Recherche et caractérisation de nouveaux matériaux sélectifs pour le développement d’un procédé d’adsorption des oxydes d’azote – NOA

Des verrous technologiques demeurent à lever. Le système doit être à la fois sélectif, pour piéger les NOx en limitant l’adsorption d’eau, et permettre une régénération des adsorbants en contrôlant les interactions adsorbants-NOx. Une sélection de matériaux sera effectuée à partir de calculs de DFT et GCMC (MOFs, zéolithes). Après leurs synthèse et mise en forme (membranes, monolithes), une phase expérimentale de caractérisation des phénomènes d’adsorption (isotherme, enthalpie, courbe de percée) sera effectuée. Enfin le procédé d’adsorption sera modélisé pour être développé.

Les premiers criblages de matériaux effectués par modélisation moléculaire ont permis d'extraire trois candidats à fort potentiel. Ils ont été synthétisés et sont en phase d'être caractérisés.

L'objectif va être de montrer la viabilité de ces matériaux pour une application à grande échelle comme sur une ligne d'échappement d'un moteur thermique.

A. Daouli, E. P. Hessou, H. Monnier, M. Dziurla, A. Hasnaoui, G. Maurin and M. Badawi, Adsorption of NO, NO2 and H2O in divalent cation faujasite type zeolites: A Density Functional Theory screening approach. Phys. Chem. Chem. Phys., 2022, DOI: 10.1039/D2CP00553K.

L'émission de NOx - monoxyde d'azote (NO) et dioxyde d'azote (NO2) - par les moteurs dans un environnement de travail confiné sans ventilation et traitement d'échappement, génère des problèmes majeurs de santé et de sécurité. En France, près de 800 000 travailleurs sont exposés à de telles émissions hautement toxiques. Le projet NOA vise à développer un procédé d’adsorption des NOx, pour les véhicules non routiers grâce à un adsorbant efficace. Il sera transportable et placé en sortie d’échappement des véhicules. La cartouche de granulés adsorbants doit alors être périodiquement ? changée car elle fonctionne en mode cumulatif, par adsorption gaz-solide. Le système sera par conséquent régénéré hors du véhicule, en différé dans le temps. Le principe retenu est basé sur l’adsorption gaz-solide de façon à augmenter l’efficacité du piégeage par rapport à la catalyse hétérogène à basse température. Des verrous technologiques restent à lever. Le système doit être à la fois sélectif, pour piéger les NOx en limitant l’adsorption de l’eau et du dioxyde de carbone, et permettre une régénération des adsorbants. C’est la raison pour laquelle, une sélection de matériaux (MOF, zéolithes,) avec les propriétés requises sera effectuée grâce aux calculs DFT et GCMC. L'objectif est d'identifier les meilleurs adsorbants pour piéger les NOx en présence d’eau et de CO2. Les adsorbants les plus prometteurs seront synthétisés avec différentes morphologies et caractérisés. Un modèle phénoménologique basé sur les équations de bilan de matière, de chaleur et de quantité de mouvement, sera développé afin de prédire avec précision le profil de concentration de NOx dans le temps à la sortie d'une colonne. Enfin, un dispositif transportable sera conçu, dimensionné et développé. Un transfert de technologie vers les entreprises sera effectué à la fin du projet. Ces différentes activités ne sont pas séquentielles dans le temps, mais totalement imbriquées tout au long des étapes de développement. Le programme de travail est divisé en sept Work Packages sur les 48 mois, chaque WP comprenant de 1 à 5 tâches. Cinq équipes françaises sont impliquées dans ce projet: quatre universitaires et une association privée (coordinateur). Le consortium est complémentaire; il allie les avantages d'une recherche pluridisciplinaire, impliquant la chimie des matériaux, les analyses thermodynamiques et cinétiques, la modélisation multi-échelles (simulations moléculaires et simulations de procédés). Le transfert de technologie vers les entreprises pour le développement et la commercialisation du ou des matériaux optimisés et le procédé sélectionné seront traités par le coordinateur. Le projet NOA nécessite le recrutement de scientifiques comme deux doctorants, un post-doc (18 mois) et un master2 (6 mois). Il nécessite également l'achat d’un équipement de manométrie pour gaz corrosifs afin de réaliser les isothermes d’adsorption. Un accord de consortium sera établi entre les cinq partenaires au cours de la première année du projet. Le soutien financier demandé pour le projet NOA s'élève à 535 keuros pour quatre ans et à 131 hommes-mois de personnel permanent. L'impact scientifique se manifestera par (i) le partage des résultats de la recherche avec la communauté scientifique (conférences, publications) (ii) une prise de conscience du projet aux utilisateurs et au grand public (proposition d’un procédé viable et fiable) et (iii) la diffusion des connaissances à des personnes extérieures au consortium par le biais d'activités de formation.