TP Catalyse Hétérogène

REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE
MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE

SCIENTIFIQUE
UNIVERSITE DU 20 AOUT 1955 SKIKDA

Faculté de Technologie
Département : Génie des procédés et pétrochimie
Spécialité : Master 01 en Génie Pétrochimique
TP :
Adsorption d’un polluant organique sur charbon

actif microporeux
Présenté Par :
- Ahcene djaballah Hamza
- Bahmed Mohcen abd Elilleh
- Beghidja Oussama
Suivi par Dr : N.FERROUDJ
Année universitaire : 2020/2021

I - Partie théorique :
1. Introduction :
L'adsorption, est un phénomène de surface par lequel
des molécules de gaz ou de liquides se fixent sur les surfaces solides des
adsorbants. Les molécules ainsi adsorbées constituant l'adsorbat. Si les
conditions énergétiques ou cinétiques permettent à la molécule de
pénétrer au sein de la phase adsorbant, il y a absorption.
L'adsorption repose sur la propriété qu'ont les surfaces solides de fixer
certaines molécules de manière réversible, par des liaisons faibles de
type Van der Waals. Cette propriété est liée à la structure même du
solide où subsistent, en surface, des forces non équilibrées par suite des
dissymétries dans la répartition des atomes : la formation d'une couche
de molécules adsorbées compense en partie ce déséquilibre.
L’adsorption peut être de deux natures différentes :
la chimisorption : où l’énergie d’interaction est élevée (de 40 KJ à
400KJ) et s’accompagnent de la formation d’une liaison.
La physisorption : où l’énergie d’interaction mise en jeu est faible
(jusqu’ à ≈ 50KJ). Il n’y a pas de formation de liaison. Elle résulte de la
présence de forces intermoléculaires d’attraction et de répulsion qui
agissent entre deux particules voisines
2-Isothermes d’adsorption:
L'adsorption du soluté est en général limitée à la monocouche. En effet,
les
interactions soluté-solide sont assez fortes pour concurrencer avec succès
les interactions
solvant-solide dans la monocouche, mais ce n'est plus le cas dans les
couches suivantes.
Toutefois l'adsorption du soluté en multicouche a été observée dans
certains cas, en se
basant sur la forme des isothermes établies et sur le fait que la surface
spécifique évaluée à
partir de l'hypothèse d'une monocouche est trop faible. Une telle
isotherme est une courbe
qui représente la relation entre la quantité adsorbée par unité de masse de
solide et la
concentration de la phase fluide.
On obtient une telle courbe à partir des résultats d'essais effectués à une
température
constante. Pour ce faire, on introduit des quantités connues de solide
dans des volumes de
solution à traiter, et après un temps de contact donné, on mesure la
concentration résiduelle
de la solution.
On peut calculer la quantité adsorbée à l'aide de l'équation suivante:
Qe = (C0- Ce). V / m
Où :
C0: concentration initiale du soluté adsorbat en (mg/l);
Ce: concentration d’acide à l'équilibre dans la solution en (mg/l);
m : masse de l'adsorbant;
Qe: quantité du métal adsorbée par unité de masse de l'adsorbant en
(mg/g);
V : volume de la solution (l).
Les isothermes les plus connues sont celles de Langmuir qui reposent sur
des hypothèses
rarement satisfaisantes notamment en ce qui concerne l'homogénéité de
la surface mais
elles restent les plus utilisées.
L'isotherme de Freundlich est assez proche de celle de Langmuir aux à
des concentrations
moyennes. Les deux modèles Langmuir et Freundlich sont
convenablement appliqués pour l'adsorption monocouche. Par contre
l'isotherme de BRUNAUER, EMMET et TELLER
(B.E.T) est mieux adaptée à l'adsorption en multicouches.
3-classification des isothermes d’adsorption :
L’allure de la courbe isotherme varie selon le couple adsorbat–adsorbant

étudié. Les isothermes d’adsorption de solutés à solubilité limitée ont été
classées par Gilles et Coll.
Isotherme de type I: L'interprétation classique de cette isotherme est
qu'elle est relative à une formation d'une couche mono moléculaire
complète. Cette isotherme est relative à des solides microporeux de
diamètre inférieur à 25 °A.
Isotherme de type II: C'est la plus fréquemment rencontrée, quand
l’adsorption se produit sur des poudres non poreuses ou ayant des macro-
pores de diamètre supérieurs à 500A.
Isotherme de type III: Cette isotherme est caractéristique des
adsorptions ou la chaleur d’adsorption de l’adsorbat est inférieure a la
chaleur de liquéfaction. Cette isotherme est relativement rare, elle
indique la formation de couches poly-moléculaires, désolé début de
l'adsorption, et avant que la surface n’ait été recouverte complètement
d’une couche mono-moléculaire.
Isotherme de type IV: Cette isotherme se produit sur des solides ayant
des pores, avec des diamètres compris entre 15 et 1000 A°. La pente
croit à des pressions relatives élevées, ce qui indique que les pores sont
totalement remplis. Comme pour l’isotherme de type II, la poly-couche
démarré quand la mono-couche est totale ment réalisée.
Isotherme de type V: Cette isotherme donne aussi comme l’isotherme
de type IV lieu aune hystérésis, el e est similaire à l'isotherme du type III,
c’est-à-dire que la poly-couche démarre, bien avant que la mono-couche
ne soit pas totalement réalisée. Ce type d’isotherme est aussi
caractéristique de solides poreux, ayant des diamètres de pores du même
ordre que ceux des solides donnant des isothermes de type IV et V
présente à la fin, une pente différente attribuée, a la géométrie des pores.
Figure Erreur ! Il n'y a pas de texte répondant à ce style dans ce document.-1 Les différents types d’isothermes
d’adsorption
4- Modèles mathématiques appliques a l'adsorption

De nombreux modèles mathématiques existent dans la littérature pour
décrire les relations
Graphiques du phénomène de l'adsorption. On peut citer particulièrement
: Langmuir, Freundlich
4.1- Modèle de Freundlich

Ce modèle suppose que la chaleur d'adsorption décroit
exponentiellement avec le taux de
Saturation de la surface du solide. Dans le cas de l'adsorption des solutés,
l'équation est donnée
Par :
1
𝑛
𝑄𝑎 = 𝐾𝑓 × 𝐶𝑒𝑞
Avec :
Qa : est la quantité adsorbée (mmol /g)
Ce : concentration à l'équilibre (mol /L).
Kf et n sont respectivement les constantes de Freundlich indicatives de
l'intensité et de la capacité d'adsorption. Pour n > 1 l'adsorption est
favorable.
4.2- Modèle de Langmuir
C'est le modèle le plus utilisé pour commenter les résultats trouvés au
cours de l'adsorption
des composés organique en solution aqueuse. Il est basé sur les
hypothèses suivantes :
 Le nombre de site d’adsorption sur la surface est limité.
 Un site ne peut adsorber qu’une seule molécule.
 La surface est recouverte au maximum par une couche.
 La réaction d’adsorption est réversible.
 La surface est énergiquement homogène.
 Il n’y a pas d’interaction entre les molécules adsorbées.
Dans le cas de l’adsorption en solution, l’équation de Langmuir a pour
expression :
𝑎. 𝑏. 𝐶𝑒
𝑄𝑒 =
1 + 𝑏. 𝐶𝑒
Qe : Quantité de substance adsorbée à l'équilibre par unité de poids de
l'adsorbant « capacité d'adsorption » (mg.g-1) ;
Ce : Concentration du substrat en adsorbat à l'équilibre (mg.L-1) ;
a : Capacité d'adsorption à la saturation (mg.g-1) et qui correspond à la
formation d'une monocouche (c’est aussi le nombre de sites
actifs par unité de masse de la phase solide);
b : coefficient d'adsorption (L.mg-1), c'est également la constant
d’adsorption spécifique de L’adsorbat sur l'adsorbant. Cette constante est
liée à la température et au système adsorbant adsorbat.
a .b = KL : constante d'équilibre de Langmuir (L.g-1)
But du TP
● Elimination d’un polluant organique par un procédé
d’adsorption
● Détermination de l’isotherme d’adsorption d’un colorant sur
charbon active.
II- Partie Pratique

1- la courbe d’étalonnage :
A
2,5
1,5
A
1
0,5
0
0 5 10 15 20 25 30 35
0.15−0.059
On a : k= = 0.064
5−1
2/ la concentrtion d’équilibre :
𝐴
A=K.𝐶𝑒 => 𝐶𝑒 =
𝐾
𝐴(𝑆1) 0.0001
𝐶𝑒 = (S1) = 𝐶𝑒 = = = 0.126
𝐾 0.064
Solution 𝑆1 𝑆2 𝑆3 𝑆4 𝑆5 𝑆6
𝐶𝑒 0.126 0.458 0.486 0.583 4.847 14.708
3- La quantité adsorbée :
Nous avons :
𝑸𝒆 =(𝑪𝟎 -𝑪𝒆𝒒 ).V/m
A l’aide de cette équatopn on va remplir ce tableau :

m=0.048
𝐶0 =0.1g/l
V=0.05l
Solution 𝑆1 𝑆2 𝑆3 𝑆4 𝑆5 𝑆6
𝑄𝑒 2.185 11.355 23.758 36.0425 37.8825 38.23

La courbe Qe en fonction de Ce :
Qe=f(Ce)
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
0,126 0,458 0,486 0,583 4,847 14,708
5- La courbe de variation Ce/Qe en fonction de Ce :

𝐶𝑒 /𝑄𝑒 0.057 0.0403 0.0204 0.16 0.127 0.3
Titre du graphique
0,35
0,3
0,25
0,2
0,15
0,1
0,05
0
0 2 4 6 8 10 12 14 16
-Déterminer la capacité de la monocouche (a) :
On a d’après l’équation de Langmuir :

1 1 1
=( )+
𝑄 𝑎.𝑏.𝐶𝑒 𝑎
Et en multipliant cette équation par Ce on trouve :

𝐶𝑒 1 1
= ( ) + ( ) Ce
𝑄𝑒 𝑎𝑏 𝑎
D’après la courbe ci-dessus on a l’équation de la droite :
Y=0,0269X+0,0332
Ce qui implique à :
𝐶𝑒
=0,0269Ce+0,0332
𝑄𝑒
Donc on a :
1
=0,0269
𝑎
Donc on trouve :
a =37,174

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L’allure de la courbe isotherme varie selon le couple adsorbat–adsorbant

4- Modèles mathématiques appliques a l'adsorption

4.1- Modèle de Freundlich

II- Partie Pratique

𝐶𝑒 0.126 0.458 0.486 0.583 4.847 14.708

A l’aide de cette équatopn on va remplir ce tableau :

𝑄𝑒 2.185 11.355 23.758 36.0425 37.8825 38.23

5- La courbe de variation Ce/Qe en fonction de Ce :

-Déterminer la capacité de la monocouche (a) :

On a d’après l’équation de Langmuir :

Et en multipliant cette équation par Ce on trouve :

D’après la courbe ci-dessus on a l’équation de la droite :

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