Synthèse de la zéolite LTA à partir de matière première naturelle : le kaolin

Milton (1953) a synthétisé des zéolites dans des conditions hydrothermales, à faible températures en utilisant des composants très réactifs. Les méthodes standards de synthèse et de préparation des tamis moléculaires, tels que les types A et X, utilisent couramment des réactifs commerciaux purs, y compris les solutions de silicate de sodium et d'aluminate de sodium en milieu alcalin. Bien que les processus soient satisfaisants d’un point de vue technique, une méthode plus économique est souhaitable [8].

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Les procédés utilisant des matières réactives moins coûteuses gagnent donc en intérêt. La recherche de matériaux de départ rentables, respectueux de l'environnement et durables nécessaires à la production de zéolite conduit à l'étude sur la modification des minéraux de kaolinite pour la production de zéolite [9]. À part les argiles de type kaolin, plusieurs argiles naturelles minérales du type smectite, c'est-à-dire la montmorillonite ou la bentonite, ont reçu une attention pour la synthèse de zéolites[8].

4.4.1. Définition du kaolin

Les kaolins sont des roches composées en grande partie de la kaolinite, l’halloysite, la dickite et la nacrite, le minéral le plus commun des kaolins est la kaolinite [1] La kaolinite est un minéral argileux de formule chimique Al2O3 2SiO2 2H2O qui a une structure de couche dioctaédrique 1: 1 non chargée où chaque couche est constituée d'une seule feuille tétraédrique de silice et d'une seule feuille octaédrique d'alumine (figure 4-3) [3].

4.4.2. Synthèse de la zéolite à partir du kaolin

Les premiers travaux de Barrer [10] fournissent l'essence de l'utilisation de la kaolinite comme matière première pour la production de zéolite. Depuis lors, des recherches très appréciées ont été menées sur la transformation du kaolin en zéolite. Fondamentalement, il y a deux étapes pour la production de zéolite à partir de kaolinite :

a- Métakaolinisation : elle implique l'activation thermique de l'argile dans la plage

de températures de 500–900 °C par laquelle la déshydroxylation a lieu donnant un produit amorphe plus réactif (métakaolinite). Cependant, les températures de calcination les plus basses et les plus élevées sont cruciales pour la formation de zéolite A [9].

b- Zéolisation (cristallisation) : traitement du métakaolin avec une solution alcaline

aqueuse pour former de la zéolite.

Le kaolin est commodément utilisé comme matériau de départ pour la synthèse de la zéolite LTA depuis son rapport Si / Al est proche de l'unité et convient parfaitement à celle de la zéolite LTA [9].

4.4.3. Zéolite LTA (Linde type A zéolite)

4.4.3.1.

La zéolite LTA ou 4A est un aluminosilicate de sodium synthétique. C'est une zéolite à faible teneur en silice représentée par la formule : Na12 [(AlO2) 12 (SiO2) 12] 27H2O. La structure cristalline est cubique avec un paramètre de réseau de 12,32 A°. La zéolite A est

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caractérisée par un réseau de trois dimensions constitué de cavités sphériques de 11,4 A° séparés par des ouvertures circulaires de 4,2 Å de diamètre [11] (voir figure 4-3).

Figure 4 - 3 : Représentation schématique de la structure de la zéolite LTA et du kaolin.[3]

La zéolite LTA a une capacité d'échange de cations que chaque alumine tétraédrique dans la structure, introduit une charge négative qui doit être compensée par un cation. Cette propriété confère à la zéolite A des propriétés d’adoucisseur d'eau.

4.4.3.2.

Les zéolites possèdent des charges négatives permanentes dans leurs structures cristallines, ce qui en fait des échangeurs de cations appropriés. Cette charge négative convient également pour la modification de la surface des zéolites à l’aide de grands agents de surface cationiques comme bromure d'hexadécyl triméthyl ammonium (CTAB) [12]. les zéolites échangées avec divers surfactants cationiques se sont révélées être des adsorbants efficaces pour divers composés organiques [12].

Les cations d’équilibrage de charge présentent sur la surface de la zéolithe peuvent être remplacés par des amines quaternaires de poids moléculaires élevés (surfactant cationique). La modification de la surface d’une zéolite par ces molécules organiques implique à la fois un échange ionique et une liaison hydrophobe.[12]

Sullivan et al. [13] ont étudié la sorption du cétyltriméthylammonium (CTAB) sur la surface d’une zéolite et ont observé qu’à de faibles concentrations, l’agent tensioactif était retenu par échange ionique et formait une monocouche. Si la concentration de l’agent de surface dans la solution dépasse la capacité extérieure d’échange de cations (ECEC), les queues hydrophobes des molécules de surfactant subissent des interactions hydrophobes (queue-queue), formant une double couche (figure 4-4). Cette double couche entraîne un renversement de charge sur la surface extérieure de la zéolite, fournissant des sites où les

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anions seront retenus et les cations repoussés, tandis que les espèces neutres peuvent se répartir dans les noyaux hydrophobes.

Li et Bowman ont montré que le CTAB n’est adsorbé que sur les surfaces extérieures de la zéolite, du kaolin et de l’illite et que les doubles couches de CTAB ne diffèrent que par leurs densités à la surface modifiée, en raison des différentes densités de charge superficielle des minéraux examinés [14]. Ce qui implique qu’on peut obtenir une configuration de surfactant désirée à la surface en contrôlant la concentration initiale et finale de surfactant [15].

Figure 4 - 4 : Representation schématique de l’intéraction CTAB-zéolite pour une concentration

de surfactant inférieure est supérieure à la capacité d’echange de cation extérieur de la zéolite (ECEC).

Dans ce chapitre, une zéolite de type LTA est synthétisée par voie hydrothermale à partir d’un kaolin naturel local (kaolin Djbel Debagh) ; la morphologie de la matière première (kaolin) et de la zéolite préparée est caractérisée par différents techniques. La zéolite synthétisée (zéolite LTA est modifiée par un excès de surfactant cationique (le CTAB), caractérisé puis incorporé dans une pâte de carbone avec des proportions appropriées. L’électrode à pâte de carbone modifiée avec l’organo- zéolite est caractérisée électrochimiquement pour étudier l’effet des modifications sur la surface active de l’électrode, ainsi, sur la vitesse d’échange d’électrons. Le but de toutes ces modifications est d’étudier la possibilité d’utiliser cette électrode pour la détection d’une molécule organique le phénol (chapitre v).

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