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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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1. Adsorption et adsorbants
1.1 Adsorption
L’adsorption est le processus au cours duquel des molécules d’un fluide (gaz ou liquide) viennent se fixer sur la surface d’un solide. La phase constituée des molécules adsorbées est appelée « soluté » ou « adsorbat » et le solide est nommé « adsorbant ». La surface du solide comprend les surfaces externes et internes engendrées par le réseau de pores et cavités à l’intérieur de l’adsorbant.
Il existe deux types de processus d’adsorption : l’adsorption physique ou physisorption et l’adsorption chimique ou chimisorption.
Dans le cas de l’adsorption physique, la fixation des molécules d’adsorbat sur la surface d’adsorbant se fait essentiellement grâce aux forces de Van der Waals et aux forces dues aux interactions électrostatiques de polarisation, dipôle et quadruple pour les adsorbants ayant une structure ionique. L’adsorption physique se produit sans modification de la structure moléculaire et est parfaitement réversible (c’est-à-dire que les molécules adsorbées peuvent être facilement désorbées en diminuant la pression ou en augmentant la température).
Dans le cas de l’adsorption chimique, le processus résulte d’une réaction chimique avec formation de liaisons chimiques entre les molécules d’adsorbat et la surface d’adsorbant. L’énergie de liaison est beaucoup plus forte que dans le cas de l’adsorption physique et le processus est beaucoup moins réversible et même parfois irréversible.
Dans la plupart des procédés d’adsorption industriels, l’adsorption physique est largement prépondérante par rapport à la chimisorption, par conséquent seule l’adsorption physique sera abordée dans cet article.
L’adsorption est un processus exothermique qui se produit donc avec un dégagement de chaleur, ce qui peut conduire à un échauffement du solide et à une réduction des quantités adsorbées. Les variations de température sont souvent importantes dans les procédés industriels d’adsorption et peuvent constituer un des principaux facteurs de la dégradation de performances. L’exothermicité d’un système d’adsorption est caractérisée par les chaleurs d’adsorption qui peuvent être mesurées par des techniques calorimétriques ou estimées...
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BIBLIOGRAPHIE
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(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).
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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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