Table des matières
Introduction et signification des isothermes d'adsorption
Principe de l'analyse gravimétrique de sorption
La méthode gravimétrique pour déterminer les isothermes d’adsorption se distingue par sa précision, sa sensibilité et sa large gamme de mesures. La méthode est basée sur la mesure précise du changement de masse d’une zéolithe lorsqu’elle est mise en contact avec un adsorbant. Cette méthode permet d’enregistrer directement la cinétique de sorption et les données d’équilibre.
La zéolithe est activée avant la mesure, c’est-à-dire qu’elle est séchée thermiquement afin d’éliminer l’eau adsorbée ou les résidus et de mettre à disposition des sites de sorption « frais » (3). Ceci est essentiel, car c’est la seule façon d’obtenir une situation de départ reproductible pour la détermination des isothermes. L’échantillon est ensuite placé dans le dispositif de mesure sur une microbalance très sensible.
Au cœur de l’analyse gravimétrique de sorption se trouve la mesure continue du changement de masse de l’échantillon pendant l’exposition à des pressions partielles définies de l’adsorbant. L’échantillon est placé dans une microbalance de haute précision dans une chambre de mesure. Après avoir réglé une température donnée, la pression partielle de l’adsorbant est progressivement augmentée ou diminuée (4).
La modification de la masse de l’échantillon – due aux processus d’adsorption ou de désorption – est enregistrée en temps réel. Une fois l’équilibre atteint à chaque niveau de pression, la charge est déterminée. La combinaison d’une balance de précision avec une résolution typique de l’ordre du microgramme et d’un réglage contrôlé de l’atmosphère garantit des isothermes très précises, même pour de faibles charges ou de basses pressions. Pour la variation de température, l’échantillon est maintenu dans un four ou un thermostat, ce qui permet d’effectuer des mesures isothermes à différentes températures.
Processus de mesure et évaluation des données
Préparation de la température :
- Réglage et stabilisation de la température de mesure souhaitée.
- La température et l’humidité sont des facteurs critiques pour les zéolithes – même de faibles variations peuvent affecter les résultats de mesure.
Atmosphère de mesure :
- Augmentation progressive de la pression partielle ou de la concentration de l’adsorbant dans la cellule de mesure.
- Chaque étape est maintenue jusqu’à ce qu’un équilibre soit atteint (masse constante de l’échantillon).
Mesure de la masse :
- Enregistrement en continu de la variation de masse à l’aide d’une microbalance.
- L’augmentation de la masse correspond à l’adsorption – la quantité adsorbée est enregistrée pour chaque étape.
Évaluation de l'adsorption :
- Les valeurs individuelles donnent lieu à une isotherme d’adsorption (charge vs pression à température constante).
- Modèles d’évaluation typiques : équation de Freundlich, de Langmuir et de Dubinin-Astakhov.
- Particulièrement adaptée aux zéolithes : Équation de Dubinin-Astakhov (capture les propriétés des micropores et l’hétérogénéité énergétique).
Analyse des données :
- Analyse des données brutes basée sur un modèle.
- Détermination des paramètres caractéristiques :
- Capacité de sorption maximale
- Paramètres d’hétérogénéité
- Affinité de l’adsorbant avec l’adsorbé
Facteurs d'influence sur la précision :
- Stabilité des balances
- Homogénéité de l’échantillon
- Contrôle précis de la température et de la pression
Influence de la température sur l'adsorption
La température a une influence décisive sur la mesure et l’évolution des isothermes d’adsorption des zéolithes. Lorsque la température augmente, la charge d’équilibre de la zéolithe diminue typiquement à pression partielle constante. La raison en est que l’adsorption est un processus exothermique : des températures plus élevées favorisent la désorption, car il y a plus d’énergie thermique disponible pour surmonter les forces d’adsorption (5).
La charge maximale d’une zéolithe est directement et significativement influencée par la température : lorsque la température augmente, la quantité maximale d’adsorbant pouvant être absorbée par la zéolithe diminue généralement. À des températures plus basses, une plus grande quantité d’adsorbant est fixée, tandis qu’à des températures plus élevées, l’adsorption devient plus difficile et la désorption se produit davantage. Des expériences montrent par exemple que la charge en azote de la zéolite 13X est environ 30 % plus élevée à 0 °C qu’à 30 °C (5).
À basse température, les isothermes présentent souvent une pente plus raide et une charge de saturation plus élevée ; à haute température, elles sont généralement plus plates et atteignent des valeurs maximales plus faibles. A des températures suffisamment élevées, les isothermes peuvent devenir presque linéaires et la caractéristique de saturation typique s’atténue.
En comparant les isothermes d’un même matériau et d’un même adsorbant à différentes températures, il est possible de calculer les enthalpies d’adsorption isostériques, des indicateurs pertinents pour la conception technique et thermodynamique. Les mesures doivent toujours être effectuées à une température contrôlée et documentée avec précision, car des variations de température même modérées peuvent entraîner des écarts considérables dans les capacités d’adsorption déterminées.
Application pratique et études de cas
Une application typique est l’étude de l’absorption de vapeur d’eau d’une zéolithe à 25°C et à des pressions partielles croissantes. Les isothermes montrent une forte augmentation de la charge à des pressions partielles relativement faibles, ce qui est dû à la forte affinité des zéolithes pour les molécules polaires. La régénérabilité est testée en séchant à nouveau l’échantillon sous vide ou à température élevée, un aspect essentiel pour les applications de stockage thermique cyclique (3). Pour le CO2, la méthode gravimétrique peut être utilisée de manière analogue, les zéolithes permettant des chargements élevés même à des pressions modérées.
Les paramètres d’évaluation typiques comprennent la charge maximale et l’accessibilité dans la plage de pression de travail, les paramètres d’affinité et d’interaction tels que l’enthalpie de sorption, ainsi que la sélectivité vis-à-vis d’autres gaz ou composants. Des séries de mesures supplémentaires sont nécessaires pour déterminer la cinétique.
La littérature scientifique confirme le rôle central de l’analyse gravimétrique dans la caractérisation moderne des matériaux d’adsorption. La détermination gravimétrique des isothermes d’adsorption est une colonne vertébrale méthodologique pour le développement et l’évaluation ciblés des zéolithes dans le domaine du stockage de l’énergie. L’innovation en matière de procédés, associée à des systèmes de mesure de haute qualité, offre aux équipes de laboratoire, de recherche et de développement une qualité de données et une sécurité d’application maximales – essentielles pour progresser dans la gestion thermique durable et le stockage de l’énergie thermique.
Conclusion
L’analyse gravimétrique de sorption s’est imposée comme une méthode incontournable pour la caractérisation des zéolithes dans le stockage de la chaleur. Sa grande précision et sa reproductibilité permettent de déterminer des isothermes d’adsorption précises, qui servent de base à la sélection des matériaux et à l’optimisation des processus. Le contrôle précis de la température, en particulier, s’avère être un facteur critique, car même de faibles variations de température ont un impact considérable sur la capacité de stockage.
La méthode fournit non seulement des données quantitatives sur la capacité de sorption, mais aussi des informations précieuses sur les propriétés thermodynamiques des matériaux. Cela en fait un outil essentiel pour le développement de systèmes de stockage d’énergie efficaces et contribue de manière significative aux progrès de la technologie énergétique durable. Les systèmes de mesure modernes permettent d’effectuer des mesures automatisées et standardisées qui garantissent une qualité et une comparabilité maximales des résultats.
Répertoire des sources
(1) https://mediatum.ub.tum.de/doc/820976/820976.pdf – Études scientifiques des matériaux sur les adsorbants zéolitiques pour le stockage de la chaleur
(2) https://webdoc.sub.gwdg.de/ebook/diss/2003/tu-berlin/diss/2002/hauer_andreas.pdf – Évaluation des adsorbants solides dans les systèmes de sorption ouverts pour le stockage de la chaleur (Hauer, Diss. 2002)
(3) https://www.eso.org/sci/facilities/develop/detectors/optdet/docs/diploma_hose.pdf – Étude des charbons actifs et des zéolithes – isothermes d’adsorption gravimétriques (Hose, 2000)
(4) https://opendata.uni-halle.de/bitstream/1981185920/34866/1/ArifianYosefBenediktAwan_Untersuchung_zurSorption_von_Kohlendioxid_in_neuartigen_por%C3%B6sen_Materialien.pdf – Mémoire de Bachelor : Etude de la sorption du dioxyde de carbone dans de nouveaux matériaux poreux – Principe de mesure gravimétrique
(5) https://duepublico2.uni-due.de/servlets/MCRFileNodeServlet/duepublico_derivate_00074130/Diss_Schmittmann.pdf – Influence de la température sur la dynamique d’adsorption des alcanes à chaîne courte sur les zéolithes (Schmittmann, Diss. 2021)
