Abatement of Toluene Using a Sequential Adsorption-Catalytic Oxidation Process: Comparative Study of Potential Adsorbent/Catalytic Materials

International audienceA novel strategy for toluene abatement was investigated using a sequential adsorption-regeneration process. Commercial Hopcalite (CuMn2Ox, Purelyst101MD), Ceria nanorods, and UiO-66-SO3H, a metal–organic framework (MOF), were selected for this study. Toluene was first adsorbed on the material and a mild thermal activation was performed afterwards in order to oxidize toluene into CO2 and H2O. The materials were characterized by XRD, N2 adsorption-desorption analysis, H2-TPR and TGA/DSC. The best dynamic toluene adsorption capacity was observed for UiO-66-SO3H due to its hierarchical porosity and high specific surface area. However, in terms of balance between storage and catalytic properties, Hopcalite stands out from others owing to its superior textural/chemical properties promoting irreversible toluene adsorption and outstanding redox properties, allowing a high activity and CO2 selectivity in toluene oxidation. The high conversion of toluene into CO2 which easily desorbs from the surface during heating treatment shows that the sequential adsorption-catalytic thermal oxidation can encompass a classical oxidation process in terms of efficiency, CO2 yield, and energy-cost saving, providing that the bifunctional material displays a good stability in repetitive working conditions.Une nouvelle stratégie de réduction des rejets de toluène a été étudiée à l'aide d'un procédé séquentiel d'adsorption-régénération. De l'hopcalite commerciale (CuMn2Ox, Purelyst101MD), des nanobatonnets de cérium et de l'UiO-66-SO3H, une structure métallo-organique (MOF), ont été sélectionnés pour cette étude. Le toluène a d'abord été adsorbé sur le matériau et une activation thermique douce a ensuite été réalisée afin d'oxyder le toluène en CO2 et H2O. Les matériaux ont été caractérisés par XRD, analyse d'adsorption-désorption de N2, H2-TPR et TGA/DSC. La meilleure capacité d'adsorption dynamique du toluène a été observée pour UiO-66-SO3H en raison de sa porosité hiérarchisée et de sa surface spécifique élevée. Cependant, en termes d'équilibre entre le stockage et les propriétés catalytiques, l'hopcalite se distingue des autres par ses propriétés texturales/chimiques supérieures favorisant l'adsorption irréversible du toluène et ses propriétés redox exceptionnelles, permettant une activité élevée et une sélectivité du CO2 dans l'oxydation du toluène. La conversion élevée du toluène en CO2 qui se désorbe facilement de la surface pendant le traitement thermique montre que l'oxydation thermique séquentielle par adsorption-catalyse peut intégrer un processus d'oxydation classique en termes d'efficacité, de rendement en CO2 et d'économie d'énergie, à condition que le matériau bifonctionnel présente une bonne stabilité dans des conditions de travail répétitives