Description de la nanostructure des charbons actifs confrontée à
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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 DubininRadushkevish que l’on peut ainsi attribuer à un manque de recouvrement de ces distributions de potentiels.
