Description de la nanostructure des charbons actifs confrontée à

MODELISATION DE LA NANOSTRUCTURE DES CHARBONS
ACTIFS CONFRONTEE A DES RESULTATS EXPERIMENTAUX
PY Xavier, CAGNON Benoît, GUILLOT André
IMP CNRS UPR8521 Rambla de la Thermodynamique Tecnosud 66100 Perpignan
[email protected]
mots clefs : adsorption, matériaux, modélisation, environnement
Résumé
Les charbons actifs sont des adsorbants carbonés très communs dont la structure à
l’échelle nanométrique est cependant encore mal connue. Les calculs théoriques actuels
destinés à estimer des isothermes d’adsorption sur de tels matériaux sont ainsi basés sur un
modèle de porosité limité à une morphologie de type « pore en fente » hypothétique formée
entre deux plans de graphène infinis et parallèles. La structure de cette porosité est en fait bien
plus complexe pour des matériaux réputés désordonnés et présentant plusieurs échelles
morphologiques bien différentiées.
Des techniques récentes de modification texturales par oxydations cycliques (à l’air et à l’eau
de javel) nous ont permis d’obtenir des séries de charbons actifs issues d’un même précurseur,
présentant la même structure et la même chimie de surface. Pour chacune de ces séries, la
taille moyenne de pore évolue graduellement de 1 à 2 Angström de manière très linéaire.
Une cohérence géométrique à l’échelle de la microporosité est alors nécessaire pour expliquer
une telle régularité. Lors de l’étape d’oxydation de ces traitements cycliques, des groupements
oxygénés sont formés sur l’ensemble des carbones de bord de plan de graphène formant les
unités structurales de base (USB). Ces groupements sont ensuite éliminés lors de l’étape de
carbonisation des cycles, provoquant le départ des atomes de carbone engagés. De cycle en
cycle, les USB sont ainsi érodées progressivement au profit de leur extra-porosité.
Sur la base de modèles géométriques simples décrivant les USB, divers modèles
géométriques de porosité extra-USB ont étés conçus. Ces porosités modèles ont alors été
numériquement soumises aux cycles oxydant de manière à comparer leurs comportements
théoriques aux résultats expérimentaux correspondants. De ces confrontations, trois
morphologies de porosité type ont été validées mettant en jeu des bords ou des faces d’USB
en opposition deux à deux.
Il apparaît que les charbons actifs obtenus par activations conventionnelles (physique et
chimique) sont bien décrits par le modèle de pores en fente alors que ceux élaborés ou
modifiés par les méthodes d’activation cycliques peuvent être correctement décrits
uniquement par des modèles mettant en jeu au moins un bord d’USB.
Ces résultats présentent des conséquences importantes en termes de modélisation et
d’exploitation d’isothermes de caractérisation. En effet, si la microporosité des charbons
actifs est composée de divers types de morphologie de pores, chacune d’entre-elles doit
présenter sa propre distribution de taille de pores et donc d’énergies caractéristiques
d’adsorption. Il existe alors une correspondance possible entre les tailles moyennes de deux
morphologies de pores à même potentiel d’adsorption. Ainsi, les courbes de caractérisation
basées sur des mesures expérimentales d’isothermes rendent compte d’une résultante globale
du recouvrement de ces distributions de potentiels. Dans certains cas, on a effectivement
observé expérimentalement de brusques changements de pente dans les courbes de Dubinin-
Radushkevish que l’on peut ainsi attribuer à un manque de recouvrement de ces distributions
de potentiels.