Chemical and mechanical degradation of alumina in aqueous phase : mechanism and inhibition in ambient and hydrothermal conditions
Dégradation chimique et mécanique de l'alumine en phase aqueuse : mécanisme et inhibition en conditions ambiantes et hydrothermales
Résumé
Alumina, used as a catalyst support for the Fischer-Tropsch reaction or for the conversion of biomass, partially transforms in presence of water into (oxy)hydroxides phases. The formation of the latter leads to the production of fine particles that may cause plugging problems in the implementation of processes based on slurry bubble column reactors. In order to design more stable and more resistant catalysts, this PhD work aimed at identifying the mechanism of hydration and degradation of transition aluminas in aqueous phase, and to study how organic (alcohols, polyols) or inorganic (Mg, Zr, Ni and Si) additives can limit this degradation. The conduct of a systematic study on the hydration of alumina at 70°C under atmospheric pressure, or at 150°C in hydrothermal conditions, allowed defining a general two-step mechanism: a dissolution of the surface of alumina, followed by a precipitation of, respectively, aluminum hydroxides (Al(OH)3) or boehmite (AlOOH) on alumina grains. Furthermore, the chemical degradation tends to promote the degradation under mechanical stress. The presence of polyols in aqueous phase, mainly molecules with 5 or 6 carbon atoms, slows down the dissolution of alumina and inhibit the precipitation of boehmite. Metal ions used as dopants of alumina all have a similar effect on the decrease of hydration. A total inhibition of hydration is obtained by grafting silicon using TEOS. A DRIFTS study in the OH vibration region suggests that inorganic additives inhibit the dissolution of alumina by blocking Al-OH sites located on the lateral facets of the particles.
L'alumine, utilisée comme support de catalyseurs pour la réaction de Fischer-Tropsch ou pour la conversion de la biomasse, se transforme partiellement en présence d'eau en phases (oxy)hydroxydes à l'origine de fines qui posent problème dans la mise en ¿uvre de procédés en réacteurs de type slurry. Afin de concevoir des catalyseurs plus stables et plus résistants, ce travail de thèse visait à identifier le mécanisme d'hydratation et de dégradation des alumines de transition en phase aqueuse, et à étudier la façon dont des additifs organiques (alcools, polyols) ou inorganiques (Mg, Zr, Ni et Si) permettent de limiter cette dégradation. La conduite d'une étude systématique sur l'hydratation des alumines à 70°C à pression atmosphérique, ou à 150°C en conditions hydrothermales, a permis de définir un mécanisme général en deux étapes: une dissolution de la surface de l'alumine, suivie d'une précipitation, respectivement, d'hydroxydes d'aluminium Al(OH)3 ou de boehmite AlOOH sur les grains d'alumine. Par ailleurs, la dégradation chimique tend à favoriser la dégradation sous contraintes mécaniques. La présence de polyols en phase aqueuse, principalement des molécules à 5 ou 6 atomes de carbone, ralentit la dissolution de l'alumine et inhibe la précipitation de la boehmite. Les ions métalliques utilisés comme dopants de l'alumine ont tous un effet similaire sur la diminution de l'hydratation. Une inhibition totale de l'hydratation est obtenue par greffage de silicium à partir de TEOS. Une étude DRIFT dans la région des vibrations OH suggère que les additifs inorganiques inhibent la dissolution de l'alumine en bloquant des sites Al-OH localisés sur les faces latérales des particules.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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