Principe
Porosimétrie au mercure

Les matériaux poreux ou pulvérulents sont présents dans la nature, les infrastructures, et les procédés industriels. Le sol, le béton, le plâtre sont des structures poreuses, tandis que des matériaux poreux, sous forme de sphères, d’extrudés, ou de membranes, sont utilisés pour la séparation des gaz, la purification des liquides, l’analyse par chromatographie ou la catalyse.

Dans tous ces domaines, où l’adsorption est souvent au cœur du procédé, il est important de quantifier à la fois l’étendue de la surface réactive, et la distribution de taille des pores et, si possible, d’avoir aussi une idée de l’organisation morphologique et topologique de la structure poreuse. En effet, l’efficacité d’un procédé dépend à la fois d’une thermodynamique favorable, et de conditions de transport faciles. Par exemple, l’affinité et la capacité d’adsorption sont favorisées par une grande aire spécifique, qui est généralement obtenue par une diminution de la taille des pores, alors que cette diminution est défavorable au transport.

L’optimisation des procédés passe donc par une connaissance approfondie de la texture des matériaux utilisés, en termes d’aire spécifique, de distribution de taille des pores, et d’organisation du réseau poreux. Dans ce contexte, les principales méthodes de caractérisation de la matière divisée sont fondées sur l’adsorption gazeuse, en général diazote ou argon à basse température. Ces méthodes permettent d’accéder à l’aire spécifique de la plupart des matériaux divisés, mais ne donnent accès à une distribution de taille de pore fiable que dans les domaines microporeux (< 2 nm) et mésoporeux (2-50 nm).

Il est clair que la plupart des sites actifs pour beaucoup de matériaux d’aire spécifique élevée se trouvent dans ce domaine micro-mesoporeux, mais l’utilisation de ces matériaux dans un procédé requiert une mise en forme (sphères, granulés, monolithes) dans laquelle des macropores (tailles supérieures à 50 nm) sont présents, et particulièrement importants pour les propriétés de transport. Il faut donc disposer de méthodes capables d’effectuer ce type de caractérisation : évaluer la taille des pores de l’échelle nano à l’échelle macro.

C’est le cas de la porosimétrie au mercure, objet de cet article, qui est fondée sur les phénomènes capillaires, telle l’adsorption d’azote, et qui permet d’analyser la taille des pores de quelques nanomètres à quelques centaines de micromètres. Le principe est simple : le mercure est un liquide non mouillant de la surface de la plupart des matériaux, et il faut donc exercer une pression sur celui-ci pour le faire entrer dans un pore. Cet article présente la relation simple entre la pression d’intrusion exercée sur le mercure et la taille du pore considéré : la mesure du volume d’intrusion du mercure en fonction de la pression exercée est directement une distribution de taille de pore cumulée. Cependant, comme toute méthode expérimentale, il y a un certain nombre d’hypothèses de calcul et de limitations techniques qu’il faut prendre en compte avec rigueur pour optimiser l’exploitation des données obtenues. C’est l’objet de cet article qui présente donc successivement :

• principes physiques (§ 1) ;

• méthode expérimentale (§ 2) ;

• interprétation des résultats (§ 3.1) ;

• calcul des paramètres texturaux et limites de la technique (§ 3.2, § 3.3, § 3.4, § 3.5) ;

• aspects sécurité (§ 5) ;

Les principaux symboles, unités utilisées et les différentes classifications suivent les conventions de l’IUPAC .