Figure

Objet

Détermination expérimentale des paramètres thermodynamiques et cinétiques des processus d'adsorption par modification du volume de la chambre d'expérience.

Description

Un appareil a été mis au point (Fig.1) selon le principe suivant: la chambre contenant l'échantillon d'adsorbant et l'adsorbat est munie d'un soufflet qui permet d'en faire varier le volume. Le système est mis hors équilibre soit par compression rapide du soufflet (méthode de l'Echelon de Volume) soit en imprimant à celui-ci un mouvement périodique (méthode de Réponse en Fréquence). La mesure de la température de l'échantillon par détection infrarouge et celle de la pression permettent d'accéder à tous les paramètres thermodynamiques et cinétiques du système.

Résultats et perspectives

Pour déterminer les paramètres thermodynamiques d'un système adsorbant- adsorbat, on utilise la méthode de l'échelon. Une méthode systématique a été mise au point qui permet de déterminer la chaleur de sorption, la capacité thermique, le coefficient de transfert thermique avec la paroi, les dérivées locales de la fonction d'état et la cinétique globale de transfert de masse. Cette méthode a été utilisée pour étudier l'influence de traces d'eau sur la chaleur de sorption, la capacité d'adsorption et la cinétique de différents systèmes dans le cadre d'un contrat. Ce contrat a permis le financement de la thèse d'Anne Malka-Edery sur l'influence de l'eau sur la cinétique d'adsorption. La figure 2 montre les réponses obtenues avec SF₆ sur la zéolite NaX anhydre et avec 2% d'eau. On a ainsi pu montrer que la capacité d'adsorption est très sensible à la présence d'eau mais qu'au contraire la chaleur de sorption reste pratiquement inchangée. De plus il est possible d'étudier la coadsorption d'un mélange de 2 gaz si leurs chaleurs de sorption sont connues. On peut ainsi montrer qu'à partir d'un mélange équimolaire SF₆- CO₂ à 400 Pa, la variation de masse adsorbée est due presque uniquement à SF₆ (Fig. 3). Pour étudier en détail la cinétique d'adsorption on utilise la méthode de Réponse en Fréquence. Elle consiste à mesurer l'amplitude et la phase de la pression et de la température en fonction de la fréquence de modulation du volume. Cette méthode permet d'accéder avec une bonne précision à des cinétiques très rapides [1]. Elle permet de distinguer le transfert par diffusion fickienne du transfert par barrière de surface (Fig. 4) et de distinguer dans la plupart des cas la diffusion macroporeuse de la diffusion microporeuse (Fig. 5). Le dispositif expérimental a été automatisé et un traitement des données a été mis au point qui permet la mesure de la réponse pour 6 fréquences simultanément et l'acquisition d'un spectre (entre 0.01 et 28 Hz) en une quinzaine de minutes. Les mesures actuelles portent sur les systèmes zéolite NaX-alcanes en présence de faibles quantités d'eau. La figure 6 montre les fonctions caractéristiques obtenues avec le n-butane à 95 Pa : le ralentissement de la cinétique en présence d'eau y est clairement visible.

La méthode de réponse en fréquence peut être étendue à l'adsorption d'un mélange de 2 gaz si l'on connait les pressions partielles des constituants. Ces pressions partielles peuvent être déduites de la pression totale et de l'indice du milieu gazeux. Actuellement nous développons une méthode optique de mesure de cet indice. Des résultats préliminaires permettent d'espérer une excellente précision sur la cinétique de coadsorption.

Référence

[1] V. Bourdin, Ph. Grenier, F. Meunier et L.M. Sun : <<Thermal Frequency Response Method for the Study of Mass -Transfer Kinetics in Adsorbents>>, AIChE J. 42, 3, (1996).

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