Adsorption of water in zeolite sodium-faujasite

Abstract

We report a molecular simulation study of water adsorption in model NaY and NaX faujasite. Despite the rather simple model used for the water–adsorbent interaction, a fair agreement was found with the available experimental data. In the method used in this work the nonframework cations are allowed to move from place to place in the sample, and are not fixed anymore in their crystallographic sites, as in most of the previous adsorption simulations reported in the literature. We have indeed observed a cation redistribution upon water adsorption in a low cation content faujasite (Na48Y), but no such cation redistribution was observed in the higher cation content Na76X faujasite. The water adsorption process can thus be very different, depending on the Si/Al ratio of the aluminosilicate faujasite. To cite this article: C. Beauvais et al., C.R. Chimie 8 (2005). Nous avons effectué une étude par simulation moléculaire de l’adsorption d’eau dans deux zéolithes faujasites NaY et NaX. La méthode est fondée sur des modèles relativement simples, et notamment sur un potentiel d’interaction effectif entre les molécules d’eau et la charpente zéolithique qui a simplement été tiré de la littérature sur l’eau liquide, sans autre réajustement. L’accord entre les simulations et les expériences disponibles est toutefois suffisamment bon pour permettre une interprétation qualitative des phénomènes observés. Une amélioration des modèles est en cours, afin de mieux reproduire les faits expérimentaux. La partie la plus originale de la méthode utilisée réside dans la possibilité, pour les cations de compensation extracharpente de la zéolithe, de pouvoir se déplacer au cours de la simulation, par exemple sous l’effet de l’adsorption d’eau. La plupart des simulations moléculaires de la littérature considèrent ces cations comme fixés dans le site cristallographique déterminé expérimentalement pour la zéolithe anhydre. Il se trouve, en effet, que nous avons observé une redistribution spontanée des cations sodium dans le cas de Na48Y, au cours de l’adsorption d’eau. La distribution initiale (zéolithe vide) est telle qu’aucun cation ne se trouve dans les sites I′, dans les cages sodalites. L’eau s’adsorbe donc d’abord dans les supercages, en solvatant les cations en site II. Une fois que ces 32 cations par maille élémentaire sont solvatés par une première « couche » d’eau (environ 1,5 molécule par cation dans ce cas), nous observons un phénomène concerté de déplacement des cations en site I (site inaccessible stériquement pour l’eau) vers les sites I′, et de l’adsorption simultanée d’eau dans les cages sodalites. Ce phénomène d’adsorption en deux étapes est clairement mis en évidence par les simulations d’isotherme d’adsorption. Dans le cas de la faujasite Na76X, une telle redistribution n’est pas observée. En effet, la distribution initiale des cations dans la zéolithe anhydre est telle que 24 cations occupent déjà les sites I′. Seuls 16 cations suffiraient à solvater les 25 molécules d’eau que les cages sodalites peuvent accommoder à forte charge (l’expérience prévoit quatre molécules d’eau par cage sodalite, notre modèle plutôt trois). Nous concluons donc de cette étude que le processus d’adsorption d’eau dans les faujasites peut se dérouler de façon très différente selon la valeur précise du rapport Si/Al. Enfin, à saturation d’eau, nous n’avons pas observé de mouvement de grande amplitude des cations. Ceci est en contradiction apparente avec des interprétations d’expériences selon lesquelles les cations finiraient par se dissoudre entièrement dans l’eau liquide, à forte charge. La question reste pour l’instant ouverte de savoir dans quelle mesure ces désaccords sont imputables à la simplicité excessive des modèles utilisés dans cette étude. Pour citer cet article : C. Beauvais et al., C.R. Chimie 8 (2005).