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chimie I matériaux LES ZÉOLITHES UN NANOMONDE AU SERVICE DE LA CATALYSE Michel

chimie I matériaux LES ZÉOLITHES UN NANOMONDE AU SERVICE DE LA CATALYSE Michel Guisnet et Fernando Ramôa Ribeiro LES ZÉOLITHES, UN NANOMONDE AU SERVICE DE LA CATALYSE Michel Guisnet et Fernando Ramôa Ribeiro 17, avenue du Hoggar Parc d’activités de Courtabœuf, BP 112 91944 Les Ulis Cedex A, France Illustration de couverture : c ⃝droits réservés. ISBN : 2-86883-826-X Tous droits de traduction, d’adaptation et de reproduction par tous procédés, réservés pour tous pays. La loi du 11 mars 1957 n’autorisant, aux termes des alinéas 2 et 3 de l’article 41, d’une part, que les « copies ou reproductions strictement réservées à l’usage privé du copiste et non destinées à une utilisation collective », et d’autre part, que les analyses et les courtes citations dans un but d’exemple et d’illustration, « toute représentation intégrale, ou partielle, faite sans le consentement de l’auteur ou de ses ayants droit ou ayants cause est illicite » (alinéa 1er de l’article 40). Cette représentation ou reproduction, par quelque procédé que ce soit, constituerait donc une contrefaçon sanctionnée par les articles 425 et suivants du code pénal. c ⃝EDP Sciences 2006 À ma femme, mes enfants et petits-enfants, Au Professeur Raymond Maurel et à Denise Barthomeuf, Directeur de recherche CNRS qui m’ont inoculé leur passion pour la Catalyse et pour les Zéolithes, M. G. À ma sœur, nièce et neveu et à mon collègue et ami, José Luis Figueiredo, À Christian Marcilly, Directeur de recherche à l’Institut Français du Pétrole qui a guidé mes premiers pas en recherche et au Professeur Éric Derouane pour son soutien constant, F.R. R. À tous nos collaborateurs et élèves qui, par leur enthousiasme et leur dynamisme ont joué un rôle clé dans la conception de ce livre, À tous les chercheurs industriels et universitaires de nombreux pays avec qui nous avons coopéré pour leurs suggestions et leurs critiques, Un remerciement particulier à ceux qui ont contribué avec dextérité à la préparation matérielle du manuscrit, et spécialement à Joao Pedro Marques, Hugo Vale, Maryvonne Choumil, Philippe Ayrault et Sébastien Laforge ainsi qu’à notre collègue et ami Jacques Védrine qui a accepté de préfacer ce livre. M. G ; F.R. R. Préface Les zéolithes sont des matériaux qui ont fasciné les hommes dès leur découverte par A.F. Crönsted (zeo-lithos ou la pierre qui bout) en Suède en 1756. Il s’agissait alors de la stilbite, un alumino-silicate hydraté. Pendant plus de deux cents ans, les zéolithes furent des minéraux de collection des musées d’histoire naturelle avec de beaux cristaux naturels. La synthèse artiﬁcielle de tels minéraux s’est dévelop- pée dès les années 1950 pour leurs propriétés d’adsorption spéciﬁque, de catalyse et d’échange ionique (détergents). Actuellement plus de 130 zéolithes ont été syn- thétisées contre une quarantaine trouvée dans la nature. C’est dans le domaine de la catalyse hétérogène que les innovations et la créati- vité des chercheurs ont été les plus spectaculaires. Pour beaucoup de chercheurs, la catalyse hétérogène reste une science mystérieuse et les découvertes aléatoires, pour ne pas dire fortuites. Les différents concepts qui ont pu être proposés sont rarement généraux ou applicables a priori. Il est largement reconnu que les cata- lyseurs hétérogènes les plus actifs sont des solides mal cristallisés, parfois même amorphes, souvent fort complexes et constitués de plusieurs phases ou composés minéraux, ce qui rend la description du site actif et du cycle catalytique pratique- ment impossible. Par contre, le cas des zéolithes, composés bien cristallisés et à structure stable, est apparu « digne d’intérêt » en recherche fondamentale, car des concepts simples (tamisage moléculaire, sélectivité de forme, catalyse supra- moléculaire, etc.) d’action et de réaction catalytique peuvent être imaginés. C’est pourquoi on a assisté, dès les années 70, à un engouement des chercheurs pour ce domaine de recherche qui a même provoqué quelques conﬂits avec les auto- rités universitaires qui considéraient ces travaux comme un simple cadeau à la recherche industrielle. Le succès de ces matériaux en adsorption et surtout dans de nombreux pro- cédés catalytiques essentiels (craquage ou FCC, transformation du méthanol en essence ou MTG, etc.) ont donné lieu à des brevets et publications innombrables et à de nombreux livres. Le présent livre, écrit par deux experts en catalyse hé- térogène sur zéolithes, en est un exemple frappant. C’est aussi un des rares livres actuels en langue française à l’usage d’un public varié depuis des étudiants français vi PRÉFACE ou francophones jusqu’aux chercheurs des secteurs publics et industriels. Il pré- sente de grands avantages : – Il constitue une synthèse moderne des connaissances actuelles dans le do- maine des zéolithes. Il comprend 14 chapitres dans lesquels tous les prin- cipaux aspects et caractéristiques de ces matériaux sont exposés, de façon simpliﬁée le plus souvent mais exhaustive. Il s’agit de la structure, de la syn- thèse de matériaux zéolithiques, de leur caractérisation par des techniques variées et surtout de leurs nombreuses propriétés catalytiques tant pour les procédés industriels que pour les mécanismes réactionnels mis en jeu... – Ce livre est très bien documenté, au fait des derniers développements en ca- talyse sans omettre les développements plus anciens. Les tamis moléculaires mésoporeux, qui n’ont pas reçu d’application industrielle à ce jour ne sont pas abordés volontairement. Le livre présente également tous les aspects, souvent occultés, de la désactivation des catalyseurs zéolithiques par le coke et de leur régénération... C’est un excellent livre que l’on peut fortement conseiller aux chercheurs dé- butants mais également aux chercheurs conﬁrmés, universitaires ou industriels du domaine. Il n’a pas l’ambition de se substituer aux livres spécialisés sur des aspects particuliers de ces solides mais il se veut simple et généraliste. Trois annexes ap- portent des compléments généraux importants en catalyse hétérogène et sur les réacteurs. Elles sont de grande utilité en rappelant des grands principes que les chercheurs ont souvent tendance à oublier. Je suis particulièrement heureux de cette initiative de mes collègues et je tiens à leur exprimer toutes mes félicitations et mon admiration pour ce travail exhaustif et d’excellente qualité. Professeur Jacques C. VEDRINE, Directeur de Recherche CNRS Émérite Éditeur Applied Catalysis A: General Laboratoire de Physico-Chimie des Surfaces École Nationale Supérieure de Chimie de Paris, ENSCP Sommaire Préface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . v Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xv Chapitre 1 : Les zéolithes : de la synthèse aux applications 1. Histoire des zéolithes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2. Structure poreuse et sites actifs des zéolithes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2.1. Structure poreuse [15] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2.2. Sites actifs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2.2.1. Catalyse acide sur zéolithes. Sites actifs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2.2.2. Catalyse d’oxydoréduction sur zéolithes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.2.3. Catalyse bifonctionnelle sur zéolithes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 3. Les zéolithes, des catalyseurs intelligents à la base d’une chimie verte . . 15 4. Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 Références Chapitre 2 : Synthèse et uploads/Industriel/ les-zolithes-un-nanomonde-au-service-de-la-catalyse.pdf