Synthesis of zeolitic hybrid materials for ethanol-water separation and their characterization via advanced insitu IR spectroscopic techniques
Synthèse de matériaux zéolithiques hybrides pour la séparation éthanol-eau et leur caractérisation via des techniques avancées de spectroscopie IR in situ
Résumé
Ethanol purification on porous materials such as zeolites and hybrid materials is a widely studied process for its use as an additive to gasoline. The synthesis of hybrid materials is prone to various problems affecting their adsorption capacities. Thus, this work aims to develop an enhanced approach for synthesizing hybrid materials and studying their ethanol and water adsorption capacities using IR spectroscopy. Herein, a mechanistic and quantitative study was carried out to investigate ethanol and/or water adsorption on MFI zeolites with different Si/Al ratios using developed vibrational spectroscopic techniques (IR spectroscopy). The nature and quantities of water and ethanol adsorption sites were determined to be tetrameric clusters for water and dimeric for ethanol on BAS at low partial pressures. The effect of the Si/Al ratio and the water content on the ethanol adsorption capacity of the MFI zeolites was also investigated to direct the choice of the separating membrane. In the second part of this work, we report a new approach for synthesizing hybrid materials (silica and zeolite-polymer based) via the polymerization of an acrylate monomer on the surface of the nanoparticles, in the presence of a silane-based photoinitiator and under UV-Visible conditions. A series of complementary characterizations was conducted to validate the synthesis of the hierarchical hybrid materials. Combined data confirmed the successful synthesis and the preservation of the accessibility to their pores by ~ 90%. The new materials were tested for the adsorption of unary and binary systems of ethanol and water. IR spectroscopy revealed the increase of the ethanol adsorption capacity on the hybrid materials and the decrease of water capacity, thus, making these materials highly promising for future applications in membrane synthesis and separation processes.
La purification de l'éthanol sur des matériaux poreux tels que les zéolithes et les matériaux hybrides est un procédé largement étudié pour son utilisation comme additif à l'essence. La synthèse de matériaux hybrides est sujet à divers problèmes affectant leurs capacités d'adsorption. Ainsi, le but de ce travail est de développer une approche améliorée pour la synthèse des matériaux hybrides et d'étudier leurs capacités d'adsorption d'éthanol et d'eau en utilisant la spectroscopie IR. Dans ce travail, une étude mécanistique et quantitative a été menée pour étudier l'adsorption de l'éthanol et/ou de l'eau sur des zéolithes MFI avec différents ratios Si/Al en utilisant des techniques de spectroscopie vibrationnelle développées (spectroscopie IR). La nature et les quantités des sites d'adsorption de l'eau et de l’éthanol ont été déterminés comme étant des clusters tétramériques pour l'eau et dimériques pour l'éthanol sur les sites acides de Bronsted à faibles pressions partielles. L'effet du rapport Si/Al et de la teneur en eau sur la capacité d'adsorption de l'éthanol des zéolithes MFI a également été étudié afin d'orienter le choix de la membrane de séparation. Dans la seconde partie de ce travail, nous reportons une nouvelle approche de synthèse de matériaux hybrides (à base de silice et de zéolithe et de polymère) via la polymérisation d'un monomère acrylate à la surface des nanoparticules, en présence d'un photoinitiateur à base de silane et dans des conditions UV-Visible. Une série de caractérisations complémentaires a été menée pour valider la synthèse des matériaux hybrides hiérarchiques. Les données combinées ont confirmé la réussite de la synthèse et la préservation de l'accessibilité à leurs pores de ~ 90%. Les nouveaux matériaux ont été testés pour l’adsorption d'éthanol et/ou d'eau (adsorption de corps simple ou adsorption binaire). La spectroscopie IR a révélé l'augmentation de la capacité d'adsorption de l'éthanol sur les matériaux hybrides et la diminution de la capacité de l'eau ; ce qui rend ces matériaux très prometteurs pour de futures applications dans la synthèse de membranes et les processus de séparation.
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