Caractérisation des adsorbants

Les kaolins sont caractérisés grâce à plusieurs techniques, comprenant l’analyse granulométrique, la composition chimique, le pH de point de charge nulle (pHpzc), la mesure de la surface spécifique par la méthode BET, la spectroscopie infrarouge à transformée de Fourrier IRTF, la diffraction des rayons X (DRX). La microscopie électronique à balayage (MEB) est aussi utilisée pour observer la morphologie et la structure de l’argile (Singh et Gilkes, 1992 ; Robertson et Eggleton, 1991). En fonction de ces techniques, il est possible d’avoir des informations sur la structure, la chimie et la morphologie.

II. 1. Analyse granulométrique

Les différentes granulométries des échantillons sont déterminées par l’utilisation d’un certain nombre de tamis de dimensions de mailles différentes type controlab. Après purification et broyage, le kaolin a été passé à travers une série de tamis (630µm ,500 µm, 315µm, 200µm, µm, 125 µm et 80µm). La granulométrie de nos particules est comprise entre 80 et 630µm.

II. 2. Composition chimique

L’étude de la composition chimique de notre kaolin a été réalisée par spectrométrie de fluorescence X. Cette technique est basée sur l’analyse du spectre émis par un échantillon excité par une source primaire de rayons X. Ce spectre dit de fluorescence est caractéristique des éléments atomiques qui composent l’échantillon. C’est une technique d’analyse élémentaire non-destructive de l’échantillon. Sa sensibilité peut atteindre le ppm (1 partie par million= 10-4 %). Cette méthode permet la détermination de la composition élémentaire de l’échantillon de manière qualitative et quantitative. Cette étude a été réalisée en utilisant un appareil de type ARL thermo scientific perform X.

II. 3.Le pH de point de charge nulle (pHpzc)

Le pHpzc ou pH du point de charge zéro ou nulle, correspond à la valeur de pH, pour laquelle, la charge nette de la surface des adsorbants est nulle. Ce paramètre est très important dans les phénomènes d'adsorption, surtout quand des forces électrostatiques sont impliquées dans les mécanismes. Une façon simple et rapide pour déterminer le pHpzc est d’utiliser la méthode de dérivé du pH (Jin et Row, 2005).

Pour cela on place 20 ml d’eau distillée dans des tubes en pyrex et on ajuste le pH de chacun (valeurs comprises entre 2 et 12) par addition d’une solution de NaOH ou d’HCl (0.1M). On ajoute ensuite dans chaque tube 0,1 g d’échantillon de matériau à caractériser. Les suspensions doivent être maintenues en agitation, à température ambiante, pendant 24 h et le pH final est alors déterminé. En portant sur un graphe ∆pH = f (pHi) où ∆pH = (pHf-pHi), l’intersection de la courbe avec l’axe des abscisses donne le point isoélectrique.

II. 4. La surface spécifique (BET) (Brunauer, Emmett et Taller)

Le modèle BET est appliqué pour déterminer la surface spécifique des solides répondants aux hypothèses suivantes :

- L’adsorption est localisée sur des sites définis.

- La molécule d’adsorbat est suffisamment petite pour bien recouvrir la surface du solide. - Les interactions entre les molécules adsorbées sont négligeables.

- A partir de la deuxième couche, l’énergie d’adsorption est constante et égale à la chaleur de liquéfaction.

La surface spécifique ou aire massique d’une poudre est la surface totale par unité de masse. Son application pour la détermination des aires spécifiques est devenue la méthode standard.

Le principe de cette méthode est fondé sur l’adsorption de gaz par les matériaux étudiés. Une masse déterminée de matière est soumise à un dégazage poussé par le vide. Avant chaque mesure, les échantillons ont été dégazés sous vide à 100°C pendant au minimum 22h sous balayage d’azote. L’échantillon est introduit minutieusement au fond d’une ampoule porte échantillon en verre munie d’un bouchon. Le chauffage est assuré à l’aide d’une poche thermique, fixée par une pince à l’embout de l’ampoule. L’étape de dégazage vise à désorber les espèces chimiques entre autre, les impuretés et les traces d’humidité présentes à la surface des particules. Lors de l’étape d’analyse, l’ampoule contenant l’échantillon dégazé est immergée dans un vase contenant de l’azote liquide à 77 K. Les isothermes d’adsorption-désorption des échantillons ont été réalisées dans un appareil Micromeritics ASAP2010 dont la cellule de mesure est traversée par un gaz (azote). Seule la surface spécifique externe accessible aux molécules de l’adsorbât est mesurée.

II. 5. Spectroscopie infrarouge à transformée de Fourrier TFIR

La spectroscopie est une technique importante utilisée pour l’identification des groupements fonctionnels caractéristiques de la surface de l’adsorbant (Kushwaha et al., 2014). Ces groupes sont souvent responsables des liaisons adsorbant-adsorbat. C’est l’une des méthodes spectrales, elle résulte du changement des états vibrationnel et rotationnel d’une liaison moléculaire fournit des informations précieuses sur les molécules d’eau absorbées et les groupements hydroxyles structuraux des minéraux argileux (Fina et Abbenhuis, 2006).

Cette analyse a été menée sur un appareil de spectroscopie infrarouge de type FTIR 8400S Shimadzu utilisant la technique de la pastille KBr sous haute pression. L’analyse a été faite sur une plage de longueur d’ondes allant de 400-4000 cm-1.

II. 6.Microscopie électronique à balayage (MEB)

Le microscope électronique à balayage occupe une position privilégiée dans la caractérisation microstructurale des matériaux. Il est utilisé principalement pour analyser la topographie de la surface d’un matériau étudié. Le microscope électronique à balayage (MEB) permet, à partir d’un bombardement d’électrons sur un matériau, d’obtenir des images numériques des morphologies des matériaux.

Le microscope utilisé est de marque JSM.6390LV et présente une résolution maximale de 100 nm. Le microscope est couplé à un détecteur de type EDXS (Energy Dispersive X-Rays Spectroscopy) qui permet une analyse quantitative locale de la composition. Les observations sont réalisées sous différentes tensions (de 10 à 25 kV), selon le type d’observation et la nature de l’échantillon. Les échantillons sont déposés sur des plots en aluminium.

II. 7. Diffraction des rayons X (DRX)

La diffraction des rayons X constitue aujourd’hui l’une des techniques les plus utiles et les plus répandues, elle est utilisée de façon préférentielle dans la caractérisation minéralogique d'un matériau argileux (Guinier, 1964) à l'échelle de la maille cristalline avant et après divers traitements physiques et chimiques. Cette technique d’analyse est fondée sur la diffraction des rayons X sur la matière. La loi de Bragg établit la condition essentielle à la diffraction :

(II.1)

Avec

λ _{: longueur d’onde du faisceau incident (λ=1,5418).} θ _{: angle entre le faisceau incident et les plans diffractants} d : distance réticulaire entre les plans diffractants

n : ordre de la diffraction

Dans cette équation, λ est la longueur d’onde de la source, d l’espacement entre deux plans parallèles successifs du réseau cristallin et θ l’angle entre le faisceau incident et le réseau de plans et n l’ordre de la diffraction.

L’analyse de diffraction des rayons X des phases préparées a été effectuée à l’aide d’un diffractomètre de rayons X à poudre, BRUKER D8 ADSVANCE. Cet appareil fonctionne sous une anticathode en cuivre sous une tension de 40 kV et une intensité de 40 mA. Les enregistrements sont sur un intervalle de valeurs d’angle 2θ variant de 5 à 90 degrés.