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RÉSUMÉ
L’adsorption est une technique de séparation de molécules d’un gaz ou d’un liquide par attraction sur un solide poreux. C’est un phénomène de surface qui fait intervenir des interactions physiques et chimiques. La rétention des molécules a lieu essentiellement sur la surface interne de l’adsorbant. Cette technique est utilisée pour la séparation et la purification de molécules dans des domaines très variés : la pétrochimie, l’agroalimentaire, le traitement des effluents … Cet article présente les bases théoriques de l’adsorption pour le Génie des Procédés : les matériaux utilisés, les équilibres en jeu, les mécanismes de transferts et les comportements dynamiques d’un lit fixe d’adsorbant.
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Lire l’articleAuteur(s)
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Lian-Ming SUN : Directeur technique Ligne de Produits Standard Plants Air liquide Global E&C Solutions France SA, Champigny-sur-Marne, France
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Francis MEUNIER : Professeur émérite au Conservatoire national des arts et métiers - Directeur honoraire de l’IFFI (Institut Français du Froid Industriel), Paris, France
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Nicolas BRODU : Maître de Conférences, Université de Rouen-Normandie/INSA-Rouen, Laboratoire de Sécurité des Procédés Chimiques (LSPC), Saint-Étienne-du-Rouvray, France
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Marie-Hélène MANERO : Docteur-ingénieur - Professeur des Universités IUT A – Université Paul Sabatier Laboratoire de génie chimique, Université de Toulouse, CNRS, INPT, Toulouse, France
INTRODUCTION
La technologie de séparation par adsorption constitue une des technologies de séparation les plus importantes, en particulier parmi les technologies qui ne sont pas basées sur l’équilibre vapeur-liquide. Elle est largement utilisée pour la séparation et la purification des gaz et des liquides dans des domaines très variés, allant des industries pétrolières, pétrochimiques et chimiques, aux applications environnementales et pharmaceutiques. Les applications industrielles typiques sont :
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la production des gaz industriels (oxygène, azote, hydrogène) ;
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la séparation des hydrocarbures (paraffines linéaires et ramifiés, par exemple) ;
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les traitements de l’air, des eaux et des effluents pour l’élimination de polluants (pesticides, solvants chlorés, composés soufrés, odeurs, COV, métaux lourds…) ;
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le séchage, la production de médicaments, etc.
La séparation par adsorption est basée sur une adsorption sélective (soit thermodynamique, soit cinétique) des différents constituants gazeux ou liquides par des adsorbants grâce à des interactions spécifiques entre les surfaces des adsorbants et les molécules adsorbées. Une des caractéristiques essentielles de la technologie d’adsorption réside dans son fonctionnement transitoire et généralement cyclique puisque, après une phase d’adsorption, les adsorbants doivent être régénérés partiellement ou complètement pour une prochaine utilisation. Les performances de séparation dépendent, d’une manière non triviale, non seulement des propriétés thermodynamiques, mais également des propriétés cinétiques et hydrodynamiques.
Les différents aspects des procédés d’adsorption font l’objet de deux articles séparés. Dans le premier article sont présentées les considérations théoriques des procédés d’adsorption tels que les adsorbants, la modélisation des isothermes d’adsorption, les phénomènes de transfert dans les grains d’adsorbant et les comportements dynamiques d’un lit (fixe) d’adsorbant. Les aspects plus pratiques des procédés d’adsorption sont traités dans l’article [J 2 731].
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- Version archivée 1 de mars 2003 par Lian-Ming SUN, Francis MEUNIER
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Transferts dans les adsorbants
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2. Isothermes d’adsorption
Les capacités des adsorbants à adsorber les différents constituants d’un mélange constituent le facteur le plus déterminant pour les performances de la majorité des procédés d’adsorption. Il est par conséquent essentiel de bien connaître les propriétés d’équilibre adsorbat-adsorbant pour pouvoir concevoir et dimensionner correctement les procédés d’adsorption.
Les quantités adsorbées à l’équilibre pour un système adsorbat-adsorbant sont généralement caractérisées par des isothermes d’adsorption déterminées à une température donnée :
avec :
- ni :
- (mol · m–3) quantité adsorbée du constituant i généralement exprimée en nombre de moles ramenée à l’unité de volume d’adsorbant,
- pi :
- (Pa) pression partielle du constituant i,
- T :
- (K) température,
- ci :
- (mol · m–3) concentrations du constituant i dans la phase fluide.
Pour un système gaz-solide, on peut utiliser soit les concentrations, soit les pressions partielles tandis que pour un système liquide-solide, les concentrations sont utilisées.
Les isothermes d’adsorption sont souvent connues expérimentalement en utilisant des méthodes gravimétriques, volumétriques ou chromatographiques ...
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Isothermes d’adsorption
BIBLIOGRAPHIE
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(1) - MERLE (T.), PIC (J.S.), MANERO (M.H.), MATHE (S.), DEBELLEFONTAINE (H.) - Influence of activated carbons on the kinetics and mechanisms of aromatic molecules ozonation. - Catalysis Toda, 151, p. 166-172 (2010).
-
(2) - BRECK (D.W.) - Zeolite molecular sieves. - Wiley Interscience, New York (1974).
-
(3) - BRODU (N.), SOCHARD (S.), ANDRIANTSIFERANA (C.), PIC (J.-S.), MANERO (M.-H.) - Fixed-bed adsorption of toluene on high silica zeolites : experiments and mathematical modelling using LDF approximation and a multisite model. - Environmental Technology (2015).
-
(4) - WAN (Y.), ZHAO - On the controllable soft-templating approach to mesoporous silicates. - Chemical Reviews, 107(7), p. 2821-2860 (2007).
-
(5) - YAGHI (O.M.), O’KEEFFE (M.), OCKWIG (N.W.), CHAE (H.K.), EDDAOUDI (M.), KIM (J.) - Reticular synthesis and the design of new materials. - Nature, 423, p. 705-714 (2003).
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DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
1.1 Organismes – Fédérations – Associations (liste non exhaustive)
IUPAC International Union of Pure and Applied Chemistry
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