Sciences et Technologies des Poudres

L'adsorption est un phénomène de surface par lequel des molécules de gaz ou de liquides se fixent sur les surfaces solides des adsorbants selon divers processus plus ou moins intenses : on distingue souvent la chimisorption et la physisorption. Le phénomène inverse par lequel les molécules se détachent est la désorption. De plus, l'adsorption est un phénomène spontané et se produit dès qu'une surface solide est mise en contact avec un gaz ou un liquide. On appelle généralement « adsorbat » la molécule qui s'adsorbe et « adsorbant » le solide sur lequel s'adsorbe la molécule.

Elle a été utilisé dès l'Antiquité où les propriétés adsorbantes des argiles ou du charbon étaient déjà connues, pour la purification d'huiles ou la désalinisation d'eau par exemple. Les premières mesures quantitatives de constituants adsorbés ont eu lieu dans les années 1770 tandis que les premières mesures de chaleur d'adsorption sont publiées quant à elles en 1854. Ce n'est que lorsque le lien va être établi entre une quantité adsorbée sur un solide et une pression environnante que le terme « adsorption » va être introduit par Kayser en 1881. On va alors aussi parler d' « isotherme d'adsorption » pour une série de points donnant la quantité adsorbée sur un solide en fonction de la pression, à température maintenue constante. Il faut attendre 1907 pour que la première relation décrivant une courbe d'adsorption soit proposée par Freundlich. Puis les études théoriques d'interprétation de données d'adsorption vont se succéder avec Zsigmondy (1911), Polanyi (1914), Langmuir (1916). Ce dernier a été le premier à introduire le concept d'une couche adsorbée monomoléculaire (concept qui est à la base de la détermination de surface développée par un solide) et son travail a été un tremplin pour la suite, notamment pour Brunauer-Emmett-Teller (1938) qui ont étendu sa théorie. Ces quelques lignes historiques sont inspirées de [Rouquerol, 98]^[1]. Les travaux plus récents sont aussi relativement dispersés et il devient difficile d'en donner une vue d'ensemble. Ils peuvent porter sur un type de solide adsorbant (zéolithes, charbons actifs), sur une taille de pore donnée (microporosité, soit pores de l'ordre du nanomètre) sur un type d'applications (séparations dans le domaine environnemental) ou sur des adsorbats complexes (mélanges de gaz).

Outre le fait que c'est un phénomène naturel, elle peut être exploitée à dessein. L'adsorption peut être le principe de base de procédés de séparation. On utilisera donc ici l'adsorption sélective (soit thermodynamique, soit cinétique) de différents constituants d'un mélange gazeux ou liquide par des adsorbants sous l'effet d'interactions spécifiques entre adsorbat et adsorbant. Deux objectifs principaux peuvent être poursuivis : le fractionnement d'un mélange comportant des fractions importantes de constituants adsorbables ou la purification d'un mélange contenant quelques constituants adsorbables en faible quantité (quelques pourcents).

Les procédés de séparations sont présentés par exemple dans [Sun et al., 05]^[2]. L'adsorption peut être utilisée aussi pour le piégeage de molécules de liquides ou de gaz. Le phénomène utilisé ici est alors simplement la capacité d'adsorption de l'adsorbant à retenir des adsorbats.

La conséquence de tout ceci est que les propriétés importantes pour un adsorbant sont la surface qu'il développe, généralement appelée surface spécifique, limitant sa capacité d'adsorption, et le caractère polaire de sa surface, déterminant les interactions spécifiques avec l'adsorbat. La surface développée par un solide est souvent (intentionnellement ou non) augmentée par la présence de pores à l'intérieur de ce solide, soit de vides s'ouvrant sur la surface extérieure. Ainsi, qui dit adsorption dit aussi bien souvent solides poreux. L'adsorption peut également être utilisée à des fins de caractérisation de la surface de l'adsorbant en termes de :

• surface développée : c'est alors la détermination de surface spécifique.

• de distribution de tailles et de tailles de pores.

• d'affinité pour un adsorbat donné.

• de chaleur d'adsorption ou de désorption d'un adsorbat pour un adsorbant.

• de détermination de la composante polaire et non polaire de la tension interfaciale adsorbat/adsorbant (technique de Chromatographie Gazeuse Inverse).

Cette rubrique est l'objet de ce qui suit. Cependant, l'adsorption est un thème très vaste : pour vous en convaincre, si besoin était, tapez donc le mot-clé « adsorption » sur votre moteur de recherche et vous verrez plus de 6 millions de réponses s'afficher. Nous allons donc restreindre dans ce qui suit notre propos de la façon suivante.

Tout d'abord notre but est de donner quelques bases minimales sur le phénomène d'adsorption physique uniquement, sur ce que l'on appelle une isotherme d'adsorption et comment on peut la déterminer, sur l'exploitation que l'on va en faire en termes de caractérisation. De plus, on ne traitera que du cas d'adsorbats sous forme gazeuse. On s'intéressera donc à la détermination d'isothermes de sorption (adsorption ou désorption) de gaz tels que l'azote, l'argon ou le krypton ou de vapeur d'eau ou encore de vapeurs organiques.

L'objectif est que le lecteur se familiarise avec le jargon de cette partie ci-dessus définie du domaine de l'adsorption, qu'il sache comment il peut déterminer une isotherme de sorption en vue d'une caractérisation d'une surface solide et qu'il dispose de quelques clés lui permettant d'interpréter les résultats qu'il aura obtenus. De plus, les références ayant servi à la création des ces pages sont données et sont autant de sources d'informations supplémentaires.