Leçons de niveau 16

Thermodynamique des surfaces/Adsorption

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Adsorption
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Chapitre no 3
Leçon : Thermodynamique des surfaces
Chap. préc. :Grandeurs caractéristiques
Chap. suiv. :Isothermes d'adsorption
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L’adsorption est un phénomène de surface par lequel des atomes ou des molécules de gaz ou de liquides (adsorbats) se fixent sur une surface solide (adsorbant). Un atome adsorbé est un adatome. Le phénomène inverse, par lequel les molécules adsorbées sur une surface s’en détachent se nomme la désorption. La désorption se fait par exemple, par l’élévation de la température ou par la diminution de la pression.

L’adsorption intervient souvent dans l’évolution des réactions chimiques. En mécanique industrielle, elle joue un rôle dans les processus de lubrification et les procédés de brasage.

Ne pas confondre l'adsorption avec l’absorption
Dans l'adsorption, les molécules restent à la surface du solide tandis que dans le cas de l'absorption, les molécules pénètrent à l'intérieur de la phase liquide ou solide.

Les adsorbants[modifier | modifier le wikicode]

Charbon actif

Les adsorbants les plus utilisés sont:

Le charbon actif
Les argiles et
Les zéolithes

L'adsorption des gaz nécessite des pores de 1 à 2 nm et des pores de 2 à 10 nm suffisent pour l'adsorption des liquides. Par exemple, le diamètre moléculaire du chlorobenzène est de 0,566 nm.

Les charbons actifs[modifier | modifier le wikicode]

Le charbon actif est un excellent adsorbant; sa capacité d’adsorption des molécules organiques et des gaz est remarquable.
Le charbon actif ou charbon activé est un matériau constitué essentiellement de matière carbonée à structure poreuse. Il est hydrophobe. Le charbon actif peut être produit à partir de toute matière organique végétale riche en carbone (par exemple: bois, coques de noix de coco, etc ...).

La surface développée par le charbon actif est énorme : un gramme de charbon actif a une surface spécifique comprise entre 400 et 2 500 m2. Le diamètre des pores dépend également des pores existant dans la matière première utilisée. Les coques de noix de coco et les bois très denses donnent des micro-pores (< 2 nm), les bois moyens à blanc donnent des mésopores (entre 2 et 50 nm) ou des macropores (> 50 nm).

Structure atomiques d'une argile TOT trioctaédrique

Les argiles[modifier | modifier le wikicode]

Les argiles présentent une structure feuilletée (phyllosilicates) ou fibreuse (sépiolite et palygorskite). Grâce à leur structure cristalline en feuillets, les argiles sont de bons adsorbants.

Les zéolithes[modifier | modifier le wikicode]

structure d'une zéolithe de type Faujasite
répartition des atomes Al et Si dans une zéolithe Faujesite de type Y

Une zéolithe est un cristal formé d'un squelette microporeux d'alumino-silicate et sont plus ou moins hydratés. Sur le plan cristallographique, les zéolites présentent une structure tridimensionnelle. Les espaces vides connexes 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 sont toutes de même taille. Ces porosités peuvent autoriser ou non le passage de molécules. Elles sont très petites et on appelle souvent les zéolithes des tamis moléculaires.

  • Par exemple, une zéolithe Faujasite (Si-Al-Na-Ca-Mg hydraté) aura une formule très générale du type: (Na2,Ca,Mg)3.5[Al7Si17O48]·32(H2O)
  • La Faujasite synthétique de type Y ( notée NaY ) de la société Union carbide a la formule: [Na52[AlO2]52(SiO2)140]·156 H2O avec Si/Al = 2,7 .

Physisorption et chimisorption[modifier | modifier le wikicode]

Selon la nature des interactions qui retiennent l'adsorbat sur la surface de l'adsorbant, on aura:

  • l’adsorption physique ou physisorption qui met en jeu des liaisons faibles, du type forces de van der Waals, analogues à celles qui sont impliquées lors d’une liquéfaction. Elle se produit bien avant que le gaz n’atteigne une pression égale à sa pression de vapeur saturante, à des températures assez basses et voisines du point d’ébullition de la phase adsorbée. Elle est en général réversible et on peut la comparer au dépôt de buée sur une paroi froide. L’équilibre est obtenu lorsque les vitesses d’évaporation et de condensation sont égales. L’adsorption physique est donc favorisée par une baisse de la température ;
  • l'adsorption chimique ou chimisorption qui met en jeu des énergies de liaison importantes. L’adsorption chimique s’accompagne d’une profonde modification de la répartition des charges électroniques des molécules adsorbées, les forces mises en jeu sont du même type que celles qui sont impliquées lors de la formation des liaisons chimiques. Elle est souvent irréversible (ou difficilement réversible) et engendre une couche monomoléculaire.

Porosité[modifier | modifier le wikicode]

La porosité correspond à l’ensemble des pores de l'absorbant solide qui vont se remplir avec les fluides (adsorbats liquides ou gazeux).

La porosité est définie par le rapport entre le volume des pores et le volume total de adsorbant:

où :

  • est la porosité
  • le volume des pores
  • le volume total du matériau (i.e. la somme du volume de solide et du volume des pores)

Suivant leur dimension, les pores seront désignés comme: micropores , mesopores ou macropores.

Les courbes de perçage des colonnes[modifier | modifier le wikicode]

La forme des courbes de perçage dépend de la diffusion et de l’isotherme d'adsorption.

Courbe de perçage (tp est le temps de perçage du lit fixe)
Calcul des moments µ1 et µ2

Le moment µ1 d'ordre un correspond au temps de séjour moyen (i.e. quand C/Co = 0,5) . Le moment d'ordre 2 correspond à la variance autour du temps moyen et est en relation avec l'étalement du front de perçage. Ces moments peuvent être calculés graphiquement si les courbes sont symétriques.

On a graphiquement:


Le nombre d'étages théoriques de la colonne est alors:

nombre d'étages théoriques



Suite à rédiger[modifier | modifier le wikicode]

  • la catalyse