EP3784366A1 - Procede de captation et de decontamination d'un milieu gazeux en presence d'un monolithe comprenant du tioet de la silice - Google Patents

Procede de captation et de decontamination d'un milieu gazeux en presence d'un monolithe comprenant du tioet de la silice

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EP3784366A1
EP3784366A1 EP19716906.3A EP19716906A EP3784366A1 EP 3784366 A1 EP3784366 A1 EP 3784366A1 EP 19716906 A EP19716906 A EP 19716906A EP 3784366 A1 EP3784366 A1 EP 3784366A1
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EP
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monolith
silica
solution
less
titanium dioxide
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Withdrawn
Application number
EP19716906.3A
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German (de)
English (en)
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Sophie BERNADET
Antoine Fecant
Serge Ravaine
Rénal-Vasco BACKOV
Michael LE BECHEC
Sylvie Lacombe
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IFP Energies Nouvelles IFPEN
Original Assignee
IFP Energies Nouvelles IFPEN
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Publication date
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    • Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
    • Y02A50/00—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE in human health protection, e.g. against extreme weather
    • Y02A50/20—Air quality improvement or preservation, e.g. vehicle emission control or emission reduction by using catalytic converters

Definitions

  • the field of the invention is that of the decontamination of a gaseous medium comprising volatile organic compounds by means of a photocatalytic process.
  • VOCs volatile organic compounds
  • a first way consists in bringing the gaseous medium into contact with an adsorbent (also called here a collection mass) consisting mainly of activated carbon.
  • an adsorbent also called here a collection mass
  • the disadvantage of this type of adsorbent is that it must be replaced periodically to ensure the efficiency of the system.
  • the FR2975309 discloses the monoliths of Ti0 2 or Ti0 2 -Si0 2 self-supporting as photocatalysts for the decontamination of air.
  • both types of materials have low levels of adsorption of volatile organic compounds.
  • the materials Ti0 2 -Si0 2 the preparation process of which provides for the supply of Simultaneous Si precursor and Ti precursor exhibit no photocatalytic activity.
  • the Applicant has discovered that the use of a monolith based on silica and titanium dioxide, comprising a specific macroporous structure, makes it possible to reach much higher adsorption capacities compared with the adsorbents based on coals. and porous monoliths known from the state of the art, while having improved properties in photocatalytic activity, in terms of stability, and rate of mineralization, compared to photocatalytic materials according to the prior art.
  • the implementation of a monolithic material according to the invention thus makes it possible to combine the two functions of the materials commonly proposed for the decontamination application of the effluents to be treated, that is to say the capture impurities contained in the effluent to be treated and their degradation, while avoiding the spread of nanoparticles in the effluent, inducing significant performance gains.
  • the present invention relates to a method for treating a gaseous feedstock containing oxygen and one or more volatile compounds, which process comprises the following steps:
  • said gaseous feed containing oxygen and one or more volatile organic compounds is brought into contact with a monolith comprising silica and titanium dioxide, said monolith comprising a macroporous volume of type I, the pore diameter of which is greater than 50 nm and less than or equal to 1000 nm, between 0.1 to 3 ml / g, and a macroporous volume of type II, whose pore diameter is greater than 1 ⁇ m and less than or equal to 10 ⁇ m, between 1 at 8 mL / g;
  • said monolith is irradiated with at least one irradiation source producing at least a wavelength of less than 400 nm in order to convert said volatile organic compounds to carbon dioxide, said step b) being carried out at a temperature of between ° C and + 200 ° C and at a pressure between 0.01 MPa and 70 MPa.
  • said gaseous feed containing oxygen and one or more volatile organic compounds is diluted with a diluent fluid.
  • the irradiation source is a source of artificial irradiation.
  • the irradiation source produces at least one wavelength of between 300 and 400 nm.
  • step a) is carried out in a cross-bed fixed bed reactor or in a fixed licking bed.
  • said monolith has a mesoporous volume, whose pore diameter is greater than 2 nm and less than or equal to 50 nm, of between 0.01 and 1 ml / g, preferably between 0.05 and 0.5 ml. /boy Wut.
  • said monolith additionally has a macroporous volume, the pore diameter of which is greater than 10 ⁇ m, less than 0.5 ml / g.
  • said monolith has a bulk density of between 0.05 and 0.5 g / ml.
  • said monolith has a specific surface area of between 10 and 1000 m 2 / g, preferably between 50 and 600 m 2 / g.
  • said monolith comprises a content of titanium dioxide of between 5 and 70% by weight relative to the total weight of the monolith.
  • said monolith is prepared according to the following steps:
  • step 2 at least one soluble precursor of silica is added to the solution obtained in step 1);
  • step 3 optionally, is added to the solution obtained in step 2) at least one liquid organic compound, immiscible with the solution obtained in step 2) to form an emulsion;
  • step 4 the solution obtained in step 2) or the emulsion obtained in step 3) is allowed to mature in the wet state in order to obtain a gel;
  • step 5 the gel obtained in step 4) is washed with an organic solution
  • step 6) the gel obtained in step 5) is dried and calcined to obtain a silica-based monolith
  • step 6 impregnating a solution comprising at least one soluble precursor of titanium dioxide in the porosity of the monolith obtained in step 6);
  • step 8) optionally, the product obtained in step 7) is dried and calcined to obtain a monolith based on silica and containing titanium dioxide.
  • step 8) is carried out at a temperature of between 5 and 120 ° C.
  • step 8 calcination in air is carried out with a first temperature stage of between 80 and 150 ° C. for 1 to 10 hours, then a second stage in temperature between 150 and 250 ° C for 1 to 10 hours, and finally a third temperature level between 300 and 950 ° C for 0.5 to 24 hours.
  • group VIII according to the CAS classification corresponds to the metals of columns 8, 9 and 10 according to the new IUPAC classification.
  • micropores means pores whose diameter is less than 2 nm; mesopores pores whose diameter is greater than 2 nm and less than or equal to 50 nm and macropores pores whose diameter is greater than 50 nm, and more particularly macropores type I pores whose diameter is greater than 50 nm and less or equal to 1000 nm (1 ⁇ m), and type II macropores pores whose diameter is greater than 1 ⁇ m and less than or equal to 10 ⁇ m.
  • volatile organic compounds means any compound containing at least the carbon element and one or more of the following elements: hydrogen, halogen, oxygen, sulfur , phosphorus, silicon or nitrogen, with the exception of carbon dioxide, and having a vapor pressure of 0.01 kPa or more at a temperature of 273.15 K.
  • the macroporous and mesoporous volumes are measured by mercury intrusion porosimetry according to ASTM D4284-83 at a maximum pressure of 4000 bar (400 MPa), using a surface tension of 484 dyne / cm and a contact angle of 140 °. .
  • Total pore volume is the volume measured by mercury porosimeter intrusion according to ASTM D4284-83 at a maximum pressure of 4000 bar (400 MPa), using a surface tension of 484 dyne / cm and a contact angle of 140 °.
  • the anchoring angle was taken equal to 140 ° according to the recommendations of the book "Techniques of the engineer, treated analysis and characterization", pages 1050-1055, written by Jean Charpin and Bernard Rasneur.
  • the specific surface is measured by nitrogen adsorption according to the ASTM D 3663-78 standard established from the Brunauer, Emmett, Teller method, ie the BET method, as defined in S. Brunauer, PH Emmett, E. Teller, J. Am Chem. Soc., 1938, 60 (2), pp. 309-319. Description
  • the present invention relates to a method for treating a gaseous feedstock comprising dioxygen, such as air, which may contain one or more volatile organic compounds (VOCs), said process comprising the following steps:
  • a gaseous feedstock containing one or more volatile organic compounds and dioxygen is contacted with a monolith based on silica and titanium dioxide, said monolith comprising a macroporous volume of type I, ie a macroporous volume whose diameter of pores is greater than 50 nm and less than or equal to 1000 nm (1 ⁇ m), between 0.1 to 3 ml / g, preferably between 0.2 and 2.5 ml / g, and a macroporous volume of type II , ie a macroporous volume, the pore diameter of which is greater than 1 ⁇ m and less than or equal to 10 ⁇ m, of between 1 and 8 ml / g, preferably of between 2 and 8 ml / g and even more preferentially between 3 and 8 ⁇ m.
  • mL / g a gaseous feedstock containing one or more volatile organic compounds and dioxygen
  • step a) of the process according to the invention the monolith is brought into contact with a gaseous feedstock containing one or more volatile organic compounds and dioxygen.
  • the feedstock treated by the process is in gaseous form, and contains volatile organic compounds as well as dioxygen.
  • the feedstock treated by the process is air containing up to 10,000 ppm of volatile organic compounds.
  • volatile organic compounds include the following families of molecules: halogenated hydrocarbons, aromatic hydrocarbons, alkanes, alkenes, alkynes, aldehydes, ketones.
  • the charge is diluted with a gaseous diluent fluid.
  • a diluent fluid is not required for carrying out the invention, however it may be useful to add to the charge to ensure the dispersion of the charge in the medium, a control of the adsorption of the reagents / products in the porosity of the monolith, the dilution of the products to limit their recombination and other similar parasitic reactions.
  • the presence of a diluent fluid also makes it possible to control the temperature of the reaction medium, thus being able to compensate for the possible exo / endothermicity of the photocatalyzed reaction.
  • the nature of the diluent fluid is chosen such that its influence is neutral on the reaction medium or that its possible reaction does not interfere with the achievement of the desired reaction. degradation of volatile organic compounds.
  • the gaseous diluent fluid is selected from N 2 , O 2 , or air.
  • Contacting the gaseous feed containing one or more volatile organic compounds and oxygen with said monolith can be done by any means known to those skilled in the art.
  • the contacting of the gaseous feedstock containing one or more volatile organic compounds and oxygen with said monolith is carried out in a fixed-bed reactor or in a fixed licking bed.
  • said monolith When the implementation is in fixed bed traversed, said monolith is preferably fixed within the reactor, and the gaseous feed containing one or more volatile organic compounds and oxygen is sent through the photocatalytic bed.
  • said monolith is preferably fixed within the reactor and the gaseous feed containing one or more volatile organic compounds and oxygen is sent to the photocatalytic bed.
  • the implementation When the implementation is in fixed bed or in bed licking, the implementation can be done continuously.
  • said monolith is irradiated with at least one irradiation source producing at least a wavelength of less than 400 nm so as to degrade the volatile organic compounds to carbon dioxide by photocatalysis.
  • Photocatalysis is based on the principle of activation of a semiconductor (such as TiO 2 ) or of a set of semiconductors such as the photocatalyst used in the process according to the invention, using the energy provided by irradiation.
  • Photocatalysis can be defined as the absorption of a photon whose energy is greater than or equal to the forbidden bandgap or "bandgap" according to the English terminology between the valence band and the conduction band, which induces the formation of an electron-hole pair in the semiconductor. We therefore have the excitation of an electron at the level of the conduction band and the formation of a hole on the valence band.
  • This electron-hole pair will allow the formation of free radicals that will either react with compounds present in the medium, or recombine according to various mechanisms.
  • Each semiconductor has a difference in energy between its conduction band and its valence band, or "bandgap" according to the Anglo-Saxon terminology, which is peculiar to it.
  • a photocatalyst composed of one or more semiconductors can be activated by the absorption of at least one photon.
  • Absorbable photons are those whose energy is greater than bandgap, or semiconductor.
  • the photocatalysts can be activated by at least one photon of a wavelength corresponding to the energy associated with the bandgap widths of the semiconductors constituting the photocatalyst or of a lower wavelength.
  • the maximum wavelength absorbable by a semiconductor is calculated using the following equation:
  • any irradiation source emitting at least one wavelength suitable for activation of said photocatalyst, that is to say absorbable by Ti0 2 , therefore less than 400 nm, can be used according to the invention. It is possible, for example, to use natural solar radiation or a source of artificial irradiation of the laser type, Arc Mercure Hg, Xenon Xe, Mercury-Xenon Hg (Xe), Deuterium D 2 or Quarte Tungsten Halogne QTH lamps, incandescent lamp, fluorescent tube, plasma or light emitting diode (LED, or LED in English for Light-Emitting Diode).
  • the irradiation source is an artificial irradiation.
  • the irradiation source produces radiation of which at least a portion of the wavelengths is less than the maximum absorbable wavelength (A max ) by the Ti0 2 contained in the monolith.
  • a max maximum absorbable wavelength
  • the irradiation source is solar irradiation, it generally emits in the ultraviolet spectrum, visible and infra-red, that is to say it emits a wavelength range of 280 nm to 2500 nm about (according to ASTM G173-03).
  • the source emits at least in a wavelength range greater than 280 nm, very preferably 300 nm to 400 nm.
  • the irradiation source provides a photon flux that irradiates the reaction medium containing the monolith.
  • the interface between the reaction medium and the light source varies depending on the applications and the nature of the light source.
  • the irradiation source is located outside the reactor and the interface between the two may be an optical window pyrex, quartz, organic glass or any other interface allowing the photons absorbable by the monolith according to the invention to diffuse external medium within the reactor.
  • the realization of said method is conditioned by the adsorption capacity of said monolith as well as by the provision of photons adapted to the photocatalytic system for the reaction envisaged, and therefore is not limited to a pressure or temperature range. other than those for ensuring the stability of the material (s).
  • the temperature range employed for the process is generally from -30 ° C to + 200 ° C, preferably from -10 to 150 ° C, and most preferably from -10 to 100 ° C.
  • the pressure range employed for the process is generally from 0.01 MPa to 70 MPa (0.1 to 700 bar), more preferably from 0.5 MPa to 2 MPa (0.5 to 20 bar).
  • the process according to the invention can be carried out with a dry or wet gas up to 100% relative humidity, preferably the gas to be treated contains 0 to 60% relative humidity.
  • the monolith used in the context of the process for treating a gaseous feedstock according to the invention comprises silica and titanium dioxide.
  • Said monolith has a macroporous volume of type I, ie a macroporous volume whose pore diameter is greater than 50 nm and less than or equal to 1000 nm (1 ⁇ m), of between 0.1 to 3 ml / g, preferably between 0.2 and 2.5 ml / g, and even more preferably between 1 and 2 ml / g.
  • said monolith has a macroporous volume of type II, ie a macroporous volume whose pore diameter is greater than 1 ⁇ m and less than or equal to 10 ⁇ m, between 1 and 8 ml / g, preferably between 2 and 8. mL / g, and even more preferably between 3 and 8 mL / g.
  • a macroporous volume of type II ie a macroporous volume whose pore diameter is greater than 1 ⁇ m and less than or equal to 10 ⁇ m, between 1 and 8 ml / g, preferably between 2 and 8. mL / g, and even more preferably between 3 and 8 mL / g.
  • the monolith comprises a content of titanium dioxide of between 5 and 70% by weight relative to the total weight of the monolith.
  • the monolith can optionally be doped with one or more elements chosen from metal elements, such as, for example, elements V, Ni, Cr, Mo, Fe, Sn, Mn, Co, Re, Nb, Sb, La, Ce, Ta.
  • metal elements such as, for example, elements V, Ni, Cr, Mo, Fe, Sn, Mn, Co, Re, Nb, Sb, La, Ce, Ta.
  • non-metallic elements such as, for example, C, N, S, F, P, or a mixture of metallic and non-metallic elements.
  • the titanium dioxide contained in the monolith can be surface-sensitized with any organic molecules capable of absorbing photons.
  • said monolith may contain at least one element M chosen from an element of groups VIIIB, IB, MB and NIA of the periodic classification of elements in the metallic state and / or oxide.
  • the content of element (s) M in the metallic state and / or oxide is between 0.001 and 20% by weight relative to the total weight of the monolith.
  • said monolith has a mesoporous volume, whose pore diameter is greater than 2 nm and less than or equal to 50 nm, of between 0.01 and 1 ml / g, preferably between 0.05 and 0.5 ml. /boy Wut.
  • said monolith furthermore has a macroporous volume, whose pore diameter is greater than 10 ⁇ m, less than 0.5 ml / g.
  • said monolith has a bulk density of between 0.05 and 0.5 g / ml. The apparent density is calculated by making the ratio between the mass of catalyst and its geometric volume.
  • said monolith has a BET surface area of between 10 and 1000 m 2 / g, preferably between 50 and 600 m 2 / g, and even more preferably between 100 and 300 m 2 / g.
  • the monolith used in the context of the process according to the invention may be prepared by a specific preparation process, in which the synthesis of the silica and titanium dioxide phases takes place in two distinct steps.
  • the realization of two distinct stages makes it possible in particular to avoid the formation of mixed SiO 2 -TiO 2 compounds in the structure of the monolith itself, which would lead to a loss of available photocatalytic material.
  • the process for preparing said monolith comprises the following steps:
  • step 2 at least one soluble precursor of silica is added to the solution obtained in step 1);
  • step 3 optionally, is added to the solution obtained in step 2) at least one liquid organic compound, immiscible with the solution obtained in step 2) to form an emulsion;
  • step 4 the solution obtained in step 2) or the emulsion obtained in step 3) is allowed to mature in the wet state in order to obtain a gel;
  • step 5 the gel obtained in step 4) is washed with an organic solution
  • step 6) drying and calcining the gel obtained in step 5) to obtain a monolith based on silica;
  • step 6 impregnating a solution comprising at least one soluble precursor of titanium dioxide in the porosity of the monolith obtained in step 6);
  • step 8) optionally, the product obtained in step 7) is dried and calcined to obtain a monolith based on silica and containing titanium dioxide.
  • Step 11 In step 1) of the process for preparing the monolith, a solution containing one or more surfactants is mixed with an acidic aqueous solution to obtain an acidic aqueous solution comprising one or more surfactants.
  • the surfactants may be anionic, cationic, amphoteric or nonionic.
  • the surfactants are chosen from poly (ethylene glycol), cetyl trimethylammonium bromide and myristyltrimethylammonium bromide, alone or as a mixture.
  • the acidic agent is preferably selected from inorganic acids such as nitric, sulfuric, phosphoric, hydrochloric, hydrobromic acid and organic acids such as carboxylic or sulphonic acids, alone or as a mixture.
  • the pH of the mixture is preferably less than 4.
  • step 2) of the process for preparing the monolith at least one soluble precursor of silica, preferably selected from tetraethylorthosilicate and tetramethylorthosilicate, is added alone or as a mixture.
  • the mass ratio precursors / surfactants is between 0.1 and 10.
  • step 3 at least one liquid organic compound immiscible with the solution obtained in step 2) is added to the solution obtained in step 2) to form an emulsion.
  • the liquid organic compound is a hydrocarbon or a mixture of hydrocarbons having 5 to 15 carbon atoms.
  • the liquid organic compound / solution ratio obtained in step 2) is between 0.2 and 5.
  • step 4 the solution obtained in step 2) or the emulsion obtained in step 3) is allowed to mature in the wet state in order to obtain a gel;
  • the maturation is carried out at a temperature between 5 and 80 ° C.
  • the maturation is carried out for 1 to 30 days. It is during this step 4) that the synthesis of the silica (SiO 2 ) takes place.
  • step 5 the gel obtained in step 4) is washed with an organic solution.
  • the organic solution is acetone, ethanol, methanol, isopropanol, tetrahydrofuran, ethyl acetate or methyl acetate, alone or as a mixture.
  • the washing step is repeated several times.
  • step 6 the gel obtained in step 5) is dried and calcined to obtain a silica-based monolith.
  • the drying is carried out at a temperature between 5 and 80 ° C. Preferably, the drying is carried out for 1 to 30 days.
  • paper towels can be used to accelerate the drying of the materials.
  • the calcination is carried out as follows: a first temperature stage of between 120 and 250 ° C. for 1 to 10 hours, then a second temperature stage of between 300 and 950 ° C. for 2 to 24 hours.
  • a solution comprising at least one soluble precursor of titanium dioxide is impregnated into the porosity of the monolith obtained in step 6).
  • the titanium precursor is chosen from an alkoxide, very preferably the titanium precursor is chosen from titanium isopropoxide and tetraethylorthotitanate, alone or as a mixture.
  • a maturation step is carried out in a humid atmosphere after the impregnation.
  • step 8 the product obtained in step 7) is dried and calcined to obtain a monolith.
  • a drying step is carried out at a temperature between 5 and 120 ° C and for 0.5 to 20 days.
  • a calcination step under air is then carried out with a first temperature stage of between 80 and 150 ° C. for 1 to 10 hours, then a second temperature stage of between 150 and 250 ° C. for 1 to 10 hours. and finally a third temperature stage of between 300 and 950 ° C for 0.5 to 24 hours.
  • Any element, or precursor element, M selected from an element of groups VIIIB, IB, 11 B and II IA of the periodic table of elements can be introduced at any stage of the process.
  • Example 1 Material A (not according to the invention ' )
  • Material A is a commercial activated carbon in the form of pellets (WS490, MBRAUN
  • Example 2 Material B (not in accordance with the invention ' )
  • Material B is a commercial material consisting of nanoparticles of Ti0 2 supported by quartz fibers sold under the name Quartzel TM by Saint Gobain®. Quartzel TM is known to those skilled in the art for its excellent photocatalytic properties in air purification.
  • Example 3 Material C (not in accordance with the invention)
  • the material C is a monolith containing silica and titanium dioxide, in which the SiO 2 and TiO 2 phases were synthesized during the same step, such as the solid called TiO 2 / SiO 2 -Dodecane described in FIG . example 1 of the patent application FR2975309.
  • Material C has a total porosity of 2.44 cm 3 / g, with a mesoporous volume of 0.47 ml / g, a macroporous volume of type I of 0.79 ml / g and a macroporous volume of type II of 1 18 mL / g, and a bulk density of 0.33 g / cm 3 .
  • Material C has a specific surface area of 365 m 2 / g.
  • the Ti element content measured by ICP-AES is 47.72% by weight, which is equivalent to 79.55% by weight of TiO 2 in the material C
  • Example 4 Material D (not in accordance with the invention ' )
  • the material D is a TiO 2 monolith, such as the so-called TiO 2 -Heptane solid described in Example 1 of the patent application FR2975309.
  • Material D has a total porosity of 0.52 ml / g, of which a mesoporous volume of 0.29 ml / g, a macroporous volume of type I of 0.07 ml / g and a macroporous volume of type II of 0, 16 mL / g, and a bulk density of 1.1 g / cm 3 .
  • Material D has a specific surface area of 175 m 2 / g.
  • Example 5 Material E (in accordance with the invention ' )
  • the emulsion is then poured into a petri dish of 5.5 cm internal diameter, which is installed in a saturator for 7 days for gelation.
  • the gel obtained is then washed a first time with anhydrous tetrahydrofuran (Aldrich TM, purity> 99%), then with a mixture of anhydrous tetrahydrofuran / acetone (VWR TM, ACS grade) at 70/30 by volume twice in succession.
  • Aldrich TM anhydrous tetrahydrofuran
  • VWR TM a mixture of anhydrous tetrahydrofuran / acetone
  • the gel is then dried at room temperature for 7 days.
  • the gel is finally calcined in air in a muffle furnace at 180 ° C. for 2 hours, then at 650 ° C. for 5 hours.
  • a solution containing 34 mL of distilled water, 44.75 mL of isopropanol (Aldrich TM, purity> 99.5%), 10.74 mL of hydrochloric acid (37% by weight, Aldrich TM, purity 97%) and 10.50 mL of titanium isopropoxide (Aldrich TM, 97% purity) is prepared with stirring. Part of this solution corresponding to the pore volume is impregnated in the porosity of the monolith and then left to mature for 12 hours. The monolith is then dried under ambient atmosphere for 24 hours. The step is repeated a second time.
  • the monolith is finally calcined in air in muffle furnace at 120 ° C for 2 hours, then at 180 ° C for 2 hours and finally at 400 ° C for 1 hour.
  • a monolith comprising TiO 2 in an SiO 2 matrix is thus obtained, such that the syntheses of the silica and titanium dioxide phases have been carried out in two distinct steps.
  • the material E has a mesoporous volume of 0.20 ml / g, a macroporous volume of type I of 1.15 ml / g and a macroporous volume of type II of 5.8 ml / g.
  • Material E has a surface area of 212 m 2 / g.
  • the Ti element content measured by ICP-AES is 27.35% by weight, which is equivalent to 52.1% by weight of TiO 2 in the material E.
  • the material E has a bulk density of 0.14 g / ml.
  • Example 6 Embodiment of materials in adsorption and photooxidation of acetone
  • Materials A, B, C, D and E are subjected to a gas phase acetone adsorption and photooxidation test in a continuous steel through-bed reactor equipped with a quartz optical window and a grid in front of the optical window on which the material is deposited. Before each test, the materials were conditioned by thermodesorption at 15 ° C for 12h. The tests are carried out at room temperature under atmospheric pressure by passing a dry air containing 480 ppmV of acetone at a flow rate of 60 ml / min. The residual content of acetone and the production of carbon dioxide gas produced by the photooxidation of acetone are followed by an analysis of the effluent every 7 minutes by gas chromatography (FID GC / FID methanizer).
  • FID methanizer gas chromatography
  • the UV irradiation source is provided by a LED type lamp (High Power single LED chip 1W 365nm Roithner Lasertechnik GmbM TM).
  • the irradiation power is maintained at 30 W / m 2 for a range of wavelengths between 315 and 380 nm.
  • the overall duration of each test is approximately 200 hours. The tests are carried out in two steps: a first step of equilibrium without irradiation which makes it possible to estimate the quantity of acetone adsorbed, a second step of photooxidation under irradiation which makes it possible to estimate the photocatalytic performances.
  • Materials B and E are subjected to a gas phase toluene adsorption and photooxidation test in a continuous steel through-bed reactor equipped with a quartz optical window and a sintered glass in front of the optical window. which is deposited the material. Before each test, the materials were conditioned by thermodesorption at 115 ° C. for 12 hours. The tests are carried out at ambient temperature under atmospheric pressure by passing a dry air containing 70 ppmV of toluene at a flow rate of 60 ml / min. The residual toluene content and the production of carbon dioxide gas produced by the photooxidation of toluene are followed by an analysis of the effluent every 7 minutes by gas chromatography (FID GC / FID methanizer).
  • FID methanizer gas chromatography
  • the UV irradiation source is provided by a LED type lamp (High Power single LED chip 1W 365nm Roithner Lasertechnik GmbM TM).
  • the irradiation power is always maintained at 30W / m 2 for a range of wavelengths between 315 and 380 nm.
  • the overall duration of each test is approximately 100 hours. The tests are carried out in two stages: a first step of equilibrium without irradiation which makes it possible to estimate the quantity of toluene adsorbed, a second step of photooxidation under irradiation which makes it possible to estimate the photocatalytic performances.
  • toluene The adsorption values of toluene show that the implementation according to the invention makes it possible to reach significantly higher levels than known implementations of the state of the art. On the other hand, the degree of mineralization of toluene is significantly higher for an implementation according to the invention. Finally, the use of the material E according to the invention makes it possible to obtain very stable photocatalytic activities contrary to the implementation of the Quartzel® (material B). With the Quartzel® material, there is a rapid deactivation of the material which is characterized by a decrease in the production of carbon dioxide and a significant yellowing of the material during the test phase under irradiation.

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Abstract

Procédé de traitement d'une charge gazeuse contenant du dioxygène et un ou plusieurs composés volatils, lequel procédé comprend les étapes suivantes : a) on met en contact ladite charge gazeuse contenant du dioxygène et un ou plusieurs composés organiques volatils avec un monolithe comprenant de la silice et du dioxyde de titane, ledit monolithe comprenant un volume macroporeux de type I, dont le diamètre des pores est supérieur à 50 nm et inférieur ou égal à 1000 nm, compris entre 0,1 à 3 mL/g, et un volume macroporeux de type II, dont le diamètre des pores est supérieur à 1 μm et inférieur ou égal à 10 μm, compris entre 1 à 8 mL/g; b) on irradie ledit monolithe par au moins une source d'irradiation produisant au moins une longueur d'onde inférieure à 400 nm pour convertir lesdits composés organiques volatils en dioxyde de carbone, ladite étape b) étant réalisée à une température comprise entre - 30°C et + 200°C et à une pression comprise entre 0,01 MPa et 70 MPa.

Description

PROCEDE DE CAPTATION ET DE DECONTAMINATION D’UN MILIEU GAZEUX EN PRESENCE D’UN MONOLITHE COMPRENANT DU Ti02 ET DE LA SILICE
Domaine technique de l’invention
Le domaine de l'invention est celui de la décontamination d’un milieu gazeux comprenant des composés organiques volatils au moyen d’un processus photocatalytique.
Etat de la technique
Actuellement, il existe de nombreux procédés permettant la décontamination d’un milieu gazeux, en particulier de l’air, susceptible de contenir des composés organiques volatils (COV).
Une première voie consiste à mettre en contact le milieu gazeux avec un adsorbant (appelé aussi ici masse de captation) constitué principalement de charbon actif. Cependant, l’inconvénient de ce type d’adsorbant est qu’il doit être remplacé périodiquement pour assurer l’efficacité du système.
Une autre voie proposée pour éliminer les composés organiques volatils dans un milieu gazeux, notamment l’air, consiste en la dégradation photocatalytique de ces composés. Aujourd’hui, les dispositifs utilisés, comprenant principalement du dioxyde de titane (Ti02) en tant que phase active, présentent l’inconvénient de ne pas minéraliser totalement ces composés organiques volatils, ce qui peut conduire à un relargage de ces composés potentiellement nocifs dans le milieu gazeux. D’autre part, les systèmes photocatalytiques connus de l’art antérieur souffrent d’une mauvaise stabilité et conduisent ainsi à la nécessité de remplacer les modules périodiquement, ne réglant ainsi pas le problème soulevé par l’utilisation de masse de captation à base de charbon actif.
Par ailleurs, l’une des difficultés des systèmes photocatalytiques existants concerne l’utilisation du matériau photocatalytique sous la forme de poudre. En effet, afin d’éviter la propagation de nanoparticules dans l’effluent à traiter ou pour éviter une étape fastidieuse de nano-filtration, de nombreux travaux ont été consacrés au dépôt de nanomatériaux sur différents supports, tels que le papier, le verre, l’acier, les textiles, les polymères ou encore les matériaux en céramique.
Le document FR2975309 divulgue des monolithes de Ti02 ou Ti02-Si02 autosupportés en tant que photocatalyseurs pour la décontamination de l’air. Cependant, ces deux types de matériaux présentent des faibles niveaux d’adsorption des composés organiques volatils. De plus les matériaux Ti02-Si02, dont le procédé de préparation prévoit l’approvisionnement simultané du précurseur de Si et du précurseur de Ti, ne présentent aucune activité photocatalytique.
Objets de l’invention
De manière surprenante, la Demanderesse a découvert que l’emploi d’un monolithe à base de silice et de dioxyde de titane, comprenant une structure macroporeuse spécifique, permet d’atteindre des capacités d’adsorption bien supérieures comparés aux adsorbants à base de charbons actifs et aux monolithes poreux connus de l’état de la technique, tout en présentant des propriétés améliorés en activité photocatalytique, en terme de stabilité, et en taux de minéralisation, par rapport aux matériaux photocatalytiques selon l’art antérieur. De manière non-évidente, la mise en œuvre d’un matériaux monolithique selon l’invention permet ainsi de cumuler les deux fonctions des matériaux communément proposés pour l’application de décontamination des effluents à traiter, c’est-à-dire la captation des impuretés contenues dans l’effluent à traiter et leur dégradation, tout en évitant la propagation de nanoparticules dans l’effluent, induisant des gains de performances significatifs.
La présente invention concerne un procédé de traitement d’une charge gazeuse contenant du dioxygène et un ou plusieurs composés volatils, lequel procédé comprend les étapes suivantes :
a) on met en contact ladite charge gazeuse contenant du dioxygène et un ou plusieurs composés organiques volatils avec un monolithe comprenant de la silice et du dioxyde de titane, ledit monolithe comprenant un volume macroporeux de type I, dont le diamètre des pores est supérieur à 50 nm et inférieur ou égal à 1000 nm, compris entre 0,1 à 3 mL/g, et un volume macroporeux de type II, dont le diamètre des pores est supérieur à 1 pm et inférieur ou égal à 10 pm, compris entre 1 à 8 mL/g ;
b) on irradie ledit monolithe par au moins une source d'irradiation produisant au moins une longueur d'onde inférieure à 400 nm pour convertir lesdits composés organiques volatils en dioxyde de carbone, ladite étape b) étant réalisée à une température comprise entre - 30°C et + 200°C et à une pression comprise entre 0,01 MPa et 70 MPa.
De préférence, ladite charge gazeuse contenant du dioxygène et un ou plusieurs composés organiques volatils est diluée avec un fluide diluant.
De préférence, la source d’irradiation est une source d’irradiation artificielle.
De préférence, la source d’irradiation produit au moins une longueur d’onde comprise entre 300 et 400 nm. De préférence, l’étape a) est réalisée dans un réacteur en lit fixe traversé ou en lit fixe léchant.
De préférence, ledit monolithe possède un volume mésoporeux, dont le diamètre de pore est supérieur à 2 nm et inférieur ou égal à 50 nm, compris entre 0,01 et 1 ml_/g, de préférence entre 0,05 et 0,5 ml_/g.
De préférence, ledit monolithe possède en outre un volume macroporeux, dont le diamètre de pore est supérieur à 10 pm, inférieur à 0,5 ml_/g.
De préférence, ledit monolithe possède une densité apparente comprise entre 0,05 et 0,5 g/ml_.
De préférence, ledit monolithe possède une surface spécifique comprise entre 10 et 1000 m2/g, de manière préférée entre 50 et 600 m2/g.
De préférence, ledit monolithe comprend une teneur en dioxyde de titane comprise entre 5 et 70% en poids par rapport au poids total du monolithe.
De préférence, ledit monolithe est préparé selon les étapes suivantes :
1 ) on mélange une solution contenant un tensioactif avec une solution acide ;
2) on ajoute à la solution obtenue à l’étape 1 ) au moins un précurseur soluble de silice ;
3) éventuellement, on ajoute à la solution obtenue à l’étape 2) au moins un composé organique liquide, non miscible à la solution obtenue à l’étape 2) pour former une émulsion ;
4) on laisse maturer à l’état humide la solution obtenue à l’étape 2) ou l’émulsion obtenue à l’étape 3) pour obtenir un gel ;
5) on lave le gel obtenu à l’étape 4) avec une solution organique ;
6) on sèche et on calcine le gel obtenu à l’étape 5) pour obtenir un monolithe à base de silice
7) on imprègne une solution comprenant au moins un précurseur soluble de dioxyde de titane dans la porosité du monolithe obtenu à l’étape 6);
8) éventuellement, on sèche et on calcine le produit obtenu à l’étape 7) pour obtenir un monolithe à base de silice et contenant du dioxyde de titane.
De préférence, on réalise à l’étape 8) un séchage à une température comprise entre 5 et 120°C.
De préférence, on réalise à l’étape 8) une calcination sous air avec un premier palier en température compris entre 80 et 150°C pendant 1 à 10 heures, puis un deuxième palier en température compris entre 150 et 250°C pendant 1 à 10 heures, et enfin un troisième palier en température compris entre 300 et 950°C pendant 0,5 à 24 heures.
Description détaillée de l’invention
Définitions
Dans la suite, les groupes d'éléments chimiques sont donnés selon la classification CAS (CRC Handbook of Chemistry and Physics, éditeur CRC press, rédacteur en chef D.R. Lide, 81ème édition, 2000-2001 ). Par exemple, le groupe VIII selon la classification CAS correspond aux métaux des colonnes 8, 9 et 10 selon la nouvelle classification IUPAC.
Dans la présente description, on entend, selon la convention IUPAC, par micropores les pores dont le diamètre est inférieur à 2 nm; mésopores les pores dont le diamètre est supérieur à 2 nm et inférieur ou égal à 50 nm et macropores les pores dont le diamètre est supérieur à 50 nm, et plus particulièrement macropores de type I les pores dont le diamètre est supérieur à 50 nm et inférieur ou égale à 1000 nm (1 pm), et macropores de type II les pores dont le diamètre est supérieur à 1 pm et inférieur ou égal à 10 pm.
Dans la présente invention, on entend, selon la directive 1999/13/CE du conseil européen, par composés organiques volatils (COV) tout composé contenant au moins l’élément carbone et un ou plusieurs éléments suivants : hydrogène, halogène, oxygène, soufre, phosphore, silicium ou azote, à l’exception du dioxyde de carbone, et ayant une pression de vapeur de 0,01 kPa ou plus à une température de 273,15 K.
Les volumes macroporeux et mésoporeux sont mesurés par porosimétrie par intrusion de mercure selon la norme ASTM D4284-83 à une pression maximale de 4000 bar (400 MPa), utilisant une tension de surface de 484 dyne/cm et un angle de contact de 140°.
On entend par volume poreux total le volume mesuré par intrusion au porosimètre à mercure selon la norme ASTM D4284-83 à une pression maximale de 4000 bar (400 MPa), utilisant une tension de surface de 484 dyne/cm et un angle de contact de 140°. L'angle de mouillage a été pris égal à 140° en suivant les recommandations de l'ouvrage « Techniques de l'ingénieur, traité analyse et caractérisation », pages 1050-1055, écrit par Jean Charpin et Bernard Rasneur.
La surface spécifique est mesurée par adsorption d’azote selon la norme ASTM D 3663-78 établie à partir de la méthode Brunauer, Emmett, Teller, i.e. méthode BET, telle que définie dans S. Brunauer, P. H. Emmett, E.Teller, J. Am. Chem. Soc., 1938, 60 (2), pp 309-319. Description
La présente invention concerne un procédé de traitement d’une charge gazeuse comprenant du dioxygène, telle que l’air, susceptible de contenir un ou plusieurs composés organiques volatils (COV), ledit procédé comprenant les étapes suivantes :
a) on met en contact une charge gazeuse contenant un ou plusieurs composés organiques volatils et du dioxygène avec un monolithe à base de silice et de dioxyde de titane, ledit monolithe comprenant un volume macroporeux de type I, i.e. un volume macroporeux dont le diamètre des pores est supérieur à 50 nm et inférieur ou égal à 1000 nm (1 pm), compris entre 0,1 à 3 mL/g, de préférence entre 0,2 et 2,5 mL/g, et un volume macroporeux de type II, i.e. un volume macroporeux dont le diamètre des pores est supérieur à 1 pm et inférieur ou égal à 10 pm, compris entre 1 et 8 mL/g, de préférence entre 2 et 8 mL/g, et encore plus préférentiellement entre 3 et 8 mL/g ;
b) on irradie ledit monolithe par au moins une source d'irradiation produisant au moins une longueur d'onde inférieure à 400 nm de manière à dégrader les composés organiques volatils en dioxyde de carbone.
Etape al
Selon l’étape a) du procédé selon l’invention, on met en contact le monolithe avec une charge gazeuse contenant un ou plusieurs composés organiques volatils et du dioxygène.
La charge traitée selon le procédé se présente sous forme gazeuse, et contient des composés organiques volatils ainsi que du dioxygène. De manière préférée, la charge traitée selon le procédé est de l’air contenant jusqu’à 10 000 ppm de composés organiques volatils. Parmi les composés organiques volatils, on peut citer les familles de molécules suivantes : les hydrocarbures halogénés, les hydrocarbures aromatiques, les alcanes, les alcènes, les alcynes, les aldéhydes, les cétones.
Optionnellement, la charge est diluée par un fluide diluant gazeux. La présence d'un fluide diluant n'est pas requis pour la réalisation de l'invention, cependant il peut être utile d'en adjoindre à la charge pour assurer la dispersion de la charge dans le milieu, un contrôle de l'adsorption des réactifs/produits dans la porosité du monolithe, la dilution des produits pour limiter leur recombinaison et autres réactions parasites du même ordre. La présence d’un fluide diluant permet aussi le contrôle de la température du milieu réactionnel pouvant ainsi compenser l'éventuelle exo/endo-thermicité de la réaction photocatalysée. La nature du fluide diluant est choisie de telle façon que son influence soit neutre sur le milieu réactionnel ou que son éventuelle réaction ne nuise pas à la réalisation de la réaction souhaitée de dégradation des composés organiques volatils. De préférence, le fluide diluant gazeux est choisi parmi le N2, l’02, ou l’air.
La mise en contact de la charge gazeuse contenant un ou plusieurs composés organiques volatils et du dioxygène avec ledit monolithe peut se faire par tout moyen connu de l'homme du métier. De manière préférée, la mise en contact de la charge gazeuse contenant un ou plusieurs composés organiques volatils et du dioxygène avec ledit monolithe se fait dans un réacteur en lit fixe traversé ou en lit fixe léchant.
Lorsque la mise en œuvre est en lit fixe traversé, ledit monolithe est préférentiellement fixé au sein du réacteur, et la charge gazeuse contenant un ou plusieurs composés organiques volatils et du dioxygène est envoyée à travers le lit photocatalytique.
Lorsque la mise en œuvre est en lit fixe léchant, ledit monolithe est préférentiellement fixé au sein du réacteur et la charge gazeuse contenant un ou plusieurs composés organiques volatils et du dioxygène est envoyée sur le lit photocatalytique.
Lorsque que la mise en œuvre est en lit fixe ou en lit léchant, la mise en œuvre peut se faire en continu.
Etape bl du procédé selon l’invention
Selon l’étape b) du procédé selon l’invention, on irradie ledit monolithe par au moins une source d'irradiation produisant au moins une longueur d'onde inférieure à 400 nm de manière à dégrader les composés organiques volatils en dioxyde de carbone par photocatalyse.
La photocatalyse repose sur le principe d'activation d'un semi-conducteur (tel que le Ti02) ou d’un ensemble de semi-conducteurs tel que le photocatalyseur utilisé dans le procédé selon l’invention, à l'aide de l'énergie apportée par l'irradiation. La photocatalyse peut être définie comme l'absorption d'un photon, dont l'énergie est supérieure ou égale à la largeur de bande interdite ou "bandgap" selon la terminologie anglo-saxonne entre la bande de valence et la bande de conduction, qui induit la formation d'une paire électron-trou dans le semi- conducteur. On a donc l'excitation d'un électron au niveau de la bande de conduction et la formation d'un trou sur la bande de valence. Cette paire électron-trou va permettre la formation de radicaux libres qui vont soit réagir avec des composés présents dans le milieu, soit se recombiner suivant divers mécanismes. Chaque semi-conducteur possède une différence d'énergie entre sa bande de conduction et sa bande de valence, ou "bandgap" selon la terminologie anglo-saxonne, qui lui est propre.
Un photocatalyseur composé d’un ou plusieurs semi-conducteurs peut être activé par l'absorption d'au moins un photon. Les photons absorbables sont ceux dont l'énergie est supérieure à la largeur de bande interdite, ou "bandgap", des semi-conducteurs. Autrement dit, les photocatalyseurs sont activables par au moins un photon d'une longueur d'onde correspondant à l'énergie associée aux largeurs de bande interdite des semi-conducteurs constituant le photocatalyseur ou d'une longueur d'onde inférieure. On calcule la longueur d'onde maximale absorbable par un semi-conducteur à l'aide de l'équation suivante :
Avec Amax la longueur l'onde maximale absorbable par un semi-conducteur (en m), h la constante de Planck (4, 13433559.10 15 eV.s), c la vitesse de la lumière dans le vide (299 792 458 m.s 1) et Eg la largeur de bande interdite ou "bandgap" du semi-conducteur (en eV).
Toute source d'irradiation émettant au moins une longueur d'onde adaptée à l'activation dudit photocatalyseur, c'est-à-dire absorbable par le Ti02, donc inférieure à 400 nm, peut être utilisée selon l'invention. On peut par exemple utiliser l'irradiation solaire naturelle ou une source d'irradiation artificielle de type laser, lampes Arc Mercure Hg, Xénon Xe, Mercure- Xenon Hg (Xe), Deuterium D2 ou Quarte Tungsten Halogne QTH, lampe à incandescence, tube fluorescent, plasma ou diode électroluminescente (DEL, ou LED en anglais pour Light- Emitting Diode). De manière préférée, la source d'irradiation est une irradiation artificielle.
La source d'irradiation produit un rayonnement dont au moins une partie des longueurs d'onde est inférieure à la longueur d'onde maximale absorbable (Amax) par le Ti02 contenu dans le monolithe. Lorsque la source d’irradiation est l’irradiation solaire, elle émet généralement dans le spectre ultra-violet, visible et infra-rouge, c'est-à-dire elle émet une gamme de longueur d'onde de 280 nm à 2500 nm environ (selon la norme ASTM G173-03).
De préférence, la source émet au moins dans une gamme de longueurs d'ondes supérieure à 280 nm, de manière très préférée de 300 nm à 400 nm.
La source d'irradiation fournit un flux de photons qui irradie le milieu réactionnel contenant le monolithe. L'interface entre le milieu réactionnel et la source lumineuse varie en fonction des applications et de la nature de la source lumineuse.
Dans un mode préféré lorsqu’il s’agit d’irradiation solaire, la source d'irradiation est localisée à l'extérieur du réacteur et l’interface entre les deux peut être une fenêtre optique en pyrex, en quartz, en verre organique ou toute autre interface permettant aux photons absorbables par le monolithe selon l’invention de diffuser du milieu extérieur au sein du réacteur.
La réalisation dudit procédé est conditionnée par la capacité d’adsorption dudit monolithe ainsi que par la fourniture de photons adaptés au système photocatalytique pour la réaction envisagée, et de ce fait n’est pas limitée à une gamme de pression ou de température spécifique en dehors de celles permettant d’assurer la stabilité du ou des matériau(x). La gamme de température employée pour le procédé est généralement de -30°C à + 200°C, de manière préférée de -10 à 150°C, et de manière très préférée de -10 à 100 °C. La gamme de pression employée pour le procédé est généralement de 0,01 MPa à 70 MPa (0,1 à 700 bar), de manière préférée de 0,5 MPa à 2 MPa (0,5 à 20 bar). Le procédé selon l’invention peut être réalisé avec un gaz sec ou humide jusqu’à 100% d’humidité relative, de manière préférée le gaz à traiter contient de 0 à 60% d’humidité relative.
Monolithe
Le monolithe utilisé dans le cadre du procédé de traitement d’une charge gazeuse selon l’invention comprend de la silice et du dioxyde de titane. Ledit monolithe possède un volume macroporeux de type I, i.e. un volume macroporeux dont le diamètre des pores est supérieur à 50 nm et inférieur ou égal à 1000 nm (1 pm), compris entre 0,1 à 3 mL/g, de préférence entre 0,2 et 2,5 mL/g, et encore plus préférentiellement entre 1 et 2 mL/g. De plus, ledit monolithe possède un volume macroporeux de type II, i.e. un volume macroporeux dont le diamètre des pores est supérieur à 1 pm et inférieur ou égal à 10 pm, compris entre 1 et 8 mL/g, de préférence entre 2 et 8 mL/g, et encore plus préférentiellement entre 3 et 8 mL/g.
De préférence, le monolithe comprend une teneur en dioxyde de titane comprise entre 5 et 70% en poids par rapport au poids total du monolithe.
Le monolithe peut éventuellement être dopé avec un ou plusieurs éléments choisis parmi des éléments métalliques, tels que par exemple des éléments V, Ni, Cr, Mo, Fe, Sn, Mn, Co, Re, Nb, Sb, La, Ce, Ta, des éléments non-métalliques, tels que par exemple C, N, S, F, P, ou par un mélange d’éléments métalliques et non-métalliques.
De préférence, le dioxyde de titane contenu dans le monolithe peut être sensibilisé en surface avec toutes molécules organiques susceptibles d'absorber des photons.
De préférence, ledit monolithe peut contenir au moins un élément M choisi parmi un élément des groupes VIIIB, IB, MB et NIA de la classification périodique des éléments à l’état métallique et/ou oxyde. De manière préférée, la teneur en élément(s) M à l’état métallique et/ou oxyde est comprise entre 0,001 et 20% en poids par rapport au poids total du monolithe.
De préférence, ledit monolithe possède un volume mésoporeux, dont le diamètre de pore est supérieur à 2 nm et inférieur ou égal à 50 nm, compris entre 0,01 et 1 mL/g, de préférence entre 0,05 et 0,5 mL/g.
De préférence, ledit monolithe possède en outre un volume macroporeux, dont le diamètre de pore est supérieur à 10 pm, inférieur à 0,5 mL/g. De préférence, ledit monolithe possède une densité apparente comprise entre 0,05 et 0,5 g/ml_. La densité apparente se calcule en faisant le ratio entre la masse de catalyseur et son volume géométrique.
De préférence, ledit monolithe possède une surface BET comprise entre 10 et 1000 m2/g, de manière préférée entre 50 et 600 m2/g, et encore plus préférentiellement entre 100 et 300 m2/g.
Procédé de préparation du monolithe
Le monolithe utilisé dans le cadre du procédé selon l’invention peut être préparé par un procédé de préparation spécifique, dans lequel la synthèse des phases de silice et de dioxyde de titane s’opère lors de deux étapes distinctes. La réalisation de deux étapes distinctes permet notamment d’éviter la formation de composés mixtes de type Si02-Ti02 dans la structure même du monolithe, ce qui engendrerait une perte en matériau photocatalytique disponible.
Selon une variante, le procédé de préparation dudit monolithe comprend les étapes suivantes :
1 ) on mélange une solution contenant un tensioactif avec une solution acide ;
2) on ajoute à la solution obtenue à l’étape 1 ) au moins un précurseur soluble de silice ;
3) éventuellement, on ajoute à la solution obtenue à l’étape 2) au moins un composé organique liquide, non miscible à la solution obtenue à l’étape 2) pour former une émulsion ;
4) on laisse maturer à l’état humide la solution obtenue à l’étape 2) ou l’émulsion obtenue à l’étape 3) pour obtenir un gel ;
5) on lave le gel obtenu à l’étape 4) avec une solution organique ;
6) on sèche et on calcine le gel obtenu à l’étape 5) pour obtenir un monolithe à base de silice ;
7) on imprègne une solution comprenant au moins un précurseur soluble de dioxyde de titane dans la porosité du monolithe obtenu à l’étape 6) ;
8) éventuellement, on sèche et on calcine le produit obtenu à l’étape 7) pour obtenir un monolithe à base de silice et contenant du dioxyde de titane.
Les étapes sont décrites en détail ci-après.
Etape 11 Lors de l’étape 1 ) du procédé de préparation du monolithe, on mélange une solution contenant un ou plusieurs tensioactifs avec une solution aqueuse acide pour obtenir une solution aqueuse acide comprenant un ou plusieurs tensioactifs.
Les tensioactifs peuvent être anioniques, cationiques, amphotères ou non-ioniques. De manière préférée les tensioactifs sont choisis parmi le poly(ethylène glycol), le bromure de cetyl triméthylammonium, et le bromure de myristyltriméthylammonium, seuls ou en mélange. L’agent acide est sélectionné de préférence parmi les acides inorganiques tels que l’acide nitrique, sulfurique, phosphorique, chlorhydrique, bromhydrique et les acides organiques tels que des acides carboxyliques ou sulfoniques, seuls ou en mélange. Le pH du mélange est de préférence inférieur à 4.
Lors de l’étape 2) du procédé de préparation du monolithe, on ajoute au moins un précurseur soluble de silice, de préférence choisi parmi le tetraethylorthosilicate et le tetraméthylorthosilicate, seuls ou en mélange.
Eventuellement, il est possible d’ajouter audit précurseur, un autre précurseur inorganique de silice de type ionique ou sol colloïdal.
De préférence, le ratio en masse précurseurs / tensioactifs est compris entre 0,1 et 10.
Lors de l’étape 3), on ajoute à la solution obtenue à l’étape 2) au moins un composé organique liquide, non miscible à la solution obtenue à l’étape 2) pour former une émulsion.
De manière préférée, le composé organique liquide est un hydrocarbure, ou un mélange d’hydrocarbures, possédant 5 à 15 atomes de carbone. De préférence, le ratio en masse composé organique liquide / solution obtenue à l'étape 2) est compris entre 0,2 et 5.
Lors de l’étape 4), on laisse maturer à l’état humide la solution obtenue à l’étape 2) ou l’émulsion obtenue à l’étape 3) pour obtenir un gel ;
De manière préférée, la maturation est effectuée à une température comprise entre 5 et 80°C. De manière préférée, la maturation est effectuée pendant 1 à 30 jours. C’est lors de cette étape 4) que la synthèse de la silice (Si02) a lieu.
Lors de l’étape 5), on lave le gel obtenu à l’étape 4) avec une solution organique. De manière préférée la solution organique est l’acétone, l’éthanol, le méthanol, l’isopropanol, le tetrahydrofurane, l’acétate d’éthyle, l’acétate de méthyle, seuls ou en mélange. De manière préférée, l’étape de lavage est répétée plusieurs fois.
Lors de l’étape 6), on sèche et on calcine le gel obtenu à l’étape 5) pour obtenir un monolithe à base de silice.
De manière préférée, le séchage est effectué à une température comprise entre 5 et 80°C. De manière préférée, le séchage est effectué pendant 1 à 30 jours. Eventuellement, du papier absorbant peut être utilisé pour accélérer le séchage des matériaux.
De manière préférée, la calcination s’opère comme suit : un premier palier en température compris entre 120 et 250°C pendant 1 à 10 heures, puis un deuxième palier en température compris entre 300 et 950°C pendant 2 à 24 heures.
Lors de l’étape 7), on imprègne une solution comprenant au moins un précurseur soluble de dioxyde de titane dans la porosité du monolithe obtenu à l’étape 6). De manière préférée, le précurseur de titane est choisi parmi un alcoolate, de manière très préférée le précurseur de titane est choisi parmi l’isopropylate de titane et le tetraethylorthotitanate, seuls ou en mélange.
De manière préférée, on effectue une étape de maturation sous atmosphère humide après l’imprégnation.
C’est lors de cette étape 7) que la synthèse du dioxyde de titane (Ti02) a lieu.
Lors de l’étape 8), on sèche et on calcine le produit obtenu à l’étape 7) pour obtenir un monolithe.
De manière préférée, on effectue une étape de séchage à une température comprise entre 5 et 120°C et pendant 0,5 à 20 jours.
De manière préférée, on effectue ensuite une étape de calcination sous air avec un premier palier en température compris entre 80 et 150°C pendant 1 à 10 heures, puis un deuxième palier en température compris entre 150 et 250°C pendant 1 à 10 heures, et enfin un troisième palier en température compris entre 300 et 950°C pendant 0,5 à 24 heures. Tout élément, ou précurseur d’élément, M choisi parmi un élément des groupes VIIIB, IB, 11 B et II IA de la classification périodique des éléments peut être introduit à n’importe quelle étape du procédé.
Les exemples suivants illustrent l'invention sans en limiter la portée.
EXEMPLES
Exemple 1 : Matériau A (non conforme à l’invention')
Le matériau A est un charbon actif commercial sous forme de pastilles (WS490, MBRAUN
®)
Exemple 2 : Matériau B (non conforme à l’invention')
Le matériau B est un matériau commercial constitué de nanoparticules de Ti02 supportées par des fibres de quartz vendu sous la dénomination Quartzel ™ par la société Saint Gobain®. Le Quartzel™ est connu par l’homme du métier pour ses excellentes propriétés photocatalytiques en purification de l’air.
Exemple 3 : Matériau C (non conforme à l’invention)
Le matériau C est un monolithe contenant de la silice et du dioxyde de titane, dans lequel les phases Si02 et Ti02 ont été synthétisées lors de la même étape, tel que le solide dénommé Ti02/Si02-Dodécane décrit à l’exemple 1 de la demande de brevet FR2975309.
Le matériau C possède une porosité totale de 2,44 cm3/g, dont un volume mésoporeux de 0,47 mL/g, un volume macroporeux de type I de 0,79 mL/g et un volume macroporeux de type II de 1 , 18 mL/g, et une densité apparente de 0,33 g/cm3. Le matériau C présente une surface spécifique de 365 m2/g. La teneur en élément Ti mesurée par ICP-AES est de 47,72% poids ce qui fait un équivalent de 79,55% poids deTi02 dans le matériau C
Exemple 4 : Matériau D (non conforme à l’invention')
Le matériau D est un monolithe de Ti02, tel que le solide dénommé Ti02-Heptane décrit à l’exemple 1 de la demande de brevet FR2975309. Le matériau D possède une porosité totale de 0,52 mL/g, dont un volume mésoporeux de 0,29 mL/g, un volume macroporeux de type I de 0,07 mL/g et un volume macroporeux de type II de 0, 16 mL/g, et une densité apparente de 1 , 1 g/cm3. Le matériau D présente une surface spécifique de 175 m2/g. Exemple 5 Matériau E (conforme à l’invention')
1 ,12 g de bromure de myristyltriméthylammonium (Aldrich™, pureté > 99%) est ajouté dans 2 ml_ d’eau distillée puis mélangé avec 1 ml_ d’une solution d’acide chlorhydrique (37% en masse, Aldrich™, pureté 97%). 1 ,02 g de tetraethylorthosilicate (Aldrich™, pureté > 99%) est ajouté au mélange et l’ensemble est agité jusqu’à obtenir un mélange d’apparence monophasique.
7 g de dodécane (Aldrich™, pureté > 99%) sont introduits lentement au mélange sous agitation jusqu’à formation d’une émulsion.
L’émulsion est ensuite coulée dans une boîte de Pétri de 5,5 cm de diamètre interne, laquelle est installée dans un saturateur pendant 7 jours pour gélification.
Le gel obtenu est alors lavé une première fois au tetrahydrofurane anhydre (Aldrich ™, pureté > 99%), puis avec un mélange tetrahydrofurane anhydre / acetone (VWR™, ACS grade) à 70/30 en volume 2 fois de suite.
Le gel est ensuite séché à température ambiante pendant 7 jours. Le gel est enfin calciné sous air en four à moufle à 180°C pendant 2h, puis à 650°C pendant 5h. On obtient alors un monolithe à base Si02.
Une solution contenant 34 mL d’eau distillée, 44,75 mL d’isopropanol (Aldrich™, pureté > 99,5%), 10,74 mL d’acide chlorhydrique (37% en masse, Aldrich™, pureté 97%) et 10,50 mL d’isopropylate de titane (Aldrich™, pureté 97%) est préparée sous agitation. Une partie de cette solution correspondant au volume poreux est imprégnée dans la porosité du monolithe, puis laissé à maturation pendant 12h. Le monolithe est ensuite séché sous atmosphère ambiante pendant 24h. L’étape est répétée une seconde fois. Le monolithe est enfin calciné sous air en four à moufle à 120°C pendant 2h, puis à 180°C pendant 2h et enfin à 400°C pendant 1 h. On obtient alors un monolithe comprenant du Ti02 dans une matrice Si02, tel que les synthèses des phases silice et dioxyde de titane aient été effectuées lors de deux étapes distinctes.
Le matériau E présente un volume mésoporeux de 0,20 mL/g, un volume macroporeux de type I de 1 ,15 mL/g et un volume macroporeux de type II de 5,8 mL/g. Le matériau E présente une surface spécifique de 212 m2/g. La teneur en élément Ti mesurée par ICP-AES est de 27,35% poids ce qui fait un équivalent de 52,1 % poids deTi02 dans le matériau E. Le matériau E présente une densité apparente de 0,14 g/mL.
Exemple 6 : Mise en œuyre des matériaux en adsorption et photooxydation d’acétone
Les matériaux A, B, C, D et E sont soumis à un test d’adsorption et de photooxydation d’acétone en phase gazeuse dans un réacteur continu à lit traversé en acier muni d’une fenêtre optique en quartz et d’une grille en face de la fenêtre optique sur laquelle est déposé le matériau. Avant chaque essai, les matériaux ont été conditionnés par thermodésorption à 1 15°C pendant 12h. Les tests sont réalisés à température ambiante sous pression atmosphérique en faisant passer un air sec contenant 480 ppmV d’acétone à un débit de 60 mL/min. On suit la teneur résiduelle en acétone et la production de gaz dioxyde de carbone produit issu de la photooxydation de l’acétone par une analyse de l’effluent toutes les 7 minutes par chromatographie en phase gazeuse (GC FID / méthaniseur FID). La source d'irradiation UV est fournie par une lampe de type LED (High Power single chip LED 1W 365nm Roithner Lasertechnik GmbM™). La puissance d’irradiation est maintenue à 30 W/m2 pour une gamme de longueur d’onde comprise entre 315 et 380nm. La durée globale de chaque essai est d’environ 200 heures. Les tests se déroulent en deux étapes : une première étape de mise à l’équilibre sans irradiation qui permet d’estimer la quantité d’acétone adsorbée, une deuxième étape de photooxydation sous irradiation qui permet d’estimer les performances photocatalytiques.
Deux indices de performances sont reportés dans le tableau 1 ci-dessous pour l’ensemble des matériaux évalués. La capacité d’adsorption, calculée comme le pourcentage d’acétone adsorbée en masse rapporté à la masse de matériau engagé ; et le taux de minéralisation calculé comme le pourcentage de C02 mesuré rapporté à la quantité théorique de C02 issu de la photooxydation de l’acétone (une valeur de 100% indiquera qu’aucun produit carboné autre que C02 n’est formé lors de la réaction).
Tableau 1 : Capacité d’adsorption de l’acétone et taux de minéralisation en acétone des masses de captations A, B, C, D (non-conforme) et E (selon l’invention)
Les valeurs d'adsorption d’acétone montrent que la mise en œuvre selon l’invention permet d’atteindre des niveaux nettement plus élevés même par rapport à des matériaux connus pour être très capacitifs tels que les charbons actifs. D’autre part les taux de minéralisation de l’acétone sont au moins aussi bons que ceux obtenus par les mises en œuvre connues de l’état de l’art. Exemple 7 : Mise en œuyre des matériaux en adsorption et photo oxydation du toluène
Les matériaux B et E sont soumis à un test d’adsorption et de photooxydation du toluène en phase gazeuse dans un réacteur continu à lit traversé en acier muni d’une fenêtre optique en quartz et d’un fritté en face de la fenêtre optique sur lequel est déposé le matériau. Avant chaque essai, les matériaux ont été conditionnés par thermodésorption à 1 15°C pendant 12h. Les tests sont réalisés à température ambiante sous pression atmosphérique en faisant passer un air sec contenant 70 ppmV de toluène à un débit de 60mL/min. On suit la teneur résiduelle en toluène et la production de gaz dioxyde de carbone produit issu de la photooxydation du toluène par une analyse de l’effluent toutes les 7 minutes par chromatographie en phase gazeuse (GC FID / méthaniseur FID). La source d'irradiation UV est fournie par une lampe de type LED (High Power single chip LED 1W 365nm Roithner Lasertechnik GmbM™). La puissance d’irradiation est toujours maintenue à 30W/m2 pour une gamme de longueur d’onde comprise entre 315 et 380nm. La durée globale de chaque essai est d’environ 100 heures. Les tests se déroulent en deux étapes : une première étape de mise à l’équilibre sans irradiation qui permet d’estimer la quantité de toluène adsorbé, une deuxième étape de photooxydation sous irradiation qui permet d’estimer les performances photocatalytiques.
Deux indices de performances sont reportés dans le tableau 2 ci-dessous pour l’ensemble des matériaux évalués. La capacité d’adsorption, calculée comme le pourcentage de toluène adsorbé en masse rapporté à la masse de matériau engagé ; et le taux de minéralisation calculé comme le pourcentage de C02 mesuré rapporté à la quantité théorique de C02 issu de la photooxydation du toluène (une valeur de 100% indiquera qu’aucun produit carboné autre que C02 n’est formé lors de la réaction).
Tableau 2 : Capacité d’adsorption du toluène et taux de minéralisation en toluène des masses de captations B (non-conforme) et E (selon l’invention)
Les valeurs d'adsorption du toluène montrent que la mise en œuvre selon l’invention permet d’atteindre des niveaux nettement plus élevés que des mises en œuvre connues de l’état de l’art. D’autre part, le taux de minéralisation du toluène est nettement supérieur pour une mise en œuvre selon l’invention. Enfin, la mise en œuvre du matériau E selon l’invention, permet d’obtenir des activités photocatalytiques très stables contrairement à la mise en œuvre du Quartzel® (matériau B). Avec le matériau Quartzel®, on observe une désactivation rapide du matériau qui se caractérise par une diminution de la production en dioxyde de carbone et un jaunissement important du matériau lors de la phase de test sous irradiation.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de traitement d’une charge gazeuse contenant du dioxygène et un ou plusieurs composés volatils, lequel procédé comprend les étapes suivantes :
a) on met en contact ladite charge gazeuse contenant du dioxygène et un ou plusieurs composés organiques volatils avec un monolithe comprenant de la silice et du dioxyde de titane, ledit monolithe comprenant un volume macroporeux de type I, dont le diamètre des pores est supérieur à 50 nm et inférieur ou égal à 1000 nm, compris entre 0,1 à 3 ml_/g, et un volume macroporeux de type II, dont le diamètre des pores est supérieur à 1 pm et inférieur ou égal à 10 pm, compris entre 1 à 8 mL/g ;
b) on irradie ledit monolithe par au moins une source d'irradiation produisant au moins une longueur d'onde inférieure à 400 nm pour convertir lesdits composés organiques volatils en dioxyde de carbone, ladite étape b) étant réalisée à une température comprise entre - 30°C et + 200°C et à une pression comprise entre 0,01 MPa et 70 MPa.
2. Procédé selon la revendication 1 , ladite charge gazeuse contenant du dioxygène et un ou plusieurs composés organiques volatils est diluée avec un fluide diluant.
3. Procédé selon l’une des revendications 1 ou 2, dans lequel la source d’irradiation est une source d’irradiation artificielle.
4. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans la source d’irradiation produit au moins une longueur d’onde comprise entre 300 et 400 nm.
5. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel l’étape a) est réalisée dans un réacteur en lit fixe traversé ou en lit fixe léchant.
6. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel ledit monolithe possède un volume mésoporeux, dont le diamètre de pore est supérieur à 2 nm et inférieur ou égal à 50 nm, compris entre 0,01 et 1 mL/g, de préférence entre 0,05 et 0,5 mL/g.
7. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel ledit monolithe possède en outre un volume macroporeux, dont le diamètre de pore est supérieur à 10 pm, inférieur à 0,5 mL/g.
8. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel ledit monolithe possède une densité apparente comprise entre 0,05 et 0,5 g/mL.
9. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel ledit monolithe possède une surface spécifique comprise entre 10 et 1000 m2/g, de manière préférée entre 50 et 600 m2/g.
10. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel ledit monolithe comprend une teneur en dioxyde de titane comprise entre 5 et 70% en poids par rapport au poids total du monolithe.
11. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 10, dans lequel ledit monolithe est préparé selon les étapes suivantes :
1 ) on mélange une solution contenant un tensioactif avec une solution acide ;
2) on ajoute à la solution obtenue à l’étape 1 ) au moins un précurseur soluble de silice ;
3) éventuellement, on ajoute à la solution obtenue à l’étape 2) au moins un composé organique liquide, non miscible à la solution obtenue à l’étape 2) pour former une émulsion ;
4) on laisse maturer à l’état humide la solution obtenue à l’étape 2) ou l’émulsion obtenue à l’étape 3) pour obtenir un gel ;
5) on lave le gel obtenu à l’étape 4) avec une solution organique ;
6) on sèche et on calcine le gel obtenu à l’étape 5) pour obtenir un monolithe à base de silice ;
7) on imprègne une solution comprenant au moins un précurseur soluble de dioxyde de titane dans la porosité du monolithe obtenu à l’étape 6);
8) éventuellement, on sèche et on calcine le produit obtenu à l’étape 7) pour obtenir un monolithe à base de silice et contenant du dioxyde de titane.
12. Procédé selon la revendication 1 1 , dans lequel on réalise à l’étape 8) un séchage à une température comprise entre 5 et 120°C.
13. Procédé selon les revendications 11 ou 12 dans lequel on réalise à l’étape 8) une calcination sous air avec un premier palier en température compris entre 80 et 150°C pendant 1 à 10 heures, puis un deuxième palier en température compris entre 150 et 250°C pendant 1 à 10 heures, et enfin un troisième palier en température compris entre 300 et 950°C pendant 0,5 à 24 heures.
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