Qu’est-ce que les zéolithes ?
Les zéolithes sont des aluminosilicates cristallins. Leurs principaux composants sont le silicium, l’aluminium et l’oxygène, formant une structure cristalline poreuse. La plus petite unité de base des zéolithes est le tétraèdre SiO4, qui est assemblé en une structure tridimensionnelle. Une partie du silicium est remplacée par de l’aluminium, autour duquel se trouvent des cations pour réguler la charge.
En général, les zéolithes ont des capacités d’échange d’ions et d’adsorption qui découlent de leur structure cristalline unique. Cette propriété trouve des utilisations dans l’adsorption de gaz, l’échange de cations et la catalyse.
Utilisations des zéolithes
Les zéolithes possèdent une myriade de pores au niveau moléculaire qui, en fonction de leur structure, présentent diverses propriétés telles que l’adsorption, l’échange d’ions et la capacité catalytique.
Les zéolithes également appelées tamis moléculaires, peuvent tamiser des molécules en fonction de la taille de leurs pores. Cette propriété est utilisée pour éliminer l’eau et les impuretés des gaz et des solvants. Elles sont également utilisées comme conditionneurs de sol, agents de traitement de l’eau, adsorbants de dioxyde de carbone et d’azote et comme catalyseurs pour les produits pétrochimiques.
Principe des zéolithes
Les zéolithes sont des aluminosilicates cristallins poreux, constitués d’une combinaison de tétraèdres SiO4 et AlO4, les sites de substitution de l’aluminium étant chargés négativement, de sorte que des cations tels que le sodium et le potassium sont contenus dans la structure cristalline pour correspondre à la charge. Les zéolithes sont constituées de tétraèdres de SiO4 et de tétraèdres d’AlO4.
Les zéolithes présentent une grande variété de structures cristallines, qui sont une combinaison de tétraèdres SiO4 et AlO4. Plus de 240 structures différentes ont été trouvées à ce jour, chacune présentant des tailles de pores et des capacités d’adsorption très différentes.
Il existe trois grands types de zéolithes : les zéolithes naturelles, les zéolithes synthétiques et les zéolithes artificielles. Il existe de nombreux types de zéolithes naturelles, notamment la borite, la mordénite et la clinoptilolite. Beaucoup d’entre elles n’ont pas une structure cristalline uniforme et sont présentes avec le quartz et les carbonates. Les zéolithes synthétiques sont des zéolithes synthétisées artificiellement. Elles se caractérisent par des capacités d’adsorption et d’échange d’ions plus élevées que les zéolithes naturelles, mais leur synthèse est plus coûteuse. Les zéolithes artificielles sont des zéolithes qui ont été synthétisées sans le coût élevé des zéolithes synthétiques. Elles peuvent être synthétisées en faisant réagir des cendres de charbon avec de la soude caustique. En variant la formulation et les conditions, il est possible de synthétiser des zéolithes artificielles à haute fonctionnalité.
Traitement de l’eau avec les zéolithes
Les zéolithes ont été utilisées comme matériau pour les membranes de séparation. En transformant les zéolithes en membranes inorganiques appelées membranes d’osmose inverse, il est possible de déshydrater des solvants organiques, d’éliminer la vapeur d’eau des gaz et d’extraire le sel de l’eau de mer. Par exemple, la déshydratation des solvants organiques utilise la légère différence de poids moléculaire entre les molécules de solvants organiques et les molécules d’eau pour éliminer l’eau. Les solvants organiques hydrophiles tels que l’éthanol, l’alcool isopropylique, le butanol, l’acétate d’éthyle et l’acétone peuvent également être déshydratés.
L’utilisation des zéolithes pour le traitement de l’eau présente trois avantages.
Le premier est que, grâce à la taille uniforme de leurs pores, elles peuvent être séparées par tamisage moléculaire avec une grande précision. Les zéolithes sont appelées tamis moléculaires parce qu’elles ont de nombreux pores au niveau moléculaire et peuvent être tamisées au niveau moléculaire.
Deuxièmement, en raison de leur résistance à la chaleur et aux produits chimiques, elles peuvent être utilisées dans des conditions de température élevée et appliquées à un large éventail de substances. Elles peuvent notamment être utilisées pour les produits chimiques nocifs pour le corps humain, tels que ceux utilisés dans les usines chimiques et les usines de peinture.
Troisièmement, les zéolithes elles-mêmes sont disponibles dans une large gamme de types, chacun ayant des compositions et des tailles de pores différentes. Cela permet une plus grande liberté dans le processus de traitement, puisque le matériau peut être sélectionné en fonction de l’objet à traiter et de l’utilisation.
Les propriétés du traitement de l’eau varient en fonction de la composition des zéolithes. Par exemple, les zéolithes contiennent des niveaux élevés de silicium (Si) et d’aluminium (Al), mais lorsque le rapport Si/Al est faible, le matériau devient plus hydrophile et présente des propriétés d’adsorption d’eau élevées, ce qui le rend adapté à la déshydratation de solvants et d’autres substances. Inversement, lorsque le rapport Si/Al augmente, l’hydrophobie s’accroît et la résistance chimique aux acides et autres substances est élevée, ce qui permet de traiter des produits chimiques très acides.
Protection de l’environnement grâce aux zéolithes
Les zéolithes attirent l’attention pour leur utilisation dans l’agriculture et la protection de l’environnement en raison de leur capacité d’adsorption et d’échange d’ions.
Ils peuvent être utilisées dans les étangs, les marais et les sols pour adsorber les métaux lourds et les composants responsables de l’eutrophisation, protégeant ainsi l’environnement de l’eau et du sol. Les zéolithes sont également un très bon matériau pour désodoriser et décomposer les composants toxiques des gaz d’échappement des voitures, et pour maintenir un environnement normal dans l’air, l’eau et le sol.
De plus, les zéolithes sont également utilisées dans des utilisations agricoles et horticoles. Les zéolithes ont des pores réguliers qui permettent une bonne aération. En mélangeant de la terre avec des zéolithes, on obtient un sol suffisamment oxygéné pour les racines, ce qui améliore la croissance des plantes. Les zéolithes peuvent également adsorber diverses substances, de sorte qu’une partie des composants de l’engrais est conservée tandis qu’une quantité modérée est fournie aux plantes. Les zéolithes peuvent également purifier le sol en adsorbant les impuretés qu’il contient. Les minéraux dissous à partir des zéolithes peuvent également avoir pour effet d’être utilisés comme nutriments pour les plantes. Des exemples d’utilisations dans le secteur horticole sont les plantes en pot, les vases et la culture hydroponique.
Utilisations énergétiques et pétrochimiques
Les zéolithes sont l’un des matériaux catalytiques essentiels dans le secteur de la pétrochimie. Les zéolithes sont utilisées pour l’isomérisation, le craquage et l’aromatisation des hydrocarbures et pour la production de carburants tels que l’essence à partir du méthanol. Un exemple particulièrement représentatif est le craquage catalytique en lit fluidisé. Il s’agit d’une réaction de craquage des composants de l’amont du pétrole brut en molécules à plus faible teneur en carbone, une méthode qui permet de produire des composants à plus forte valeur ajoutée comme l’essence, et qui est aujourd’hui un élément essentiel de notre vie.
Ces dernières années, des membranes de séparation utilisant des zéolithes ont également été développées pour éliminer le dioxyde de carbone du biogaz, du gaz naturel et de la production d’électricité par gazéification du charbon à cycle combiné, etc., qui attirent l’attention en tant que sources d’énergie à faible impact sur l’environnement, ce qui rend les zéolithes très importantes dans les domaines de l’énergie et de l’environnement.