Elastomeric open cell polyurethane foams as structured catalytic supports for chemical processes intensification
Mousses élastomères en polyuréthane comme supports catalytiques structurés pour l’intensification de procédés chimiques
Résumé
From the last decade, the potential of open cell foams as structured catalytic support was highlighted. These materials have a high void ratio limiting pressure drop in continuous processes and high surface area increasing mass transfers. Indeed, Fixed Foam Reactors (FFR) are an intensification of Trickle Bed Reactor (TBR), composed of random packed particles and usually employed in chemical industries. Another mass transfer intensification strategy consists in operating TBR in unsteady state regime by periodically varying input parameters (flowrates, pressure, …). During this thesis, a breakthrough reactor combining both strategies was developed: The Elastic Foam Reactor (EFR). A laboratory scale pilot was set up. It consists in elastomeric foam bed which can be in-situ compressed and released thanks to a piston moved by a crankshaft. This system allows increasing the gas-liquid transfers. In parallel, this work highlighted that it is possible to sustainably graft an active phase (laboratory synthesised or commercial catalyst), and in soft conditions, on an elastomeric foam implemented in EFR. The foams were activated using a bio-inspired method from proteins synthesized by sea mussels to graft on different supports. This method consists in coating the foam with an adhesive polymer, polydopamine. The resulting elastomeric catalysts can support a large range of active phases. In this PhD work, an application was the production of pure hydrogen at room temperature thanks to the grafting of cobalt active particles on the elastomeric foam. The foams exhibited a satisfying activity and can be recycled without significant deactivation or leaching. Carbonic Anhydrases immobilisation and commercial palladium on alumina micro particles grafting were also tested. These elastomeric catalytic materials allow new control strategies to intensify gas-liquid-solid catalytic reaction in continuous flow.
Durant les dix dernières années, le potentiel des mousses à cellules ouvertes comme support catalytique structuré a été mis en avant. Ces matériaux présentent un taux de vide élevé permettant de limiter les pertes de charges en procédés continus et une large surface spécifique favorisant les transferts de matière. Les réacteurs structurés à lit de mousse fixe (Fixed Foam Reactor, FFR) sont ainsi une intensification des réacteurs à lit ruisselant (Trickle Bed Reactor, TBR), classiquement employés dans l’industrie chimique et composé d’un lit de particules disposées de manière aléatoire. Une autre stratégie d’intensification des transferts en TBR consiste à mettre en œuvre des opérations en régime pseudo transitoire, par variation périodique des variables d’entrée du procédé (débits, pression, …). Dans le cadre de cette thèse, un réacteur combinant ces deux stratégies a été développé : le réacteur à lit élastique (Elastic Foam Reactor, EFR). Un pilote de laboratoire a été développé. Il est composé d’un lit de mousse élastomère pouvant être comprimé et détendu in-situ grâce à un piston mis en mouvement par un vilebrequin. Ce système permet d’augmenter les transferts gaz-liquide. Parallèlement, nous avons montré qu’il est possible de déposer de manière robuste et dans des conditions douces une phase active (catalyseurs commercial ou synthétiser au laboratoire) sur la mousse élastomère mis en œuvre dans ce réacteur EFR. Les mousses ont été activées selon une méthode bio-inspirée des protéines synthétisées par les moules marines pour s’accrocher sur différents supports. Cette méthode consiste à enduire la mousse d’un polymère adhésif, la polydopamine. Les catalyseurs élastomères résultants peut supporter une large gamme de phases actives. Dans ce travail de thèse, une application visée a été la production d’hydrogène pur à température ambiante par hydrolyse d’un hydrure grâce au dépôt de cobalt actif sur la mousse élastomère. Les mousses catalytiques présentent une activité satisfaisante et peuvent être recyclées sans désactivation ni détachement de la phase active significatives. L’immobilisation d’anhydrases carboniques a également été testée ainsi que des microparticules commerciales de palladium sur alumine (Pd/Al2O3). Ces matériaux catalytiques et élastomères permettent de mettre en place de nouvelles stratégies de contrôle pour intensifier les réactions catalytiques gaz – liquide - solide en flux continu.
Origine : Version validée par le jury (STAR)