Leçons de niveau 16

Recherche:Adsorption de composés organiques sur zéolithes

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Travail de recherche : Adsorption de composés organiques sur zéolithes

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L'adsorption de composés organiques volatils ( COV ) sur des matériaux poreux peut être utilisée pour la dépollution de l'air. Quand l'absorbant est saturé, il faut alors le régénérer. Pour ce faire, on étudie l'influence des microondes sur la désorption des composés organiques.

PARTIE I = Adsorption[modifier | modifier le wikicode]

montage expérimental[modifier | modifier le wikicode]

Les zéolithes (adsorbants) sont placées dans un tube. Un courant d'azote N2 traverse le récipient où se trouve le composé organique liquide et il entraine ainsi des vapeurs vers la zéolithe. Un chromatographe en phase gazeuse avec un détecteur à ionisation de flamme (DIF) permet d'analyser les produits en sortie.

Fig. 1 = montage expérimental
procédure expérimentale

La partie du tube où se trouve la zéolithe peut être démontée grâce à des raccords sphériques. Avant de commencer l'adsorption, on fait circuler les vapeurs organiques dans le circuit pour mesurer la concentration Co et éventuellement pour saturer les parois au cas où les vapeurs se déposeraient sur le verre. On place alors la zéolithe dans le circuit (environ 0,7 à 2 g de poudre). Au début toutes les vapeurs sont adsorbées par la zéolithe et on ne détecte aucun pic avec le chromatographe. Au moment du perçage, des pics apparaissent et il est donc possible de connaitre la quantité de composé organique qui traverse le lit d'adsorbant. La différence entre la quantité envoyée vers la zéolithe et la quantité mesurés par le chromatographe donne la quantité adsorbée au cours du temps. À la fin de l'expérience, il est alors possible de peser le tube pour connaitre la masse adsorbée et vérifier que cela correspond bien à la masse calculée.
Un courant d' Argon peut être ajouté pour diluer éventuellement le mélange. Les débits gazeux sont mesurés par des débitmètres massiques et/ou par des débitmètres à bille.

Les composés organiques étudiés[modifier | modifier le wikicode]

Les composés organiques étudiés sont:

  • le méthanol CH3OH
  • l' éthanol C2H5OH
  • le cyclohexane C6H12
Cyclohexane-chair-2D-stereo-skeletal.pngCyclohexane-chair-3D-balls.png
  • le chlorobenzène C6H5Cl
Chlorobenzene2.svg Chlorobenzene-3D-vdW.png
  • l' acétone
Aceton.svg Acetone-3D-vdW.png
  • le DMSO (diméthylsulfoxyde : (CH3)2S=O)

Dimethylsulfoxid.svg   DMSO-3D-vdW.png   DMSO-2D-dimensions.png   DMSO-elpot.png


Ces molécules peuvent être polaires ou apolaires (cyclohexane).

Les zéolithes[modifier | modifier le wikicode]

L'adsorption est étudiée sur un lit de zéolithe. Deux types de zéolithes sont utilisés: LZY54 et LZ10.

Une zéolithe est un cristal avec une structure tridimensionnelle microporeuse d'alumino-silicate. Elles sont plus ou moins hydratés. Les espaces vides connexes de la structure sont initialement occupés par des cations et des molécules d'eau.Les ions et les molécules d'eau sont mobiles au sein de la structure, ce qui permet d’une part des échanges ioniques, d’autre part une déshydratation partielle réversible, et la possibilité de remplacer l'eau par une autre phase adsorbée. Les porosité de la structure peuvent autoriser ou non le passage de molécules.

Les zéolithes NaY ont généralement une surface spécifique comprise entre environ 600 et 750 m2/g. Le volume des micropores est d'environ 0,2 à 0,3 cm3/g. Le volume des mesopores est d'environ 0,05 à 0,1 cm3/g.

LZY54 :

La Faujasite synthétique de type Y ( notée NaY ) de la société Union carbide (référence LZY54) a la formule: [Na52[AlO2]52(SiO2)140)]·156 H2O avec Si/Al = 2,7 .

LZ10 :

La zéolithe LZ10 est une zéolithe très hydrophobe de type UHP-Y de la société Union carbide. La LZ10 a typiquement des pores d'environ 2,42 nm.

MF1

adsorption de composés organiques[modifier | modifier le wikicode]

Pour s'adsorber sur la poudre de zéolithe, les vapeurs de composés organiques entrainées par le courant d'azote vont devoir diffuser entre les grains puis elles vont s'adsorber soit sur la surface, soit sur les cations, soit dans des macropores, soit dans des mesopores ou dans des micropores:

  • adsorption sur la surface des grains
  • adsorption dans les macropores
  • adsorption sur les cations Mn+
  • pénétrer dans les mesopores (réseau de cavités supercage)
  • pénétrer dans les micropores (réseau de cavités sodalités et prisme hexagonaux)


Pour une zéolithe NaY, le volume des micropores est plus grand que le volume des mesopores mais les mesopores semblent très favorables à une adsorption. Isabelle Polaert et al. (2010) donne les valeurs suivantes pour une NaY:

volume des micropores mesuré par N2 = 0,271 cm3/g
volume des mesopores mesuré par N2 = 0,045 cm3/g
volume des macropores mesuré par Hg = 0,259 cm3/g

On peut représenter les courbes de perçage en traçant les graphes surface des pics de chromato = f(temps) ou C/Co = f(temps). On trace également des graphes masse adsorbée = f(temps) .


Résultats expérimentaux:
Composés organiques Zéolithe masse adsorbant (g) masse adsorbée (g)
méthanol CH3OH LZY54 0,99235 0,19990
' ' LZ10 1,59313 0,26545
Éthanol C2H5OH LZY54 0,776 0,1673
' ' LZY54 0,776 0,1507
' ' LZ10 1,16255 0,2109
Cyclohexane C6H12 LZY54 0,99245 0,19970
' ' LZY54 1,10060 0,20005
Chlorobenzène C6H5Cl LZY54 2,037 0,71302
' ' LZY54 0,7712 0,20395
' ' LZY54 0,9376 0,2652

Méthanol[modifier | modifier le wikicode]

Fig. 2 = CH3OH
Fig.3 = masse adsorbée de CH3OH en fonction du temps

Cyclohexane et Chlorobenzène[modifier | modifier le wikicode]

Fig. 4 = Cyclohexane
Fig. 5 =Chlorobenzène

Éthanol[modifier | modifier le wikicode]

Fig. 6 = Éthanol adsorbé sur zéolithe LZ54
Fig. 7 = Éthanol adsorbé sur zéolithe LZ10

PARTIE II = Adsorption et désorption sous microondes[modifier | modifier le wikicode]

L'influence des microondes (2 450 MHz) est étudiée pendant l'adsorption ou la désorption des composés organiques. L'adsorbant est une zéolithe Faujasite de type NaY (LZY54 ou LZ10). Pour faire les expériences, on utilise des puissances microondes pas trop élevées ( < 80 W) pour éviter une trop grande température T de l'adsorbant. Ainsi on peut mieux observer l'action des microondes sur les molécules adsorbées. On évite donc que les effets thermiques ne soient prépondérants. Le chauffage du lit va donc dépendre de la nature de la zéolithe, déshydratée ou non, et des COV adsorbés.
En général, l'adsorption sur la zéolithe des molécules polaires est plus forte que l'adsorption des molécules apolaires (ou non-polaires).


Action des microondes[modifier | modifier le wikicode]

Le chauffage de la matière sous microondes se produit car le champ électrique tend à orienter les dipôles mais l'agitation thermique s'y oppose. On a alors un déphasage entre le mouvement du champ et le mouvement des moments dipolaires et ceci provoque des pertes diélectriques.
Le chauffage microonde est alors lié à la variation de la partie imaginaire ε" de la permittivité diélectrique avec la température T :

si ε"(T) est une fonction décroissante alors le chauffage est auto-régulé;
si ε"(T) est une fonction croissante, alors le chauffage est accéléré et on peut parfois observer un emballement.


Sous champ microonde, l'adsorbant va voir sa température augmenter. La structure de la zéolithe est relativement transparente aux microondes mais la présence de l'eau dans la zéolithe permet un chauffage de celle-ci (constante diélectrique avec de l'eau ~ 4 à 5).

Les


Résultats expérimentaux[modifier | modifier le wikicode]

Fig. 9 = désorption du méthanol
Fig. 10 = désorption du cyclohexane
Fig. 11 = désorption du chlorobenzène
Fig. 12 = désorption de l' acétone
Fig. 13 = désorption du DMSO
Fig. 14 = adsorption de l'éthanol sur LZY54 sans et avec microondes
Fig. 15 = désorption de l'éthanol sur LZY54 avec microondes 2,45 GHz
Fig. 16 = adsorption de l'éthanol sur LZ10 sans et avec microondes
Fig. 17 = désorption de l'éthanol sur LZ10 sans et avec microondes

Notes[modifier | modifier le wikicode]

  • Une grande partie des expériences ont été faites par Esther Alonso Lopez et par Natalia Peláez de la Fuente (étudiantes Erasmus) lors de leur stage de fin d'étude d'ingénieur de l'université de Valladolid (Ingenieria UVa) dans l'équipe Catalyse et microondes (SIEN-UPMC)

Références[modifier | modifier le wikicode]

  • Esther Alonso Lopez, Anne-Marie Diamy, Jean-Claude Legrand et Jacques Fraissard, Sorption of Volatil Organic compounds on zéolites with microwave irradiation , Studies in Surface Science and Catalysis, Volume 154, Proceedings of the 14th International Zeolite Conference, Recent Advances in the Science and Technology of Zeolites and Related Materials Part B , Pages 1866–1871, (2004)
  • Natalia Peláez de la Fuente, Anne-Marie Diamy, Jean-Claude Legrand et Jacques Fraissard, Microwave assisted desorption of VOC from zeolites, 7th International Symposium on the Characterisation of Porous Solids - COPS VII , P164, Aix-en-Provence, mai 2005.