OU2 : Adsorption/Introduction à l'adsorption industrielle

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Définitions

L'adsorption peut être définie comme étant 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. Le solide est appelé adsorbant et la substance qui s'adsorbe est l'adsorbat ou couramment soluté. On distingue plusieurs types d'adsorption qui diffèrent par leur nature et par les énergies mises en jeu:

1. L'adsorption physique ou physisorption ou adsorption de Van Der Waals.
2. L'adsorption chimique ou chimisorption ou adsorption activée.
3. Échange d'ions.
4. Exclusion.

L'adsorption physique (physisorption)

C'est un phénomène réversible qui résulte de l'attraction entre les molécules d'adsorbant composant la surface du solide et les molécules de soluté de la surface fluide.

L'adsorption chimique (chimisorption)

Elle résulte d'une intéraction chimique entre les molécules d'adsorbant composant la surface du solide et les molécules de soluté. Cette intéraction se traduit par la formation d'un nouveau composé chimique à la surface de l'adsorbant. Ce type d'adsorption se développe à haute température et met en jeu une enthalpie élevée.

Échange d'ions

La fixation d'anions se fait par intéraction électrostatique avec un ion de signe opposé attaché au support et s'accompagne de libération d'un autre ion de même signe de telle sorte l'électroneutralité se conserve.

Exclusion

Pas d'accès aux sites de sorption pour certaines espèces, soit par empèchement stérique (effet de tamis moléculaire) soit par répulsion physique.

Utilisation industrielle de l'adsorption

Séparation gazeuse

Citons les exemples suivants:

1. le séchage d'air ou d'autres gaz,
2. la purification des gaz,
3. la récupération de solvants,
4. le fractionnement de mélanges d'hydrocarbures.

Séparation liquide

Citons les exemples suivants:

1. la purification des liquides,
2. le désalement de l'eau,
3. l'élimination des traces d'eau dans les essences,
4. la décoloration des produits pétroliers et des solutions alimentaires,
5. le fractionnement ds mélanges d'hydrocarbures.

Les principaux adsorbants industriels

Les adsorbants industriels doivent répondre à un certain nombre de critères:

1. haute capacité d'adsorption
2. grande efficacité
3. sélectivité élevée
4. résistance physique
5. inertie chimique
6. facilement regénérable
7. bas prix

Charbon actif

Le Charbon actif est à la base de carbone. Il existe aussi des polymères carbonisés et les graphites. Ils sont préparés à haute température et sont utilisés pour:

1. la regénération des solvants,
2. la purification du ${\ce {CO2}}$ et des gaz industriels.

Oxyde d'aluminium (Al₂O₃, nH₂O)

Il est préparé par traitement thermique des bauxites, partiellement hydraté {n = 0.1, 0.5, 1, 2}, utilisé principalement pour le séchage des gaz et l'élimination de l'eau dans les liquides.

Silice

Fabriquée à partir des solutions colloïdales d'acide silicique et employée pour le séchage des gaz et la séparation des hydrocarbures.

Tamis moléculaires

Ils sont préparés par traitement thermique des alumino-silicates de sodium ou de calcium, qui possèdent une structure cristalline et se caractérisent par l'ouverture fixe et uniforme de leurs pores. Ils sont utilisés pour le traitement des gaz ou la déshumidification des liquides organiques.

Regénération

L'adsorption physique est un phénomène réversible sans apport externe de chaleur ou de travail de pression. L'opération de regénération (désorption) est très importante dans l’industrie. Cette opération est endothermique et peut être accomplie de plusieurs façons:

1. en élevant la température de l'adsorbant de manière que la ,tension de vapeur du soluté adsorbé devienne supérieure à sa pression partielled dans la phase gazeuse
2. en réalisant un vide au dessus du solide
3. en faisant circuler un gaz inerte à travers le solide
4. en traitant le solide avec une autre vapeur qui en s'adsorbant préférentiellement déplace le soluté préalablement adsorbé (élution)

Lois générales de l'adsorption

Nous citons ici quelques lois générales de l'adsorption à savoir:

1. les gaz facilement condensables s'adsorbent plus facilement.
2. l'adsorption croît avec la température critique du soluté.
3. l'adsorption augmente avec la surface spécifique du solide.
4. l'adsorption augmente aussi la pression opératoire et diminue avec la température.
5. les molécules polaires s'adsorbent préférentiellement sur les adsorbants polaires.
6. une substance adsorbée préférentiellement déplace les solutés précédemment adsorbés.