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Objet

La plupart des zéolites sont très avides d'eau et sont donc rarement anhydres dans les conditions rencontrées dans l'industrie. C'est pourquoi nous nous sommes intéressés à l'influence de faibles quantités d'eau sur les propriétés thermodynamiques et cinétiques de divers composés dans la zéolite NaX. C'est ainsi que nous avons étudié les alcanes de C₃ à C₆, les alcènes C₃ et C₄ ainsi le dioxyde de carbone.

Description

Pour étudier les propriétés d'adsorption, nous avons développé un appareil basé sur la variation du volume de la chambre d'expérience. Cette variation entraîne une variation de pression de l'adsorbat et une adsorption qui s'accompagne d'un changement de température de l'échantillon adsorbant mesurée par détection infrarouge.

Une première méthode consiste à diminuer brusquement le volume de la chambre. L'étude des réponses en pression et température permet de déterminer les paramètres thermodynamiques du couple adsorbant/adsorbat. C'est cette méthode qui a été utilisée pour étudier l'influence de l'eau sur la capacité d'adsorption et la chaleur de sorption des composés précités dans la zéolite NaX.

Une seconde méthode consiste à faire varier le volume expérimental à fréquence fixe, ce qui provoque une variation de la pression et de la température à la même fréquence. L'analyse de la fonction caractéristique, rapport de la réponse thermique sur la réponse en pression en fonction de la fréquence, fournit des indications très précises sur l'importance et la nature des résistances au transfert de masse de l'adsorbat dans l'adsorbant. C'est cette méthode que nous avons utilisée pour nos mesures de cinétique [1].

Résultats et perspectives

Les principaux résultats peuvent être résumés de la façon suivante : pour tous les couples étudiés, la capacité d'adsorption diminue en présence de l'eau, cette diminution est d'autant plus importante que la concentration d'adsorbat est plus faible (fig.1). A forte concentration, cette diminution ne semble due qu'à des effets stériques. Quant à la chaleur de sorption, elle diminue légèrement en présence d'eau, d'une quantité toujours inférieure à 10% (fig.2).

Les résultats sur la cinétique sont différents selon l'adsorbat considéré et sa concentration.

Pour les alcanes (molécules non polaires), la cinétique est toujours ralentie par la présence de l'eau. Pour les alcènes et le dioxyde de carbone (fig.3), la cinétique est accélérée ou inchangée aux faibles concentrations, et ralentie aux fortes concentrations (fig.4 et 5). Dans ces derniers cas, il y a compétition entre l'accélération due à la diminution des forces de liaison avec le réseau et le ralentissement dû à l'obstruction des fenêtres de la zéolite par les molécules d'eau.

De plus, pour le couple NaX - CO₂ à 2 mol/cage, nous avons pu montrer que l'énergie d'activation diminuait d'environ 30% sous l'influence de l'eau (fig.6).

Ce travail a fait l'objet de la thèse d'Anne Malka-Edery soutenue en novembre 1999 [2].

Références

[1] Ph. Grenier, A. Malka-Edery and V.Bourdin : " A Temperature Frequency Response Method for Adsorption Kinetics Measurements ", Adsorption, 5, (1999).
[2] A. Malka-Edery : " Etude de l'influence de traces d'eau sur l'adsorption et la diffusion d'alcanes, d'alcènes et du dixyde de carbone dans la zéolite NaX ", thèse Université Paris VI,(1999).

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