ZÉOLITES

Échangeurs de cations

Chaque fois qu'un ion Si⁴⁺ est substitué dans le réseau zéolitique par un ion A1³⁺, une charge négative est créée qui doit être compensée par des cations échangeables. Le nombre d'ions échangeables détermine la capacité d'échange de cations (C.E.C.). Les zéolites, les plus riches en aluminium dans le réseau, ont une C.E.C. plus élevée.

Toutes les applications comme échangeur cationique sont basées sur un phénomène de sélectivité : chaque zéolite est capable de fixer certains éléments chimiques dans ses pores ou cages. Les lieux de fixation sont dénommés sites cationiques. La zéolite est même capable de retirer certains cations de leurs solutions aqueuses très diluées et de les fixer d'une façon irréversible. Les applications des zéolites basées sur leurs propriétés d'échangeur cationique sont présentées dans le tableau.

Tamis moléculaires ou adsorbants

Les propriétés adsorbantes particulières des zéolites sont déterminées par : la sélectivité dimensionnelle, la capacité et l'énergie d'adsorption, l'hydrophobicité.

L'espace vide dans une zéolite est constitué par les dimensions de ses pores et cages qui conduisent à la sélectivité dimensionnelle. Vis-à-vis des molécules, le réseau zéolitique fonctionne comme un tamis ordinaire à l'égard d'une poudre solide, d'où le nom générique de tamis moléculaire donné aux zéolites utilisées comme adsorbants. Le diamètre des pores, et des cages communiquant entre elles par des fenêtres, est fixé pour une structure donnée ; mais il peut encore être modifié par la taille et le nombre des cations présents. Une zéolite A, échangée aux ions K⁺, Na⁺ ou Ca²⁺, a comme diamètre des fenêtres : 0,3, 0,4 et 0,5 nanomètre respectivement. Les propriétés de quelques zéolites, relatives à leur utilisation comme tamis moléculaire, sont fournies dans le tableau.

La capacité d'adsorption est déterminée par la densité du matériau ; celle-ci est d'autant plus faible que la microporosité de la zéolite, et par conséquent sa capacité d'adsorption, est plus élevée.

L'énergie d'adsorption est la chaleur dégagée quand une molécule est fixée dans les pores zéolitiques. Celle-ci détermine la force de l'adsorption ; c'est une mesure de l'énergie nécessaire pour « désorber » l'adsorbat. En raison du caractère ionique des zéolites, l'énergie d'adsorption sur ces corps par rapport à celle du solide non ionique (comme le carbone) comportera une contribution supplémentaire due aux interactions dipolaires entre les cations et les molécules adsorbées.

Quant à l'hydrophobicité enfin, il est connu que les zéolites riches en silicium, et donc avec une C.E.C. très faible, se comportent comme des solides hydrophobes ; elles vont donc rejeter des molécules d'eau de leurs pores. Ces solides (comme la silicalite) sont utilisés pour épurer des eaux contaminées par des molécules organiques.

À titre d'adsorbants, les zéolites ont des applications très importantes.

Le séchage des fluides est une des applications les plus répandues. Les tamis moléculaires (surtout la zéolite A) fixent énergiquement l'eau jusqu'à saturation. Les colonnes de tamis sont régénérables par simple chauffage jusqu'à 300 ⁰C. Les applications spécifiques sont le séchage de liquides frigorifiques, d'huiles, ou de liquides diélectriques pour transformateurs ; le séchage d'oléfines légers destinés à la polymérisation ou d'hydrogène pour des réactions chimiques ou bien métallurgiques ; le séchage des gaz caloporteurs des piles nucléaires.

La séparation d'hydrocarbures[...]