CHAPITRE I GENERALITES SUR L’ADSORPTION I- définitions 1) Adsorption L’adsorption peut être définie comme l’opération fondamentale du génie chimique qui exploite l’aptitude de certains solides à concentrer spécifiquement à leur surface, les constituants d’une solution, permettant ainsi leur séparation. 2) Adsorbant C’est le solide utilisé dans une opération d’adsorption. 3) Adsorbât Tout soluté ayant subi l’opération d’adsorption. 4) adsorption chimique (chimisorption) - C’est un phénomène irréversible ; - Elle à pour origine des réactions chimique entre les molécules du solide et celles de la phase fluide : formation d’un compose chimique à la surface du solide ; - Elle se passe à des températures élevées ; - La quantité de chaleur dégagée est importante; - Les molécules adsorbées perdent leur individualité chimique 5) Adsorption physique (physisorption) Ce type d’adsorption est caractérisé par : - C’est un phénomène réversible ; - Elle à pour origine les interactions entre les molécules du solide et celles de la phase fluide : liaison de type Van Der Waals (Une interaction électrique de faible intensité entre atomes ou molécule) ; - Elle se passe à des températures relativement basses ; - la quantité de chaleur dégagée est faible ; - les molécules adsorbées gardent leur individualité chimique [1] 6) Pore et Porosité Un pore désigne une cavité dans un objet. La porosité est l’ensemble des interstices (connectés ou non) d’un solide pouvant contenir des fluides (liquides ou gaz). On distingue : - Micropores : d<2nm - Mésopores : 2nm < d <50nm - Macropores : d > 50nm Figure I-1 : particule poreuse 7) surface Les adsorbants sont caractérisés par leur surface, dite surface spécifique. On distingue la surface externe (Se) et la surface interne (Si) telque la surface totale (S) développée par un solide soit egale à: S = Se + Si En générale la surface interne est plus importante que l’externe. Tableau I-1 : exemples de surfaces spécifique Nature de l’adsorbant Alumine activée Tamis moléculaire Charbons actifs Magnésie Silicagel Surface spécifique m2/g 200÷300 600÷700 600÷1400 200 320 [2] II- Les adsorbants industriels 1) Critères de choix d’un adsorbant Un adsorbant industriel doit répondre à un certain nombre de critères, essentiellement : - Un solide sélectif - Efficace ; - Peu coûteux ; - Grande capacité d’adsorption ; - Disponible ; - Régénérable ; - Non toxique ; - développe une résistance mécanique et thermique ; - Non corrosif ; - Inerte. 2) Différents types d’adsorbants On distingue cinq grands types d'adsorbants « physiques » : les charbons actifs, les zéolithes, les alumines, les gels de silice, les argiles activées. Il se fabrique environ 150 000 t.an-1 de zéolithes pour adsorption, 400 000 t.an-1 de charbons actifs, 75 000 t.an-1 d'alumines activées, 400 000 t.an-1 d'argiles et 25 000 t.an-1 de gels de silice. Les charbons actifs Les charbons actifs sont préparés par pyrolyse d'une matière contenant du carbone, charbon ou matériau végétal, pour conduire à un charbon de bois qui est ensuite oxydé par la vapeur d'eau dans des conditions contrôlées pour créer une structure microporeuse. Il existe plusieurs centaines de qualités de charbons actifs, suivant le précurseur et les conditions de traitement. On peut aussi trouver des charbons actifs dits « chimiques », car activés à chaud en présence d'agents chimiques déshydratants, acide phosphorique ou chlorure de zinc. Les charbons actifs sont des adsorbants organophiles amorphes. Leur structure n'est donc pas régulière, contrairement à un cristal. Cette structure amorphe se traduit par une répartition continue de taille de pores dont l'étalement (l'écart entre les plus petites et les plus grandes valeurs) peut atteindre plusieurs ordres de grandeur. Les zéolithes Les zéolithes sont des alumino-silicates cristallisés microporeux de formule globale (AlO2M, nSiO2) où M représente le plus souvent un métal alcalin ou alcalino-terreux et n≥1. Il existe plus de 100 espèces de zéolithes, différant par la valeur de n et la structure cristallographique. La présence de cations dans les micropores génère des champs électriques de l'ordre de 10 10 V.m-1, ce qui fait de ces corps de puissants adsorbants polaires. Les alumines activées Les alumines activées sont obtenues par thermolyse flash du trihydroxyde d'aluminium Al(OH)3 qui conduit à un produit de composition approximative Al 2O3, 0.5 H2O, possédant une structure poreuse résultant du départ de molécules d'eau. La surface des pores est couverte de [3] groupements Al-OH, et l'adsorption se fait préférentiellement par liaison hydrogène. Les alumines activées sont des adsorbants amorphes, moyennement polaires et hydrophiles. Les gels de silice Les gels de silice sont préparés à partir de Si(OH)4 en phase aqueuse, obtenu par acidification d'un silicate de sodium, ou bien à partir d'un sol de silice (suspension dans un liquide, tel que l'eau, de microparticules (20 à 100 nm), appelées micelles, stables car trop petites pour décanter), ou bien par hydrolyse d'un alcoxy-silane. La solution fluide obtenue ne tarde pas à polymériser, ce qui conduit à un gel qui conserve sa structure lâche après rinçage et séchage. Les groupements Si-OH conduisent à des liaisons hydrogène. Il existe deux types de gels de silice : les microporeux, assez hydrophiles, et les macroporeux, versatiles, qui diffèrent par la taille des pores comme le nom l'indique. Les argiles activées Les argiles activées sont des alumino-silicates de formule brute proche des zéolithes, mais de structure cristalline différente. Ce sont des produits naturels, utilisés surtout pour le séchage. 3) Caractérisation physique des adsorbants industriels Soit une colonne remplie d’adsorbant, formant un lit en vrac. Figure I-2 : colonne d’adsorption [4] On définit un ensemble de paramètres liés à la géométrie du système et du solide. Les principales caractéristiques sont les suivantes : * volume total de la couche en vrac : 𝑽𝒕 = 𝒔 ∗ 𝑯 (cm3/g) Avec : s la section passante de la colonne en vrac (πD²/4) * masse de l’adsorbant : 𝒎𝒕 = 𝒎𝒑 = 𝒎 (g) Avec : mt : la masse totale (g) ; mp : la masse des particules solide (g) ; m : la masse de l’adsorbant (g) * volume du vide : 𝑽𝒗 = 𝑽𝒗 𝒊 + 𝑽𝒗 𝒆 (cm3/g) Avec : 𝑽𝒗𝒊 : Volume de vide interne développé par les pores existants dans les particules, occupé par le fluide (cm3/g) ; 𝑽𝒗𝒆 : Volume de vide externe représentant l’espace autour des particules, occupé par le fluide (cm3/g). On définit: (cm3/g) 𝑽𝒕 = 𝑽𝒗 + 𝑽𝒔 D’où 𝑽𝒕 = 𝑽𝒗 𝒊 + 𝑽𝒗 𝒆 + 𝑽𝒔 Avec : 𝑽𝒔 : Volume développé par la phase solide (cm3/g) On déduit : (cm3/g) 𝑽𝒑𝒂 = 𝑽𝒗𝒊 + 𝑽𝒔 [5] Avec : 𝑽𝒑𝒂 : Volume des particules (cm3/g) ; D’où 𝑽𝒕 = 𝑽𝒑𝒂 + 𝑽𝒗𝒆 * fraction de vide externe : 𝑽𝒗 𝒆 𝑽𝒕 𝜺 = 𝝌𝒆 = * fraction de vide interne : 𝝌𝒊 = * 𝑽𝒗 𝒊 𝑽𝒕 fraction de vide dans les particules : 𝑽𝒗 𝒊 𝑽𝒑𝒂 𝝌𝒑𝒂 = * densité apparente : 𝑽𝒕 𝝆𝒂 = * g/cm3 𝒎 densité des particules : 𝝆 𝒂 𝝆𝒑𝒂 = (𝟏−𝝌 𝒆) * g/cm3 densité vrai : 𝝆𝒂 𝒆 )(𝟏−𝝌𝒊 ) 𝝆𝟎 = (𝟏−𝝌 [6] g/cm3
