Le carbone sous toutes ses formes Charbon actif
Phénomènes mis en jeu
L’adsorption :
L’adsorption, processus découvert par Fantana et Scheele en 1777, peut être définie comme la fixation superficielle d’un fluide (gaz ou liquide), l’adsorbat, sur un solide, l’adsorbant. Ce phénomène exothermique (dégage de la chaleur) est dû à l’existence de forces d’interaction entre les deux composés et à une orientation des molécules en surface.
La notion d’adsorption a été introduite pour la première fois par Kayser en 1881 afin de différencier l’adsorption qui est l’accumulation des molécules sur une surface solide de l’absorption où les molécules pénètrent au sein du solide.
Deux types d’adsorption sont définis selon la nature des forces responsables de la formation de la couche interfaciale : l’adsorption physique (physisorption) ou l’adsorption chimique (chimisorption).
L’adsorption chimique s’effectue avec formation d’une liaison chimique entre l’adsorbat et l’adsorbant. Par conséquent, ce processus met en jeu de fortes énergies d’interaction (entre 100 et 400 kJ.mol-1). Comme une seule couche au plus d’adsorbat peut se lier chimiquement à la surface de l’adsorbant, la chimisorption est nécessairement restreinte à une monocouche. De plus, ce phénomène est spécifique car la formation de liens chimiques (pouvant modifier la nature de l’adsorbat puisque des ruptures de liaison peuvent se produire) a lieu entre une molécule adsorbée et une position spécifique de l’adsorbant (site chimiquement actif). A ce titre, la chimisorption est irréversible et est associée à une énergie d’activation. Elle est utilisée pour déterminer, par simple mesure de la quantité de gaz chimisorbé, le nombre de sites actifs qui sont susceptibles de promouvoir des réactions chimiques et/ou catalytiques. Ce type d’adsorption est rencontré lors des réactions catalytiques à la surface du solide et lors du stockage de substances par immobilisation chimique des polluants par formation de composés moins solubles. Comme exemple de réactions catalytiques, nous pouvons citer la réduction sélective des monoxydes d’azote sur des zéolithes MFI au cobalt et la réduction de composés soufrés sur des charbons actifs imprégnés au permanganate de potassium.
L’adsorption physique est le type d’adsorption le plus courant, comme en témoigne la plupart des procédés d’adsorption séparative basés sur la physisorption. Les molécules physisorbées sont relativement libres de se mouvoir autour de la surface. Au fur et à mesure de l’introduction de molécules gazeuses dans le système, l’adsorbat tend à former une fine couche qui recouvre toute la surface de l’adsorbant. La physisorption a généralement lieu à basse température et ne nécessite aucune énergie d’activation. Elle est par ailleurs renversable : une augmentation de la température ou une diminution de la pression provoque la désorption des molécules physisorbées et leur retour dans la phase gazeuse. Contrairement à la chimisorption, la physisorption est un phénomène non spécifique donnant lieu à la formation de multicouches. Une condensation capillaire peut survenir lors de la formation de ces multicouches. Ce processus d’adsorption physique ne modifie pas la nature chimique des molécules adsorbées et fait intervenir des forces intermoléculaires relativement faibles (inférieures à 100 kJ.mol-1). Ces forces se divisent en deux catégories :
* les interactions non spécifiques qui existent quelles que soient la nature des molécules adsorbables et celle du solide (du type des forces de dispersion de London : forces de Van der Waals et forces de polarisation),
* les interactions spécifiques dues à une répartition particulière des charges de l’adsorbant et des espèces adsorbables (de type électrostatique comme le moment dipolaire, le moment quadrupolaire, les interactions entre sites chargés de l’adsorbant et le nuage électronique de l’adsorbat).
L’adsorption est un processus dynamique dans lequel les molécules adsorbables sont transférées du fluide à la surface du solide pendant que d’autres molécules sont relâchées dans le fluide. Quand les vitesses des deux processus « transfert fluide vers solide » et « transfert solide vers fluide » deviennent égales, un équilibre d’adsorption est obtenu.
L’équilibre d’adsorption est la courbe reliant la concentration à l’équilibre d’un adsorbat sur un adsorbant en fonction de la concentration dans le fluide de l’espèce adsorbable et de la température. Cette courbe dépend uniquement de la nature du fluide, de celle de l’adsorbant et des conditions de température et de pression.
Expérimentalement, l’équilibre d’adsorption peut être représenté par trois types de courbe : les isostères T = f(p)Na, les isobares Na = f(T)p et les isothermes Na = f(p)T) ou Na = f(p/ps)T avec T la température, p la pression, p)s la pression de vapeur saturante et Na la quantité adsorbée.
En résumé, l’adsorption physique a lieu car toutes les molécules exercent des forces attractives les unes sur les autres, spécialement celles situées à la surface d’un solide. Ces molécules cherchent à se fixer entre elles.
Ainsi, les molécules à piéger s’adsorbent parce que l’attraction exercée sur elles par la surface du solide est supérieure aux forces d’attraction mutuelle qui les maintiennent dissoutes en solution ou dispersées dans le gaz.
Ce phénomène entraîne la séparation d’une substance contenue dans un fluide accompagnée par son accumulation ou sa concentration à la surface d’un solide.
La technologie de séparation par adsorption est l’une des plus importantes méthodes de séparations parmi celles qui ne sont pas basées sur les équilibres liquide-vapeur. Les applications industrielles sont variées passant de la production de gaz industriels (azote, oxygène, hydrogène), la séparation des hydrocarbures (paraffines linéaires et ramifiées), le traitement de l’air et des eaux, le séchage…
La diffusion :
L’étude de la diffusion des molécules adsorbées à travers un adsorbant est importante car elle joue un rôle fondamental en catalyse et pour la séparation par adsorption sélective. La maîtrise des cinétiques d’adsorption est primordiale avec l’utilisation de cycles industriels d’adsorption-désorption de plus en plus rapides.
Le transfert de matière du fluide adsorbable vers les pores de l’adsorbant met en jeu un processus diffusif car il n’y a généralement pas de flux convectif dans les pores du matériau.
Le transport d’un fluide sur un lit d’adsorbant se déroule en quatre étapes selon la taille des pores :
* transfert de masse externe (résistance de surface) : les molécules doivent traverser les interstices du lit d’adsorbant (espace laissé libre par les particules) pour s’approcher de la surface des cristallites,
* transferts de masse internes macroporeux, diffusion intercristalline : les molécules se propagent de la surface de l’adsorbant vers le centre à travers les macropores et les espaces formés entre les microparticules,
* transferts de masse internes microporeux, diffusion intracristalline : les molécules sont transportées au sein du matériau, c’est-à -dire dans ses micropores, par un mécanisme de processus activé (saut des molécules adsorbées entre sites d’adsorption),
* cinétique d’adsorption intrinsèque : les molécules s’adsorbent en surface avec une vitesse finie.
Paramètres influant sur l’adsorption :
Plusieurs paramètres sont à prendre en compte pour favoriser le processus d’adsorption.
Il est important de rappeler que la capacité d’adsorption d’une molécule à éliminer est proportionnelle à la surface spécifique de l’adsorbant. De plus, il faut que le diamètre des pores soit supérieur à la taille de la molécule pour que celle-ci puisse diffuser rapidement et atteindre le site d’adsorption.
L’adsorption est fortement influencée par la structure du composé à piéger : surface, volume, groupements fonctionnels induisant des effets de polarisabilité, solubilité…
Un mélange de composés à traiter va impliquer une compétition d’adsorption (sélectivité) entre les différents constituants et réduire les capacités unitaires d’adsorption (adsorption d’un composé pur).
L’humidité de l’air joue un rôle dans le cas du traitement de gaz. En effet, il y a compétition entre l’eau et le composé à adsorber préférentiellement. Ainsi, une humidité importante lors du piégeage de traces de solvant sera néfaste tandis qu’une humidité relative forte en présence d’une concentration élevée (c > 10 g.Nm-3) de polluant n’aura aucun effet.
Les capacités d’adsorption diminuent quand la température augmente.
Dans le cas d’applications en phase liquide, le pH de la solution agit sur les performances d’adsorption.
