Morphological Modelling and Transport Properties of Mesoporous Alumina

Résumé : Dans ce travail r?alis? au Centre de Morphologie Math?matique and IFPEN, on s'int?resse ? la microstructure et aux propri?t?s physiques d'alumines m?soporeuses. Il s'agit d'un support de catalyseur utilis?s notamment dans les processus industriels de raffinage du p?trole. Fortement poreux, ce mat?riau est form? de ''plaquettes'' distribu?es de mani?re d?sordonn?e ? l'?chelle de la dizaine de nanom?tres. Les propri?t?s de transport de masse du support de catalyseur sont fortement influenc?es par la morphologie de la microstructure poreuse. Ce travail porte sur la mod?lisation de la microstructure et des propri?t?s de transport des alumines m?soporeuses, ? l'aide d'outils num?riques et th?oriques d?riv?s de l'analyse d'image et de la th?orie des ensembles al?atoires. D'une part, on met en place des m?thodes de caract?risation et de mod?lisation des microstructures, qui s'appuient sur, entre autre, des images obtenues par microscopie ?lectronique en transmission (MET) et des courbes de porosim?trie azote. D'autre part, on utilise des m?thodes d'homog?n?isation num?rique ? champs complets par transform?es de Fourier rapide (FFT).Dans un premier temps, le mat?riau est caract?ris? exp?rimentalement par porosim?trie azote et r?sonance magn?tique nucl?aire ? gradient de champ puls? (RMN-GCP). Les images MET sont obtenus sur des ?chantillons d'?paisseur variable, filtr?es et caract?ris?s par des fonctions de corr?lation, notamment. Le bruit ? haute fr?quence issu de la membrane de carbone est identifi? et pris en compte dans la mod?lisation de l'imagerie MET. ? partir des images MET 2D, un mod?le al?atoire ? deux ?chelles est propos? pour repr?senter la microstructure 3D. Il prend en compte la forme des plaquettes d'alumines, leurs tailles, les effets d'alignement locaux et d'agr?gation, qui sont identifi?s num?riquement. La proc?dure est valid?e ? l'aide de comparaisons entre mod?le et images exp?rimentales, en terme notamment de fonctions de corr?lation et de surface sp?cifique, mesur?es par porosim?trie azote.Dans un deuxi?me temps, une m?thode de simulation des courbes d'isothermes de porosim?trie dans des milieux poreux p?riodiques ou al?atoires est d?velopp?e. Bas?e sur des op?rations morphologiques simples, elle ?tend un travail ant?rieur sur la porosim?trie au mercure. L'adsorption multicouche ? basse pression est simul?e ? l'aide d'une dilatation tandis que les m?nisques de l'interface vapeur-liquide intervenant pendant l'adsorption sont simul?s ? l'aide de fermetures de la phase solide par des ?l?ments structurants sph?riques. Pour simuler la d?sorption, une combinaison de fermetures et de bouchages de trou est utilis?e. Le seuil de d?sorption est obtenu par une analyse de la percolation de la phase gazeuse. La m?thode, d'abord valid?e sur des g?om?tries simples, est compar?e ? des r?sultats ant?rieurs. Elle pr?dit une hyst?r?sis et les distributions de pores associ?es ? la porosim?trie. Nous l'appliquons aux mod?les de microstructures 3D d'alumines m?soporeuses et proposons un mod?le ? trois ?chelles afin de rendre compte du seuil de pression pendant la d?sorption. En plus de la courbe de d?sorption, ce mod?le reproduit les fonctions de corr?lation mesur?es sur les images MET.Dans un troisi?me temps, la diffusion de Fick, la perm?abilit? de Darcy, et les propri?t?s ?lastiques sont pr?dits ? l'aide de calculs de champs complets par FFT sur des r?alisations des mod?les d'alumines m?soporeuses ? deux et trois ?chelles. Les coefficients de diffusion effectifs et les facteurs de tortuosit? sont pr?dits ? partir de l'estimation du flux. Sont ?tudi?s les effets de forme, d'alignement et d'agr?gation des plaquettes sur les propri?t?s de diffusion ? grande ?chelle. Les pr?dictions num?riques sont valid?es au moyen des r?sultats exp?rimentaux obtenus par m?thode RMN-GCP.
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Thèse
Materials. PSL Research University, 2016. English. 〈NNT : 2016PSLEM045〉
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Soumis le : vendredi 24 novembre 2017 - 11:46:48
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Haisheng Wang. Morphological Modelling and Transport Properties of Mesoporous Alumina. Materials. PSL Research University, 2016. English. 〈NNT : 2016PSLEM045〉. 〈tel-01647174〉

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