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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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Adsorption is a separation technique: molecules from a gas or a solution are attracted to the surface of a porous solid. It is a surface phenomenon involving physical and chemical interactions. The molecule retention mostly occurs at the internal surface of the adsorbent. This technique is usually used for the separation and purification of gases and solutions in a variety of fields, including petrochemistry, agrifood, water treatment, air pollution control … This article aims to present theoretical basis of adsorption for Process Engineering: current adsorbents, occurring equilibrium, transfer mechanisms and dynamic behaviors of a fixed bed adsorbent.
Auteur(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
-
Nicolas BRODU : Maître de Conférences, Université de Rouen-Normandie/INSA-Rouen, Laboratoire de Sécurité des Procédés Chimiques (LSPC), Saint-Étienne-du-Rouvray, France
-
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 :
-
la production des gaz industriels (oxygène, azote, hydrogène) ;
-
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...) ;
-
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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MOTS-CLÉS
KEYWORDS
adsorbent | breakthrough curve | isotherm | modelling
VERSIONS
- Version archivée 1 de mars 2003 par Lian-Ming SUN, Francis MEUNIER
DOI (Digital Object Identifier)
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Dynamique d’adsorption dans un adsorbeur
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3. Transferts dans les adsorbants
Les impacts des cinétiques d’adsorption sur les performances des procédés d’adsorption sont généralement moins importants que ceux des propriétés thermodynamiques (sauf dans le cas des procédés basés sur des sélectivités cinétiques). Il reste cependant nécessaire de bien connaître les cinétiques d’adsorption quand on cherche à avoir des prévisions quantitativement correctes des performances des procédés. Notons par ailleurs que la maîtrise des cinétiques d’adsorption devient de plus en plus importante avec l’utilisation de cycles de plus en plus rapides des procédés d’adsorption industriels.
Les cinétiques d’adsorption des grains d’adsorbant peuvent être mesurées par des techniques microscopiques, telles que les méthodes basées sur la RMN (résonance magnétique nucléaire) et sur la diffusion de neutron, et des techniques macroscopiques basées sur le calage des réponses dynamiques des systèmes d’adsorption soumis à des variations de pression/concentration/température . Dans les deux cas, les mesures fiables des cinétiques et leurs interprétations ne sont pas souvent évidentes en raison des difficultés expérimentales et de la complexité des phénomènes physiques.
3.1 Mécanismes de transfert
Du point de vue cinétique, les adsorbants peuvent être divisés en deux catégories :
-
les adsorbants homogènes dont la structure poreuse s’étale sur toute l’échelle d’un grain ;
-
les adsorbants hétérogènes à double porosité issus de l’agglomération des cristaux ou des microparticules.
Les gels de silice, les alumines activées et la plupart des charbons actifs font partie de la première catégorie alors que les zéolites, les tamis moléculaires carbonés font partie de la deuxième catégorie.
D’une manière générale, la cinétique d’adsorption globale dans les adsorbants agglomérés...
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Transferts dans les adsorbants
BIBLIOGRAPHIE
-
(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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