II. Adsorption et adsorbants
II.1. Phénomène d'adsorption
L'adsorption peut être définie comme
l'opération fondamentale de Génie chimique qui exploite
l'aptitude de certains solides à concentrer spécifiquement
à leur surface les constituants d'une solution permettant ainsi leur
séparation [1].
L'adsorption est un phénomène de surface et un
processus appliqué dans le domaine de la séparation solide -
liquide. Elle est basée sur des interactions spécifiques
(thermodynamique et / ou cinétique), privilégiée et
sélective, entre la surface d'un matériau (adsorbant) et une
substance chimique (adsorbat).
On distingue deux types d'adsorption qui sont le plus souvent
mis en jeu simultanément [2] :
? Adsorption physique
(physisorption)
L'adsorption physique ou adsorption de van der Waals est un
phénomène réversible qui résulte des forces
intermoléculaires d'attraction entre les molécules du solide et
celle de la substance adsorbée.
Ce phénomène contrôlé par la
diffusion des molécules atteint son équilibre rapidement
(quelques secondes à quelques minutes) mais peut se prolonger sur des
temps très longs pour les adsorbants microporeux en raison du
ralentissement de la diffusion de l'adsorbat dans ses structures de dimensions
voisines du diamètre des molécules de l'adsorbant
[3].
? Adsorption chimique
(chimisorption)
L'adsorption chimique ou adsorption activée
résulte d'une interaction chimique qui se traduit par un transfert
d'électrons entre le solide et l'adsorbat. Il y a alors formation d'un
composé chimique à la surface de l'adsorbant. Ce type
d'adsorption se développe à haute température et met en
jeu une enthalpie de transformation élevée
[1,3].
Le tableau II.1 récapitule les différences qui
existent entre l'adsorption physique et l'adsorption chimique.
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Tableau II.1 : Différences entre
physisorption et chimisorption [4]
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Physisorption
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Chimisorption
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Type de liaison
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Van der Waals (électrostatique)
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Ionique ou covalente
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Energie de liaison
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Faible
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Forte
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Réversibilité
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Facile
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Difficile
|
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Type de couche
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Poly-moléculaire
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Mono-moléculaire
|
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Chaleur d'adsorption
(Kj/mol)
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50
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100 à 500
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II.2. Adsorbants
Au sens strict, tous les solides sont des adsorbants. Cependant,
seuls les adsorbants ayant une surface spécifique suffisante (surface
par unité de masse) peuvent avoir des intérêts
pratiques.
Les adsorbants industriels ont généralement des
surfaces spécifiques au-delà de 100 m2.g-1,
atteignant même quelques milliers de m2.g-1
[5].
Certains adsorbants ont leurs surfaces fonctionnalisées
par des groupements oxygénés permettant la formation de liaisons
hydrogènes, tandis que d'autres possèdent une structure ionique
responsable d'un champ électrique intense dans les pores.
Les principaux adsorbants sont les alumines, les gels de
silices, les zéolites, les argiles et les charbons actifs. Il en existe
également d'autres : les résines, les polymères ...etc.
[6].
II.2.1. Zéolites
Une zéolithe (du grec Zéo : bouillir et lithos :
pierre) est un minéral appartenant à la famille des
aluminosilicates hydratés. Il existe deux sortes de zéolithes :
les zéolithes naturelles et les zéolithes synthétiques.
Les zéolithes sont des aluminosilicates cristallins et
poreux, résultant de l'assemblage de tétraèdres SiO4 et
AlO4 joints par les atomes d'oxygène qu'ils partagent. Cette
structure
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cristalline crée un réseau de pores de tailles
uniformes qui distingue les zéolites des autres adsorbants microporeux
[3].
Leur surface spécifique ne dépasse pas 900 m2.
g-1, ce qui limite la capacité d'adsorption. Ainsi, les
zéolithes sont moins sensibles à la chaleur que les charbons
actifs [7].
Le domaine d'application des zéolites est très
étendu : traitement des effluents urbains, purification du gaz
naturel...etc.
La production mondiale annuelle de zéolites est de
150000 tonnes par an. Ils sont les principales concurrentes des charbons actifs
sur le marché des adsorbants [6].
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