Zéolithe - Définition et Explications

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Introduction

Zéolithe : gonnardite
Natrolite ; zéolithe de formule Na[SiAlO] (Val de Fassa à Monzoni (Italie). Le caractère fibreux de certaines zéolithes les rend susceptible de produire des mésothéliomes (comme l'amiante) si elles sont inhalées en fines particules
Autre forme de natrolite (microcristaux)

Une zéolithe, ou zéolite est un minéral microporeux appartenant au groupe des silicates, sous groupe des tectosilicates dans lequel il forment une famille comprenant des aluminosilicates hydratés de métaux des groupes IA et IIA du tableau périodique des éléments (Le tableau périodique des éléments, également appelé table de Mendeleïev, classification périodique des éléments...), tels le calcium (Le calcium est un élément chimique, de symbole Ca et de numéro atomique 20.), le magnésium (Le magnésium est un élément chimique, de symbole Mg et de numéro atomique 12.) et le potassium (Le potassium est un élément chimique, de symbole K (latin : kalium, de l’arabe : القَلْيَه...).

Inventeur et étymologie

Décrite par le minéralogiste suédois Axel Frederik Cronstedt du latin zeolithus, du grec zeô ou zein : « bouillir » et lithos : « la pierre »)

Structure

Les zéolithes sont des polymères inorganiques cristallins structurellement complexes, basés sur une suite indéfinie tridimensionnelle de structures quadri-connectées de AlO et de SiO tétraédriques, liées entre elles par un échange d'ions oxygène (L’oxygène est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole O et de numéro atomique 8.) (oxyde). Chaque AlO tétraédrique présent dans la structure apporte une forte charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne lieu à un paiement...) négative qui est contre-balancée par un ou plusieurs cations, tels Ca2+, Mg2+ ou K+.

Composition chimique

La composition des différentes zéolithes est proche de celle des argiles. Leur formule chimique, très variable (En mathématiques et en logique, une variable est représentée par un symbole. Elle est utilisée pour marquer un rôle dans une formule, un prédicat ou un algorithme. En...), respecte le squelette (Le squelette est une charpente animale rigide servant de support pour les muscles. Il est à la base de l'evolution des vertébrés. Celui ci leur a fourni un avantage...) suivant : \mathrm{Na_{x_1}Ca_{x_2}Mg_{x_3}Ba_{x_4}K_{x_5}Al_{x_6}[Si_{x_7}O_{x_8}], x_9 H_{2}O},x1 à x9 sont des entiers positifs ou nuls.

Par exemple, la natrolite a pour formule Na2[Si3Al2O10],2H2O et l'heulandite (Ca,Na2)2[Si7Al2O18],6H2O.

Historique

La découverte des zéolithes

En 1756, le minéralogiste suédois Axel Frederik Cronstedt découvre la première zéolithe minérale, baptisée stilbite. Il reconnaît les zéolithes comme une nouvelle classe de minerais constitué d'alumino-silicates hydratés et de terres alcalines. Du fait de son caractère intumescent quand ce minéral est chauffé par une flamme de chalumeau, Cronstedt appelle ce minéral « zéolithe ». En 1840, Alexis Damour observe que les cristaux de zéolithes peuvent être déshydratés de façon réversible sans aucune modification apparente sur leur morphologie et leur transparence (Un matériau ou un objet est qualifié de transparent lorsqu'il se laisse traverser par la lumière. Cette notion dépend de la longueur d'onde de la lumière : ainsi, le verre est transparent dans le visible (on voit à travers), mais il...).

En 1845, Schafhautle rapporte la synthèse hydrothermale du quartz par chauffage (Le chauffage est l'action de transmettre de l'énergie thermique à un objet, un matériau.) d'un gel de silice (La silice est constituée de dioxyde de silicium, un composé chimique qui entre dans la composition de nombreux minéraux ; sa formule est SiO2.) avec de l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) dans un autoclave. En 1850, Way et Thompson clarifient la nature de l'échange d'ions dans les terres. En 1858, Eichhorn démontre la réversibilité de l'échange d'ions dans les zéolithes. En 1862, S. C. Deville rapporte la première synthèse hydrothermale d'une zéolithe, la levynite.

En 1896, après avoir observé que des liquides variés tels que l'alcool, le benzène (Le benzène est un hydrocarbure aromatique monocyclique, de formule C6H6, également noté Ph-H, φ-H ou encore Ar-H. Ce composé organique incolore (il a d'ailleurs le même indice...) et le chloroforme (Le chloroforme ou trichlorométhane est un composé chimique organochloré de formule brute : CHCl3.) ont été occlus dans les zéolithes, Friedel développe l'idée que la structure des zéolithes déshydratées est constituée d'une matrice spongieuse ouverte.

En 1909, Grandjean observe que la chabazite déshydratée adsorbe l'ammoniaque, l'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et incolore. Du fait de la diminution de la pression de l'air...), l'hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.) et d'autres molécules. En 1925, Weigel et Steinhoff rapportent le premier effet de « tamis moléculaire » et notent que les cristaux de chabazite déshydratées adsorbent rapidement l'eau, l'alcool méthylique, l'alcool éthylique et l'acide (Un acide est un composé chimique généralement défini par ses réactions avec un autre type de composé chimique complémentaire, les bases.) formique mais ni l'acétone (L'acétone en chimie, (nom officiel IUPAC propanone, aussi connue sous les noms de diméthylcétone, 2-propanone, propan-2-one et béta-cétopropane), de formule chimique CH3COCH3 est le composé...), ni l'éther ni le benzène.

En 1927, Leonard décrit le premier usage (L’usage est l'action de se servir de quelque chose.) des rayons X pour l'identification dans la synthèse minérale. Les premières structures des zéolithes sont déterminées en 1930 par Taylor et Pauling.

En 1932, McBain établit pour la première fois le terme « tamis moléculaire » pour définir les matières solides poreuses qui agissent comme des tamis à l'échelle moléculaire. Au milieu des années 1930, la littérature décrit les échanges d'ions, l'adsorption (L'adsorption, à ne pas confondre avec l'absorption, est un phénomène de surface par lequel des molécules de gaz ou de liquides se fixent sur les surfaces solides des adsorbants selon...), les tamis moléculaires, les propriétés structurelles et minérales de zéolithes et relate la synthèse de nombreuses zéolithes. Barrer commence son travail de pionnier dans l'adsorption des zéolithes et leur synthèse. Il propose la première classification, basée sur des considérations de tailles moléculaires. En 1948, il rapporte la première synthèse complète d'une zéolithe analogue à la zéolithe naturelle mordenite.

Le développement industriel

Les zéolithes naturelles

Deux cents ans après leur découverte par Cronstedt en 1756, les zéolithes minérales (ou naturelles) sont considérées comme des constituants mineurs des roches basaltique et volcanique sans réelle application. À la fin des années 1950, les découvertes géologiques majeures révèlent l'ampleur des gisements de zéolithes naturelles dans les dépôts sédimentaires aux États-Unis d'Amérique (L’Amérique est un continent séparé, à l'ouest, de l'Asie et l'Océanie par le détroit de Béring et l'océan...). Ainsi, quelques zéolithes présentes en quantités importantes et très proches de dépôts minéraux d'importance commerciale, commencent à être commercialisées comme adsorbants. On exploite donc la chabazite, l'erionite, la mordenite et la clinoptilolite en quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de dénommer la valeur d’une...) industrielle.

Le Japon devient le plus gros utilisateur des zéolithes naturelles. La mordenite et la clinoptilolite sont utilisées comme adsorbants dans les opérations de séparation (D'une manière générale, le mot séparation désigne une action consistant à séparer quelque chose ou son résultat. Plus particulièrement il est employé dans...), de déshydratation (La déshydratation est la perte ou l'élimination de l'eau d'un corps. Cette dernière peut être partielle ou totale. Toutefois le terme de dessiccation est plus utilisé...) et de purification de l'air. Les zéolithes naturelles trouvent aussi des applications dans l'industrie papetière, dans les ciments et les bétons, dans les engrais (Les engrais sont des substances, le plus souvent des mélanges d'éléments minéraux, destinées à apporter aux plantes des compléments...) et comme compléments alimentaire pour le bétail. Cette dernière application représente le plus gros débouché en volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension d'un objet ou d'une partie de l'espace.) pour les zéolithes naturelles.

Les zéolithes synthétiques

Les travaux de Barrer, dans le milieu des années 1940, poussent R.M. Milton à s'intéresser à l'étude de la synthèse de zéolithe et à la recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la recherche scientifique désigne également le cadre...) de nouvelles techniques de séparation et de purification de l'air. Entre 1949 et 1954, R.M. Milton et D.W. Breck découvrent un nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) significatif de zéolithes commercialement intéressantes, les zéolithes A, X et Y. Ainsi, en 1954, Union Carbide commercialise pour la première fois des zéolithes synthétiques comme une nouvelle classe de matériel industriel servant à la séparation et à la purification. Les premières applications concernent donc la déshydratation des gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de forme...) réfrigérants et du gaz naturel (Le gaz naturel est un combustible fossile, il s'agit d'un mélange d'hydrocarbures présent naturellement dans des roches poreuses sous forme gazeuse.).

En 1959, Union Carbide commercialise un procédé pour la séparation des isoparaffines basé sur l'utilisation de zéolithes : cela représente la première utilisation industrielle utilisant les caractéristiques de « tamis moléculaire » des zéolithes. La même année (Une année est une unité de temps exprimant la durée entre deux occurrences d'un évènement lié à la révolution de la Terre autour du Soleil.), Union Carbide commercialise une zéolithe de type Y comme catalyseur (En chimie, un catalyseur est une substance qui augmente la vitesse d'une réaction chimique ; il participe à la réaction mais il ne fait partie ni des produits, ni des réactifs et n'apparaît donc pas dans...) pour les réactions d'isomérisation, ce qui constitue la première utilisation industrielle utilisant les caractéristiques catalytiques des zéolithes.

En 1962, Mobil Oil introduit l'usage des zéolithes synthétiques de type X comme catalyseur dans les réactions de craquage (Le craquage (cracking en anglais) est, en chimie, et plus particulièrement celle du pétrole, l'opération qui consiste à casser une molécule organique complexe...) de molécules (en particulier, valorisation des coupes lourdes des pétroles). Entre 1967 et 1969, Mobil Oil réalise la synthèse de zéolithes à haute teneur en silice et des zéolithes de type ZSM-5. En 1974, Henkel introduit les zéolithes A dans la fabrication des détergents comme remplaçants des phosphates qui sont soupçonnés d'être mauvais pour l'environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et artificiels au sein duquel se déroule la vie humaine. Avec les enjeux écologiques actuels, le terme environnement tend actuellement...). En 1977, l'industrie utilise largement les zéolithes : 22 000 tonnes de zéolithe Y sont usitées pour le craquage catalytique.

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