gaz rares d’intérêt présents dans l’air à l’état de traces. Ce travail doctoral a tout d’abord permis de poser un cadre méthodologique permettant de comparer les matériaux adsorbants disponibles pour séparer le xénon aux faibles pressions partielles et de sélectionner la zéolithe Ag@ZSM-5. De nombreuses techniques ont été employées dont la microscopie électronique à transmission et la simulation ab initio afin d’étudier le vieillissement de ce matériau en conditions procédés, lié aux étapes d’élution en température et aux conditions environnementales, et d’approfondir la connaissance de cet adsorbant. L’influence du support zéolithique sur la formation et la stabilité des particules métalliques, ainsi que l’interaction entre les nanoparticules et le xénon ont en effet été investigués. Finalement la zéolithe Ag@ZSM-5 a été mise en application dans un pilote de laboratoire automatisé. Ce procédé compact de séparation des gaz rares basé uniquement sur des étapes d’adsorption présente des performances encourageantes et permet d’envisager l’utilisation de ce matériau dans des applications variées, de la dépollution de l’air en radon jusqu’à la production industrielle de xénonIn the context of the Comprehensive Nuclear Test Ban Treaty, the Commissariat à l’Energie Atomique et aux Energies Alternatives (CEA) is developing systems to detect nuclear tests based on the xenon radioactive isotopes measurement, such as the Système de Prélèvement d’Air en Ligne avec l’Analyse des radioXénons. Adsorption is a suitable process for this type of application but requires the use of high performance adsorbent materials to trap and separate the rare gases of interest present in the air in trace amounts.In the first instance, this PhD thesis has set a methodological framework to compare the adsorbent materials available to separate xenon at low partial pressures and to select the Ag@ZSM-5 zeolite. Numerous techniques ranging from transmission electron microscopy to ab initio calculation have been employed to study the aging of this material under process conditions, related to the thermal elution steps and environmental conditions. The knowledge of the material has been deepened by studying the influence of zeolite support on the formation and stability of metal particles, as well as the interaction between nanoparticles and xenon. Finally, the Ag@ZSM-5 zeolite was applied in an automated pilot. This compact process for the separation of noble gases based only on adsorption steps shows encouraging performances and allow considering the use of this material in various applications, ranging from decontamination of air polluted by radon to the industrial production of xeno