DÉVELOPPEMENT DE NANOFILAMENTS DE CARBONE FONCTIONNALISÉS AU FER POUR LA

UNIVERSITÉ DE SHERBROOKE
Faculté de génie
Département de génie chimique et de génie biotechnologique
DÉVELOPPEMENT DE NANOFILAMENTS DE
CARBONE FONCTIONNALISÉS AU FER POUR LA
DÉSULFURATION PROFONDE DE GAZ
Thèse de doctorat
Spécialité : génie chimique
Clémence FAUTEUX-LEFEBVRE
Jury : Nicolas ABATZOGLOU (directeur)
Nadi BRAIDY
Serge KALIAGUINE
Gervais SOUCY
Jules THIBAULT
Sherbrooke (Québec) Canada Mai 2015

i
RÉSUMÉ
Actuellement, il y a une demande en gaz de synthèse ayant une très faible concentration en
sulfure d’hydrogène (H2S), pour diverses applications telles que les piles à combustible ou des
procédés de synthèse chimique. Les procédés de désulfuration existants ne sont pas toujours
adaptés ou ne permettent pas d’obtenir les seuils de concentrations désirés, de l’ordre du ppm
ou même du ppb.
L'adsorption est une méthode versatile et permettant de faire une purification profonde, ce qui
en fait un choix approprié pour la désulfuration. Toutefois des adsorbants durables et
permettant d'atteindre les concentrations nécessaires doivent être développés et optimisés.
L'objectif principal de cette recherche était développer un adsorbant permettant d'obtenir une
concentration en H2S suffisamment faible pour un gaz alimentant des piles à combustible,
avec des adsorbants pouvant être régénérés et ayant une capacité acceptable.
Des nanofilaments ont donc été produits (par un procédé breveté de reformage sec à l’éthanol)
et ensuite fonctionnalisés avec un métal adsorbant. Cet ajout de métal a été effectué par une
méthodologie en deux étapes, soit un traitement à l’acide nitrique suivi d’une imprégnation
humide avec des nitrates. Le métal utilisé a principalement été le fer, et un mélange fer-zinc a
aussi été testé. Différentes conditions de traitement à l’acide (température ambiante et sous
reflux) et quantités de métal ont été utilisées (20% et 40% massique).
Les adsorbants préparés ont été testés pour la désulfuration d’un gaz composé d’He avec
500 ppm de H2S, afin de déterminer la concentration minimale pouvant être atteinte à la sortie
et la capacité d’adsorption, à 100 °C et 300 °C. Ils ont été caractérisés au niveau
morphologique et de la composition par différentes techniques, notamment par microscopie
électronique, spectroscopie de structure près du front d'absorption de rayons X et
spectroscopie de photoélectrons. L’objectif des études de désulfuration et de la caractérisation
était de bien définir l’adsorbant et d’étudier les phénomènes d’adsorption.
La caractérisation a permis de déterminer que le fer est sous la forme oxydée et distribué en
particules imbriquées dans les nanofilaments ainsi que sur leur surface. Les conditions du
traitement à l’acide influencent la distribution de ces deux types de particules, mais il n’y a pas
d’effet sur la capacité d’adsorption.
Les résultats ont montré que l’adsorbant développé permet de diminuer sous 1.5 ppm la
concentration de H2S dans le gaz alimenté, que le procédé n’est pas contrôlé par la diffusion et
que cette désulfuration se fait par deux phénomènes en parallèle : l’oxydation du H2S suivie de
l’adsorption sur soufre sur les nanofilaments de carbone et la sulfuration des oxydes de fer. Le
carbone et le fer ont donc chacun des doubles rôles. Pour le carbone, il s’agit de la dispersion
des particules de fer et de l’adsorption (phénomène chimique) du soufre tandis que pour le fer,
il s’agit de la catalyse de l’oxydation du H2S (pour l’adsorption par le carbone) et de la
formation de sulfure de fer.
Mots-clés : Nanofilaments, carbone, fer, fonctionnalisation, adsorption, sulfure d’hydrogène,
gaz de synthèse.

iii
REMERCIEMENTS
La réalisation de ce projet de recherche et la rédaction de cette thèse n’auraient pas été
possibles sans la participation, le concours et l’appui de nombreuses personnes.
Tout d’abord, je tiens à remercier mon directeur de recherche, le professeur Nicolas
Abatzoglou. En plus de son apport scientifique et de son encadrement hors du commun, il a
été un mentor significatif pour moi tout au long de ces années.
Je veux remercier les professeurs Nadi Braidy et Ryan Gosselin pour leur temps, leur écoute et
leurs nombreux conseils tout au long de ce processus. De plus, j’adresse des remerciements
aux professeurs Serge Kaliaguine, Gervais Soucy et Jules Thibault qui ont participé au jury de
cette thèse. Je remercie aussi tous mes collègues et amis du groupe de recherche, pour leur
participation, les discussions éclairantes et leur aide, en particulier Henri Gauvin qui a toujours
su trouver la bonne solution.
Un gros merci à tout le personnel de recherche ayant travaillé à divers aspects du projet. Les
professionnels et professionnelles du Centre de caractérisation des matériaux pour les
nombreuses heures de caractérisation de mes échantillons et les échanges scientifiques
toujours pertinents. Les techniciens et techniciennes pour leur contribution technique et leurs
idées. Marion Meneghetti, qui a été une stagiaire exemplaire. Un merci aussi à tout le
personnel, pour l’aide et le soutien dans tous les aspects moins scientifiques, mais très
importants dans la réussite de ce projet.
Un merci spécial à toute ma famille et mes amis, en particulier mes parents et beaux-parents,
pour leur appui continu, leur présence et leur aide précieuse. Je veux remercier mon mari et
père de mon enfant, qui m’a soutenu dans tout le cheminement et Christophe, qui me ramène à
l’essentiel.
Enfin, merci aux organismes subventionnaires, mais surtout aux personnes avec lesquelles j’ai
collaboré à travers ceux-ci. Il y a le réseau SOFC Canada et particulièrement madame Sharon
Thomas, le Centre canadien de rayonnement synchrotron et monsieur Yongfeng Hu, le
Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada, le réseau BioFuelNet
Canada et la Fondation canadienne pour l’innovation.