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Chapitre 3 : Résultats et discussions

II. Etude des sites d’adsorption du CO 2

L’étude de la désorption programmée en température du dioxyde de carbone (DPT- CO2) permet de quantifier les quantités adsorbées à basse température (domaine de la

physisorption) et à haute température (domaine de la chimisorption). De ces résultats, il nous sera possible de déterminer les proportions des divers sites basiques dans les adsorbants préparés. Les énergies de désorption pourront également être calculées.

Dans cette partie, seuls les résultats obtenus sur les zéolithes échangées avec les cations bivalents (Mg2+, Ca2+ et Ba2+), les trois mélanges mécaniques (MM-1%, MM-2% et MM-6%) et les zéolithes imprégnées seront présentés. Comme nous l’avons vu dans l’étude des chaleurs isostériques d’adsorption, ces adsorbants montrent une augmentation de la force des sites basiques, ce qui fait d’eux de bons candidats pour le piégeage du dioxyde de carbone.

2. 1.

Thermodésorption du dioxyde de carbone

La courbe obtenue sur la zéolithe de référence NaX à 2°C.min-1 est donnée figure 46 et représente les quantités désorbées en fonction du temps et de la température. Quels que soient les adsorbants, deux régions sont identifiables. Celles-ci sont relatives à la désorption du dioxyde de carbone physisorbé et chimisorbé [114,122].

Figure 46 : Profil de thermodésorption du dioxyde de carbone obtenu sur la zéolithe NaX de référence à 2°C.min-1.

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Les espècesphysisorbées sur la NaX sont localisées dans le domaine de temps compris entre 0 - 100 minutes, à basse température (-60 – 190°C). Les espèces chimisorbées sont observables en plus faible proportion entre 150 – 300 minutes, à haute température (350 – 600°C).

La figure 47 montre la courbe de thermodésorption du dioxyde de carbone dans la région des espèces physisorbées obtenue sur R-NaX. La déconvolution par fonctions gaussiennes ainsi que la position (Tm) du maximum de désorption sont représentées. Dans la

littérature, la région de physisorption est attribuée à l’adsorption du dioxyde de carbone de manière linéaire sur les sites cationiques [30,38].

Figure 47 : Profil de thermodésorption du dioxyde de carbone (région des espèces physisorbées) obtenu sur R-NaX à 2°C.min-1. La déconvolution du massif est réalisée à

l’aide de fonctions gaussiennes.

Dans cette région, quatre pics ont été identifiés sur la zéolithe R-NaX. Ces pics correspondent au minimum possible pour réduire l’erreur entre les points expérimentaux et théoriques. Cette déconvolution conduit à définir quatre types d’espèces adsorbées dont les interactions avec la structure zéolithique se font à différentes énergies (températures). Cependant, seuls les sites 3 et 4 (figure 47) vont nous intéresser car ils ont des températures au maximum de désorption (Tm) comprises entre 35 – 120°C. Un des objectifs est en effet d’augmenter les quantités de

CO2 adsorbées comprises entre 35 – 300°C.

La figure 48 montre les profils recalculés des courbes de thermodésorption obtenues sur la zéolithe R-NaX aux rampes de 2, 4, 6 et 10°C min-1. Un rétrécissement du massif dans le temps est visible quand la rampe de désorption augmente. Les quantités maximales désorbées sont alors plus importantes et les 4 espèces adsorbées plus difficilement décelables.

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Figure 48 : Profils recalculés de thermodésorption obtenus à basse température sur la zéolithe R-NaX à 2, 4, 6 et 10°C.min-1.

Les quantités désorbées totales calculées à partir des courbes à 2, 4, 6 et 10°C min-1 sur la zéolithe R-NaX sont sensiblement égales (2,874 mmol.g-1 en moyenne). L’énergie de désorption (Ed) associée au maximum du massif est de 13 kJ.mol-1.

A haute température, la désorption conduit au profil donné figure 49 à 4°C.min-1. Elle montre un pic de désorption maximale à 120 minutes, ce qui correspond à une température de 400°C environ.

Dans la littérature, des travaux de modélisation (méthode de Monte-Carlo) [123,124] et des expériences infrarouges en réflexion diffuse [125] laisse penser que deux types de site d’adsorption sont mis en jeu dans la zéolithe NaX. Aux premières étapes de l’adsorption, les molécules de dioxyde de carbone seraient préférentiellement en interaction avec le cation Na+ en site III’. Pour les remplissages plus importants, lorsque l’environnement des cations en site III’ serait totalement occupé, l’adsorbat occuperait des sites de plus basses énergies en interagissant avec les cations en site II.

Dans le domaine de haute température, les quantités désorbées totales à 2, 4, 6, et 10°C min-1 sur R-NaX sont similaires (0,229 mmol.g-1 en moyenne). L’énergie des sites au maximum de désorption à 400°C est d’environ 60 kJ.mol-1, ce qui est comparable aux chaleurs isostériques moyennes relevées sur R-NaX (≈ 50 kJ.mol-1).

Quelle que soit la rampe, les quantités adsorbées (à -60°C) et désorbées totales (jusqu’à 600°C) obtenues sur R-NaX sont respectivement 4,0 et 3,1 mmol.g-1. Les quantités adsorbées

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sont supérieures à celles désorbées, ce qui peut s’expliquer par l’élimination d’une partie du dioxyde de carbone lors du nettoyage de la cellule sous flux d’hélium ou par le fait que toutes les espèces n’ont pas été désorbées. D’après ces résultats, environ 77% du dioxyde de carbone a été désorbé à 600°C sur la zéolithe NaX.

Figure 49 : Courbe de thermodésorption du dioxyde de carbone (région des espèces chimisorbées) obtenue sur R-NaX à 4°C.min-1.

En définitive, la zéolithe NaX de référence montre de nombreux sites d’adsorption du CO2 de faibles énergies (13 kJ.mol-1) et quelques sites d’adsorption de fortes énergies (62

kJ.mol-1).

2. 1. 1.

Sur les zéolithes échangées par des cations bivalents

La figure 50 montre les profils de thermodésorption du dioxyde de carbone obtenus à 4°C min-1 sur la zéolithe de référence NaX et sur les zéolithes échangées. La zéolithe R-NaX est constituée d’un massif présentant un épaulement entre 40 – 45 minutes, ce qui correspond à une température comprise entre 100 – 120°C. Les courbes obtenues sur E-100%Ba et E- 96%Ca (figure 50) montrent des évolutions similaires à celle de R-NaX, avec un massif principal et des épaulements à 85 et 140°C respectivement. La température de l’épaulement pour E-96%Ca est supérieure à celle de R-NaX alors que l’inverse est observé pour E- 100%Ba.

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Figure 50 : Courbes de thermodésorption obtenues à 4°C.min-1 sur R-NaX et sur les zéolithes échangées par des cations bivalents dans la gamme de température -60 à

240°C.

En ce qui concerne l’échantillon E-84%Mg (figure 50), l’épaulement n’est quasiment pas visible. Toutefois, la déconvolution permet d’identifier quatre pics. La température de désorption associée à l’épaulement de E-84%Mg est similaire à celle de E-100%Ba (≈ 85°C).

Les proportions de dioxyde de carbone désorbées sur chaque pic du massif de R-NaX et des zéolithes échangées sont données figure 51. Les zéolithes échangées désorbent plus de

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 R-NaX E-84%Mg E-96%Ca E-100%Ba % d e d io x y d e d e ca rb o n e d és o rb é

Pic 1 Pic 2 Pic 3 Pic 4

Figure 51 : Pourcentage de CO2 désorbé correspondant à chaque fonction gaussienne

utilisée pour déconvoluer le massif obtenu à 4°C.min-1 sur R-NaX et sur les zéolithes échangées.

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CO2 sur les pics 3 comparé à R-NaX, en particulier sur E-84%Mg et E-96%Ca. Par

contre sur le pic 4, ces échantillons désorbent moins de CO2 que R-NaX. Une diminution des

espèces du pic 2 au profit de celles du pic 3 est aussi notée. Ceci dit, sur les zéolithes échangées, seules les quantités de dioxyde de carbone désorbant entre 35 - 60°C sont augmentées.

Le tableau 18 récapitule les résultats obtenus sur les quantités totales de CO2 adsorbées

et désorbées après exploitation des courbes à 2, 4, 6 et 10°C min-1 de la zéolithe NaX de référence et des zéolithes échangées.

Tableau 18 : Quantités totales de dioxyde de carbone adsorbées et désorbées obtenues après exploitation des courbes de thermodésorption à 2, 4, 6 et 10°C.min-1 de R-NaX et

des zéolithes échangées.

Adsorbants Quantités totales

adsorbées (mmol.g-1)

Quantités totales

désorbées (mmol.g-1)

Rapport des quantités désorbées / adsorbées (%) R-NaX 4,0 3,1 76,8 E-84%Mg 4,9 3,2 66,0 E-96%Ca 3,5 2,6 74,6 E-100%Ba 2,9 2,8 96,2

Les quantités de dioxyde de carbone adsorbées sur la zéolithe E-84%Mg sont supérieures aux autres zéolithes échangées et à la zéolithe R-NaX. Cependant, cette constatation doit être relativisée par l’observation du rapport entre quantité désorbée et adsorbées. Environ 77% des espèces sont désorbées sur la zéolithe de référence NaX. Le résidu est soit irréversiblement adsorbé (la température de 600°C n’étant pas suffisante pour la désorption) soit éliminé lors du balayage à l’hélium après saturation des échantillons.

Par contre, il est intéressant de constater que le pourcentage désorbé augmente avec la basicité du cation (tableau 18). Ceci doit être aussi rapproché de la perte de surface spécifique et de volume microporeux observé lors des analyses texturales. La quantité adsorbée totale diminue avec la réduction du volume poreux mais l’écart entre quantité adsorbée et désorbée se réduit également. Le dioxyde de carbone s’adsorbe donc toujours dans les zéolithes échangées et la partie la plus faiblement liée est éliminée lors du balayage à l’hélium.

En établissant le rapport des espèces chimisorbé sur les espèces physisorbées on remarque une augmentation des quantités de dioxyde de carbone chimisorbé sur les zéolithes échangées (tableau 18) en particulier pour l’échantillon E-96%Ca. Cette augmentation peut s’expliquer par le caractère basique du cation échangé (Mg2+ < Ca2+ < Ba2).

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La quantité de dioxyde de carbone physisorbé sur E-84%Mg est sensiblement égale à celle obtenue sur R-NaX (2,904 et 2,874 mmol.g-1 respectivement). Une diminution de ces quantités sur E-96%Ca et E-100%Ba (tableau 19) est aussi observée, ce qui peut s’expliquer par le fait que la densité cationique est diminuée dans la supercage lors des échanges cationiques avec des cations bivalents (2Na+ pour 1M2+) [31,45,85,87] et que la surface spécifique est diminuée.

Tableau 19 : Quantités totales désorbées de dioxyde de carbone physisorbé et chimisorbé obtenues après exploitation des courbes de thermodésorption à 2, 4, 6 et

10°C.min-1 de R-NaX et des zéolithes échangées.

Espèces désorbées (mmol.g-1)

Adsorbants

Physisorbées chimisorbées

Rapport des espèces chimisorbées / physisorbées (%) R-NaX 2,9 0,2 8,0 E-84%Mg 2,9 0,3 11,5 E-96%Ca 2,2 0,4 19,1 E-100%Ba 2,5 0,3 12,2

Les énergies de désorption des espèces physisorbées obtenues sur la zéolithe NaX de référence et sur les zéolithes échangées sont récapitulées dans le tableau 20. Les énergies obtenues sur les zéolithes échangées sont similaires entre elles (15 kJ.mol-1) et supérieures à celle de R-NaX (13 kJ.mol-1), ce qui indique une interaction adsorbat-adsorbant plus importante sûrement due au caractère basique du cation échangé.

Tableau 20 : Energies de désorption du dioxyde de carbone physisorbé après exploitation des courbes de thermodésorption à 2, 4, 6 et 10°C.min-1.

Énergies de désorption (Ed) de chaque pic

et du massif (kJ.mol-1) Adsorbants 1 2 3 4 Massif R-NaX 13,5 13,6 14,3 16,9 13,5 E-84%Mg 14,2 15,0 15,3 16,1 15,2 E-96%Ca 13,5 15,2 16,6 18,4 15,8 E-100%Ba 14,2 15,3 16,2 16,9 15,2

En conclusion, pour l’ensemble des zéolithes échangées, des sites de faibles énergies sont présents et ne semblent pas modifiés en force par la nature du cation échangé. Seules les proportions relatives sont modifiées (figure 51).

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La figure 52 montre les quantités de dioxyde de carbone désorbées en fonction du temps et de la température obtenues sur les zéolithes échangées à haute température (domaine de chimisorption du CO2). Les profils présentent de fortes différences avec celui de la zéolithe

NaX de référence.

Figure 52 : Courbes de thermodésorption du dioxyde de carbone (région des espèces chimisorbées) obtenues sur R-NaX et sur les zéolithes échangées à 4°C.min-1. Les zéolithes E-84%Mg et E-100%Ba montrent le même profil de désorption. Dans la gamme comprise entre 170 – 600°C, deux massifs sont clairement identifiables sur ces deux zéolithes : (i) un massif dont la température de désorption est inférieure à 400°C mais dont la position du maximum dépend de la nature du cation utilisé et (ii) un massif avec une température de désorption supérieure à 400°C.

Ce dernier indique la présence d’espèces plus fortement liées que sur la NaX de référence. Dans le cas de la zéolithe E-100%Ba, ceci peut être lié à la basicité du cation Ba2+ supérieure à celle de Na+. Toutefois, cette hypothèse ne permet pas d’expliquer les résultats de E-84%Mg puisque la basicité du cation Mg2+ est inférieure à celle de Na+. L’interprétation la plus probable repose donc sur la modification de l’environnement électronique des sites d’adsorption : des cations monovalents sont remplacés par des cations bivalents (Mg2+, Ca2+, Ba2+) ce qui induit une variation du nombre de site mais aussi une augmentation de la force de ceux-ci.

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Pour les pics de désorption observables à une température inférieure à 400°C, la température maximale de désorption semble liée en première approche à la basicité du cation compensateur : plus celui-ci est basique plus la température de désorption est élevée (figure 52). L’énergie associée à ces sites est inférieure à celle de la zéolithe de référence NaX (tableau 21). Il pourrait donc s’agir de sites d’adsorption secondaires. Toutefois, l’échantillon E-96%Ca ne semble pas suivre cette tendance puisqu’il présente uniquement un pic dont la température de désorption est supérieure à 400°C, voisine de celles obtenues sur E-84%Mg et sur E-100%Ba.

Tableau 21 : Energies de désorption du dioxyde de carbone après exploitation des courbes de thermodésorption à 2, 4, 6 et 10°C.min-1.

Energies de désorption (Ed) des

espèces chimisorbées (kJ.mol-1)

(I) 400°C (II) > 400°C Adsorbants R-NaX 62,34 - E-84%Mg 31,52 82,05 E-96%Ca - 81,06 E-100%Ba 35,27 80,82

Les énergies de désorption (≈ 80 kJ.mol-1) obtenues sur E-84%Mg, E-96%Ca et E-100%Ba, des massifs dont la température de désorption est supérieure à 400°C sont comparables.

D’après les résultats obtenus sur les zéolithes échangées, il apparaît que E-100%Ba pourrait être utilisée dans les procédés d’adsorption / désorption du dioxyde de carbone. Elle montre une proportion d’espèces chimisorbées moyenne (≈ 12%) mais également une quantité désorbée totale proche de 100% à 600°C.

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2. 1. 2.

Sur les mélanges mécaniques

La figure 53 montre les courbes de thermodésorption obtenues à 4°C.min-1 sur la zéolithe de référence NaX et sur les mélanges mécaniques (MM-1%, MM-2% et MM-6%) à basse température.

Figure 53 : Courbes de thermodésorption obtenues à 4°C.min-1 sur R-NaX et sur les mélanges mécaniques dans la gamme de température -60 à 200°C.

Les profils de désorption obtenus sur les échantillons MM-1%, MM-2% et MM-6% sont similaires à celui observé sur R-NaX. En effet, ces mélanges mécaniques affichent, comme R-NaX, un massif présentant des épaulements dont les températures sont aux alentours de 90°C (MM-1% et MM-6%) et 120°C (MM-2%). La température de l’épaulement pour MM-2% est supérieure à celle de R-NaX, ce qui n’est pas le cas pour MM-1% et MM- 6% (figure 53). Sur ces derniers, une diminution de l’épaulement est aussi observable.

La figure 54 montre les proportions de dioxyde de carbone désorbées pour chaque pic du massif R-NaX et des échantillons MM-1%, MM-2% et MM-6%. Ces pics ont été obtenus après déconvolution des profils à 4°C.min-1 des échantillons.

Page 100 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 R-NaX MM-1% MM-2% MM-6% % d e d io x y d e d e ca rb o n e d és o rb é

pic 1 pic 2 pic 3 pic 4

Figure 54 : Pourcentage de CO2 désorbé correspond à chaque fonction gaussienne

utilisée pour déconvoluer le massif obtenu à 4°C.min-1 sur R-NaX et sur les mélanges mécaniques.

Dans le cas des mélanges mécaniques, comme pour les zéolithes échangées, il y a plus de CO2

désorbé sur les pics 3 par rapport à R-NaX, en particulier pour MM-6% qui a environ 15% de dioxyde de carbone désorbé en plus que la zéolithe R-NaX (figure 54). En revanche sur les pics 4, seul le MM-2% montre une augmentation d’environ 8% de dioxyde de carbone désorbé en plus que la zéolithe de référence NaX.

Ainsi sur les mélanges mécaniques, les quantités de dioxyde de carbone ayant de températures de désorption comprises entre 35 – 60°C et également entre 120 – 220°C sur MM-2% augmentent. Les quantités de CO2 des pics 1 et 2 correspondant au CO2 faiblement

lié sont diminuées (figure 54).

Le tableau 22 récapitule les résultats obtenus sur les quantités totales de dioxyde de carbone adsorbées et désorbées après exploitation des courbes à 2, 4, 6 et 10°C min-1 de la zéolithe NaX de référence et des échantillons MM-1% , MM-2% et MM-6%.

Les quantités adsorbées et désorbées totales augmentent quand le pourcentage massique en oxyde de magnésium augmente. Par ailleurs, comme dans le cas des zéolithes échangées, les quantités adsorbées sont supérieures aux quantités désorbées totales, ce qui est sûrement due à l’élimination du dioxyde de carbone faiblement lié lors du nettoyage de la cellule à l’hélium.

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Tableau 22 : Résultats des quantités totales de dioxyde de carbone adsorbées et désorbées après exploitation des courbes de thermodésorption à 2, 4, 6 et 10°C.min-1 de

R-NaX et des mélanges mécaniques.

Adsorbants Quantités totales adsorbées (mmol.g-1) Quantités totales désorbées (mmol.g-1)

Rapport des quantités désorbées /adsorbées (%) R-NaX 4,0 3,1 76,8 MM-1% 4,6 3,6 77,3 MM-2% 5,1 3,6 71,2 MM-6% 5,0 4,0 78,2

Le pourcentage d’espèces désorbées est supérieur dès l’ajout d’oxyde dans les échantillons, hormis pour MM-2% qui ne semble pas suivre cette logique (tableau 22). De plus, ce dernier désorbe moins de dioxyde de carbone que R-NaX, ce qui signifie sûrement que sur le MM- 2% il y a plus de CO2 irréversibles que sur R-NaX et sur les deux autres mélanges

mécaniques.

Les quantités de dioxyde de carbone physisorbées (tableau 23) augmentent quand le pourcentage massique en oxyde augmente dans les mélanges mécaniques et sont supérieures à celles de R-NaX (2,874 mmol.g-1). Un effet de l’oxyde de magnésium sur les capacités d’adsorption des physisorbés dans ces échantillons est donc observable.

Tableau 23 : Quantités totales désorbées de dioxyde de carbone physisorbé et chimisorbé obtenues après exploitation des courbes de thermodésorption à 2, 4, 6 et

10°C.min-1 de R-NaX et des mélanges mécaniques.

Espèces désorbées (mmol.g-1)

Adsorbants

Physisorbées Chimisorbées

Rapport des espèces chimisorbées / physisorbées (%) R-NaX 2,9 0,2 8,0 MM-1% 3,0 0,2 6,7 MM-2% 3,4 0,2 6,6 MM-6% 3,7 0,3 8,3

Les quantités des chimisorbées adsorbées sur MM-6% (0,306 mmol.g-1) sont supérieures à celles des deux autres mélanges mécaniques ainsi qu’à celles obtenues sur R- NaX (tableau 23). Cependant, MM-1% et MM-2% affichent des quantités similaires (0,224 mmol.g-1) et qui sont quasi-identiques à celles de R-NaX (0,229 mmol.g-1). Le rapport des espèces chimisorbées sur les espèces physisorbées (tableau 22) ne montre aucune augmentation des quantités de dioxyde de carbone sur MM-1% et MM-2%, seul l’échantillon

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MM-6% présente une légère augmentation des chimisorbés. Il semble alors que l’influence de MgO dans les échantillons MM-1% et MM-2% ne soit visible que sur les quantités physisorbées.

Les énergies de désorption des espèces physisorbées obtenues sur la zéolithe de référence NaX et sur les échantillons MM-1%, MM-2% et MM-6% sont récapitulées dans le tableau 24.

Tableau 24 : Energies de désorption du dioxyde de carbone physisorbé après exploitation des courbes de thermodésorption à 2, 4, 6 et 10°C.min-1 de R-NaX et des

mélanges mécaniques.

Énergies de désorption (Ed) de chaque pic

et du massif (kJ.mol-1) Adsorbants 1 2 3 4 Massif R-NaX 13,5 13,6 14,3 16,9 13,5 MM-1% 14,7 15,5 16,3 17,7 16,2 MM-2% 14,8 15,3 16,8 19,5 16,6 MM-6% 14,7 16,4 17,1 17,7 17,1

Les énergies de désorption obtenues sur les mélanges mécaniques sont légèrement supérieures à celles de la zéolithe R-NaX. Ces énergies augmentent également quand le pourcentage massique en MgO augmente dans les adsorbants. Ceci indique, comme dans le cas des zéolithes échangées, une interaction adsorbat-adsorbant plus forte. Cette augmentation de l’énergie est sûrement liée à la basicité du cation Mg2+ ou à celle de la paire Mg2+ O2- (dans MgO) qui constitue également un site d’adsorption et dont la basicité est plus importante que celle du cation Na+. En revanche, la formation des carbonates est favorisée sur ce type de sites et donc, seule la distribution des sites ou les interactions des espèces physisorbées sont modifiées. Cette augmentation peut aussi être due à la modification légère de l’hétérogénéité de ces échantillons observable en microgravimétrie avec le modèle de Sips. Aussi, il est intéressant de noter que les énergies obtenues sur les mélanges mécaniques (tableau 24) sont comparables à l’enthalpie de liquéfaction du dioxyde de carbone (∆liqH(CO2) ≈ 17 kJ.mol-1).

Ceci signifie que dans nos conditions opératoires, les interactions du dioxyde de carbone désorbé seraient similaires à celles obtenues sous forme liquide ou vapeur.

En définitive, comme dans le cas des zéolithes échangées, les mélanges mécaniques présentent des sites de faibles énergies qui sont influencés par la présence de l’oxyde. En effet, les interactions CO2 / adsorbant augmentent quand le pourcentage massique en MgO

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La figure 55 montre les quantités de dioxyde de carbone désorbées en fonction du temps et de la température obtenues sur les adsorbants MM-1%, MM-2 et MM-6% à haute température (domaine de chimisorption du CO2).

Figure 55 : Courbes de thermodésorption du dioxyde de carbone (région des espèces chimisorbées) obtenues sur R-NaX et sur les mélanges mécaniques à 4°C.min-1.

Les profils obtenus sur les mélanges mécaniques sont similaires à celui de la zéolithe de référence NaX et présentent un massif clairement identifiable dont la température de désorption maximale est toutefois supérieure à celle de R-NaX (400°C). Une augmentation de cette température avec une augmentation du pourcentage massique en oxyde est aussi notée, ce qui indique la présence d’espèces plus fortement liées que sur R-NaX en particulier pour l’échantillon MM-6% (figure 55).

Les énergies de désorption obtenues sur les adsorbants MM-1%, MM-2% et MM-6% sont données tableau 25. Etant donné les températures de désorption mis en jeu, les énergies des espèces chimisorbées obtenues sur les mélanges mécaniques sont logiquement supérieures à celle de R-NaX. On peut également signaler que ces énergies sont comparables aux chaleurs

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