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UNIVERSITE MOHAMMED V L’ECOLE NORMALE SUPERIEURE DEPARTEMENT DE CHIMIE CHIMIE D

UNIVERSITE MOHAMMED V L’ECOLE NORMALE SUPERIEURE DEPARTEMENT DE CHIMIE CHIMIE DES MATERIAUX TRAVAUX PRATIQUE COMPTE RENDU Adsorption d'un colorant cationique des argiles en milieu aqueux 2019-2020 Elaboré par : BEN MOUSSA Taha BOUDOUMA Abderazzak EL ALAOUI Hajar Table des matières Objectif :.................................................................................................................................................2 Partie bibliographique............................................................................................................................2 Adsorption..........................................................................................................................................2 Définition........................................................................................................................................2 Principe de l’adsorption..................................................................................................................2 Types d’adsorption.........................................................................................................................2 Domaine d’application de l’adsorption..........................................................................................2 Isothermes d’adsorption................................................................................................................3 Modèle mathématique appliqués à l’adsorption...........................................................................3 Argiles.................................................................................................................................................5 Définition........................................................................................................................................5 Structure.........................................................................................................................................5 Propriétés.......................................................................................................................................5 Classification...................................................................................................................................6 La montmorillonite.........................................................................................................................6 Partie expérimentale..............................................................................................................................6 Matériels............................................................................................................................................6 Méthodes...........................................................................................................................................7 Résultats et discussion.......................................................................................................................7 Résultat d’étalonnage du bleu de méthylène :...............................................................................7 Isothermes d’adsorption................................................................................................................9 Interprétation des résultats :........................................................................................................12 Conclusion :......................................................................................................................................12 LISTE DES FIGURES...............................................................................................................................13 1 Objectif : Cette manipulation a pour but d’étudié l’adsorption du colorant bleu de méthylène puis calculé la surface spécifique, sur l’argile purifiée la montmorillonite. Partie bibliographique Adsorption Définition D’après IUPAC l’adsorption est l’augmentation de la concentration d'une substance à l'interface d'une couche condensée et d'une couche liquide ou gazeuse due au fonctionnement des forces de surface. Principe de l’adsorption L'adsorption est l'adhésion d'atomes, d'ions ou de molécules d'un gaz, d'un liquide ou d'un solide dissous à une surface. Ce processus crée un film de l'adsorbat à la surface de l'adsorbant. Ce processus diffère de l'absorption, dans laquelle un fluide (l'absorbant) est dissous par ou imprègne un liquide ou un solide (l'absorbant), respectivement. L'adsorption est un phénomène de surface, tandis que l'absorption concerne tout le volume du matériau. Le terme sorption englobe les deux processus, tandis que la désorption en est l'inverse. Semblable à la tension superficielle, l'adsorption est une conséquence de l'énergie de surface. Dans un matériau en vrac, toutes les exigences de liaison (qu'elles soient ioniques, covalentes ou métalliques) des atomes constitutifs du matériau sont remplies par d'autres atomes dans le matériau. Cependant, les atomes à la surface de l'adsorbant ne sont pas entièrement entourés par d'autres atomes d'adsorbant et peuvent donc attirer les adsorbats. Types d’adsorption  Adsorption physique: Ce type d'adsorption est également appelé physisorption. Elle est due aux faibles forces de Van der Waals entre l'adsorbat et l'adsorbant.  Adsorption chimique: Ce type d'adsorption est également appelé chimisorption. Elle est due à de fortes forces chimiques de type liaison entre l'adsorbat et l'adsorbant. Domaine d’application de l’adsorption  Chromatographie d'adsorption: Il est utilisé pour séparer les pigments et les hormones.  Méthode d'échange d'ions: Dans cette méthode d'élimination de la dureté de l'eau, les ions calcium et magnésium sont adsorbés à la surface de la résine échangeuse d'ions 2  En métallurgie: Dans le processus de flottation de la mousse de concentration de minerai, la particule est adsorbée sur la mousse.  Masques de pollution atmosphérique: Ceux-ci sont constitués de gel de silice ou de poudre de charbon actif, lorsque la poussière ou la fumée y est suspendue, ces particules sont adsorbées à la surface de ces matériaux.  Séparation des gaz nobles par le procédé au ballon de Dewar: Un mélange de gaz nobles de Ne, Ar, Kr est passé à travers le ballon de Dewar en présence de charbon de noix de coco chauffé. Les gels d'argon et de Krypton s'adsorbent en laissant le néon.  Purification de l'eau: Par l'ajout de pierre d'alun à l'eau, les impuretés sont adsorbées sur l'alun et l'eau est purifiée.  Élimination de l'humidité et de l'humidité: L'humidité de l'air est éliminée en plaçant du gel de silice sur lequel l'eau moléculaire est adsorbée. Isothermes d’adsorption L'adsorption des gaz et des solutés est généralement décrite par des isothermes, c'est-à-dire la quantité d'adsorbat sur l'adsorbant en fonction de sa pression (si gaz) ou de sa concentration (pour les solutés en phase liquide) à température constante. La quantité adsorbée est presque toujours normalisée par la masse de l'adsorbant pour permettre la comparaison de différents matériaux. À ce jour, 15 modèles isothermes différents ont été développés. Modèle mathématique appliqués à l’adsorption Pour interpréter le phénomène d’adsorption du bleu de méthylène sur l’argile étudiée, nous avons appliqué les modèles de Freundlich et Langmuir.  Modèle de Freundlich Le modèle de Freundlich est un modèle semi-empirique qui permet de modéliser des isothermes d’adsorption sur des surfaces hétérogènes (dont les sites d’adsorption ne sont pas tous équivalents).Ce modèle est uniquement utilisable dans le domaine des faibles concentrations car il n’a pas de limite supérieure pour les fortes concentrations, ce qui est contradictoire avec l’expérience. L’expression mathématique associée à ce modèle est donnée par l’équation : qe=KF×Ce 1 n kF = Constante de Freundlich (mg1-1/n .L1/n. g-1) qui donne une indication sur la capacité d’adsorption de l’adsorbant. n : coefficient de Freundlich qui caractérise l’affinité du soluté pour l’adsorbant 3 kF et n sont des constantes expérimentales qu’il faut déterminer pour chaque couple (adsorbant /adsorbat) à chaque température, elles sont obtenues par l’équation : ln (qe)=ln(K F )+ 1 n ×ln(Ce)  Modèle de Langmuir Le modèle de Langmuir, initialement développé pour l’adsorption en phase gazeuse, s’adapte très bien à la représentation d’isothermes de type I en phase gazeuse. Ce modèle est basé sur plusieurs hypothèses :  Les sites d’adsorption à la surface du solide sont tous énergiquement équivalents ;  chacun des sites ne peut fixer qu’une seule molécule ;  l’adsorption se fait en monocouche ;  Il n’y a pas d’interaction entre les molécules adsorbées. Dans ces conditions, les isothermes peuvent être modélisées par l’équation : qe=qmax× K LCe 1+K LCe qe : Quantité maximale de soluté nécessaire pour couvrir la surface d’une couche monomoléculaire (mg/g) qmax : Quantité maximale adsorbable (mg/g) kL : Constante de Langmuir (L.mg-1) Ce : Concentration de l’adsorbat en phase liquide à l’équilibre (mg.L-1) La linéarisation de l’équation nous donnera l’équation : 1 qe = 1 qmax + 1 Ce × 1 K Lqmax La représentation graphique de 1/qe en fonction de 1/Ce nous donnera une droite de pente 1/kLqmax et d’ordonnée à l’origine 1/qmax. La constante de Langmuir kL, qui dépend de la température, donne une indication sur l’affinité de l’adsorbat par rapport à l’adsorbant : plus elle est élevée, plus l’affinité est forte. 4 Argiles Définition L'argile est une roche naturelle ou un matériau de sol à grain fin qui combine un ou plusieurs minéraux argileux avec des traces possibles de quartz (SiO2), d' oxydes métalliques (Al2O3,MgO,etc.) et de matière organique. Les gisements d'argile géologique sont principalement composés de minéraux phyllosilicatés contenant des quantités variables d'eau piégées dans la structure minérale. Les argiles sont en plastique en raison de la taille et de la géométrie des particules ainsi que de la teneur en eau, et deviennent durs, cassants et non plastiques lors du séchage ou de la cuisson. Selon la teneur du sol dans lequel elle se trouve, l'argile peut apparaître dans différentes couleurs du blanc au gris terne ou du brun au rouge orangé foncé. Structure Les minéraux argileux sont des phyllosilicates comme le sont les cristaux de micas (biotite ou muscovite) qui se débitent en lamelles lorsqu'ils sont macroscopiques. Le feuillet élémentaire de chaque espèce peut être décrit par un agencement spécifique de deux types de couches déterminées par la géométrie des polyèdres et la coordinence des cations : la couche tétraédrique et la couche octaédrique. La couche est dite trioctaédrique si tous les sites octaédriques sont occupés par des cations divalents et dioctaédrique si seuls deux octaèdres sur trois sont occupés par des cations trivalents. Pour constituer le feuillet élémentaire du cristal, les couches octaédriques et tétraédriques partagent des ions oxygènes. Lorsque les feuillets présentent une charge électrique négative du fait de substitutions chimiques dans les couches tétraédriques et/ou octaédriques, la neutralité électrique de l'édifice est assurée par l'ajout d'une couche interfoliaire chargée positivement. Propriétés  Capacité d’échange ionique L’existence d’une capacité d’échange ionique dans les agiles est du soit : à la présence de substitution de Al3+ par Mg2+ dans la couche octaédrique. Ou aux phénomènes de bordure, par la concentration des déficits de charge du silicium et de l’oxygène en couche tétraédrique d’une part, de l’aluminium et de l’oxygène en couche octaédrique, d’autre part. Par hydrolyse des molécules d’eau avec l’apparition de groupe silanole (Si-OH) ou aluminol (Al-OH) qui en fonction de pH peuvent capter ou libérer des protons. La capacité d’échange cationique (C E C), correspond au nombre de cations monovalents qu’il est possible de substituer aux cations compensateurs pour compenser la charge négative de 100g d’argile. Elle s’exprime généralement en milli- équivalents pour cent gramme (meq /100g).  Surface spécifique La surface spécifique d’un matériau est la surface totale accessible aux molécules d’adsorbat par unité de masse d’adsorbant, elle comprend la surface externe et constituée par les parois des mésopores et des macropores ainsi que par la surface non poreuse. La surface interne correspond uniquement à la surface des parois des micropores. 5  Phénomène de gonflement L’espace interfoliaire des argiles est occupé par des cations qui compensent le déficit de charge des feuillets d’argile. Lorsque le matériau est hydraté, ces cations ont la capacité de s’entourer de molécules d’eau. Dans le cas de la montmorillonite, les forces d’attraction électrostatiques entre les feuillets (force de Van der Waals) n’étant pas suffisantes pour s’opposer à la pénétration de l’eau dans les espaces interfoliaires, uploads/S4/argile.pdf