Leçons de niveau 16

Thermodynamique des surfaces/Exemple d'adsorbant «La faujasite»

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Exemple d'adsorbant «La faujasite»
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Chapitre no 5
Leçon : Thermodynamique des surfaces
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Les zéolithes[modifier | modifier le wikicode]

Les zéolithes sont des silico-aluminates alcalins et alcalino-terreux hydratés. Ce sont des tectosilicates constitués par des tétraèdes SiO4 où une partie des atomes de silicium Si sont remplacés par des atomes d'aluminium Al. On a donc des tétraèdres [SiO4] et [AlO4]- liés par leur sommet. Il apparaît donc une charge négative qui doit alors être compensée par l’introduction d'un ion positif Mn+ (comme par exemple Na+). Les cations et les molécules d'eau sont des espèces extra-charpentes.


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 microporeuse. Les espaces vides connexes de la structure sont initialement occupés par des cations et des molécules d'eau qui 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 porosités de la structure sont toutes de même taille et peuvent autoriser ou non le passage de molécules. Les pores sont très petits et on appelle souvent les zéolithes des tamis moléculaires.

Quelque zéolithes synthétiques
zéolithe formule
zéolithe A Na12[(AlO2)12(SiO2)12] · 27 H2O
zéolithe X Na86[(AlO2)86(SiO2)106] · 264 H2O
zéolithe Y Na56[(AlO2)56(SiO2)136] · 250 H2O
zéolithe L K9[(AlO2)9(SiO2)27] · 22 H2O
Mordenite Na8,7[(AlO2)8,7(SiO2)39,3] · 24 H2O
ZSM 5 Na0,3H3,8[(AlO2)4,1(SiO2)91,9]
ZSM 11 Na0,1H1,7[(AlO2)1,8(SiO2)94,2]


La faujasite[modifier | modifier le wikicode]

Une zéolithe Faujasite (Si-Al-Na-Ca-Mg hydraté) aura une formule très générale du type: (Na2,Ca,Mg)3.5[Al7Si17O48]·32(H2O)


Al-Si-distribution faujasite planar.svg
structure d'une zéolithe de type Faujasite
répartition des atomes Al et Si
dans une zéolithe Faujesite de type Y
(2 cavités β reliées par une cavité γ)
cuboctaèdre (octaèdre tronqué)
prisme hexagonal (cavité γ)
Cage sodalite (cavité β)
Cage sodalite avec indiqué Si et AL
Une cage sodalite avec Al, Si, O et un cation Me+

La présence de cations extracharpentes va créer des sites d'adsorption très actifs.


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.

Réseau de cavités dans une NaY

Il est évident que plus le diamètre de la " fenêtre " est grand, plus la structure sera poreuse et donc plus la zéolithe aura d’applications en adsorption ou en catalyse. Pour la NaY, la cavité d'environ 1,2 nm de diamètre et l'ouverture d'environ 0,74 nm de diamètre (12 atomes d'oxygène) permettent une grande capacité d'adsorption. La faujasite a d’importantes applications dans les procédés de traitement du pétrole.

Quelques diamètres de composés organiques
chlorobenzène C6H5Cl → diamètre = 0,566 nm
acétone C3H6O → diamètre = 0,46 nm
diméthylsulfoxide (DMSO) C2H6SO → diamètre = 0,513 nm

La zéolithe Y peut être modifiée pour augmenter le rapport Si/Al (désalumination) pour qu'elle devienne hydrophobe. Quand on diminue le nombre d' Al , les cations extra-charpentes diminuent aussi pour garder la neutralité.


Exemple de faujasites[modifier | modifier le wikicode]

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 (50 Al / maille).

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.