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Sorption de Gaz - Gas Sorption

Définition : Qu’est ce que la Sorption de Gaz ?

La Sorption de gaz peut être définie comme l’accumulation de molécules mobiles provenant d’un gaz, en conséquence de la présence d’une phase condensée, qui pourrait être solide ou liquide. L’accumulation peut avoir lieu sur la surface, dans la masse, ou à proximité d’une interface interne, entre des régions de nature différente.

Dans le domaine de la Sorption des Gaz, il est souvent catégorisé de différentes façons, selon l’intensité, la nature, ou le lieu de l’interaction.

Absorption

où les molécules passent entre le gaz et l’intérieur de la phase condensée. En général, l’Absorption est précédée d’une étape d’Adsorption…

Adsorption

le plus souvent, c’est l’accumulation de molécules sur la surface d’un solide. L’adsorption s’applique également aux processus qui ont lieu aux interfaces internes d’un solide, ou à la surface d’un liquide.

Physisorption

où les interactions sont relativement faibles, d’intensité comparable aux interactions entre les molécules d’un liquide, sans formation de liens chimiques.

Chimisorption

se dit lorsque des liens chimiques sont formés entre les molécules du gaz et la phase condensée, que ce soit un processus d’adsorption ou d’absorption. Dans la masse d’un matériau, il peut entraîner une transformation partielle ou totale vers une nouvelle structure, comm dans le cas de l’absorption de l’hydrogène dans certains alliages pour créer une solution solide, suivie d’une séparation dans une ou plusieurs hydrures.

La Catalyse de surface est un cas spécial, où la chimisorption d’une molécule adsorbée permet sa transformation ou sa réaction avec une autre molécule adsorbée, pour rendre une nouvelle molécule, qui est libérée de la surface.

La Chimisorption Irréversible est le processus de formation d’un lien qui est si forte que la molécule reste piégée, et n’est pas libéré à la phase gazeuse.

Adsorption dans les Pores

Dans les matériaux poreux, la surface disponible pour la sorption peut être beaucoup plus important que la surface apparente des particules visibles. La quantité de matière absorbée est d’autant plus grande à cause de l’augmentation d’intensité d’interaction par rapport à une surface plane. Lorsqu’une vapeur adsorbe dans des pores, la tension superficielle peut suffisamment diminuer sa tension de vapeur saturée pour entraîner une condensation et remplissage des pores avec de la liquide.

Qu’est ce que la Sorption de Gaz, encore ?

Des molécules de gaz arrivent à la surface d’un solide ou d’un liquide.

Les molécules peuvent :

  • directement quitter la surface
  • réagir chimiquement avec la surface, et ensuite :
    • rester piégées à l’endroit,
    • se transformer pour créer une nouvelle molécule, qui s’échappe de la surface
  • rester attiré à la surface par des forces faibles, caractéristiques d’une «adsorption physique» ou «physisorption» et :
    • se déplacer par diffusion sur la surface
    • s’échapper dans le gaz
  • des molécules peuvent se rencontrer, et réagir.
  • les molécule sur la surface pourraient absorber dans la masse du matériau, soit avec une faible interaction physique, soit par réaction chimique.
  • En présence de porosité ou sur une surface rugueuse, les molécule peuvent se trouver à l’intérieur des pores, ou les forces d’attraction sont augmentées.

Le nombre de molécules augmente, jusqu’à que le système arrive à l’équilibre, avec un débit d’arrivée de matière égal au débit de départ.

Le temps nécessaire pour arriver à l’équilibre peut varier en fonction de :

  • le taux d’arrivée de molécules à la surface
  • les vitesses des réactions avec la surface, avec la masse, avec autres molécules adsorbées
  • la vitesse de déplacement, ou de diffusion, des molécules :
    • latéralement sur la surface
    • dans la masse
    • dans les pores.

Tous ces effets varient en fonction de la température et de la pression de gaz.

Pourquoi mesurer la sorption des gaz ?

What is important in Gas Sorption ?

Depending on the field of study, every aspect of sorption might be of interest :

  • The rates of diffusion, permeation, transport of matter
  • The nature and rates of absorption, reaction, equilibration
  • The final composition at equilibrium

A few examples may give an idea of the range of applications…

Solubilité de Gaz

La quantité de gaz capable de dissoudre dans un matériau est souvent d’intérêt d’elle-même.

De l’utilisation des Liquides Ioniques comme milieu pour les réactions en chimie douce, à la densification du béton par absorption de gaz carbonique, les gaz ont de nombreux effets sur les matériaux.

Measurement of powder and porous properties by Gas physisorption

This is probably the most common type of sorption measurement performed, except for the simple gravimetric measurement of absorbed moisture by weighing a sample before and after thermal drying.

  • Adsorption of Nitrogen at a temperature of 77 Kelvin is extremely widely used for measurement of surface area by BET analysis
  • Porous properties can also be measured, from micropores up to mesopores measuring 500 nm or more, by physisorption measurements using a variety of adsorbates. With some knowledge of the sample properties, it is possible to obtain the total pore volume, and distributions of the pore volume or area as a function of pore size.

Adsorptive Separation, purification, and gas scrubbing

Both the amount of sorption on a substrate, and the rate or speed of sorption, are dependent on the gas species. This gives a wide range of very important applications for sorption :

  • to purify raw materials, to increase efficiency, to reduce energy consumption, or to avoid contamination or production of undesirable by-products.
  • to separate components from mixtures, for example, as a lower energy or higher throughput replacement for distillation.
  • to filter or scrub an undesirable impurity or contaminant from a gas stream, to avoid release to the environment

Gas sorption can separate different gases or vapours by a number of effects :

  • trapping on or in a strongly sorbing material. This may be irreversible, requiring periodic replacement of the filter, or may need a chemical or heat treatment to regenerate the material.
  • Selective adsorption, where the material absorbs one component more strongly than another.
  • Kinetic separation - where one component is absorbed very rapidly, while another is absorbed slowly.

A continuous output flow is often obtained by using multiple beds of sorbent material, where one is used for production, while the other is being regenerated, either by purging with clean gas, by reducing pressure, or by increasing temperature.

A typical case is the use of Carbon molecular sieve materials which adsorb oxygen in preference to Nitrogen. A Pressure Swing Adsorption (PSA) process allows generation of Nitrogen and Oxygen gases from air, for industrial, medical, and laboratory use.

Sorption isotherms, kinetics, and breakthrough curves, both of individual components, and of mixtures, are used for development of processes, for selection of materials, and to determine process parameters.

  • to absorb gases or moisture inside enclosures or packaging, to protect and preserve foods, works of art, historical artefacts, and other items

Membrane separation and barrier properties

Membranes are widely used to control the permeation of gases and vapours.

  • allow gases to pass through packaging but exclude moisture and retain flavour compounds.
  • allow escape of humidity from buildings
  • use of moisture permeable membranes for drying of compressed air or other mixtures

Permeability of a substance in a material depends on the rate of diffusion and the solubility. The sorption isotherm gives the solubility, and the kinetic equilibration curve gives the diffusion coefficient.

Gas storage and transport

A sorbent material can allow equivalent gas storage with a reduced containment pressure. The desorption kinetics can regulate, or hinder, the release of the gas.

  • Some metals and alloys are used to store hydrogen as hydride compounds - a chemisorption process.
  • Porous materials, especially activated carbons, are used for low pressure storage of other hydrocarbons.

Catalysis and chemisorption

Many catalysts take the form of porous materials with small clusters of metal atoms. Reduction of the metal atoms by hydrogen is often used to activate the metal atoms, before adsorption of reactive molecules to measure the number of sites available for reaction.

Metal hydrides are used in many modern battery technologies.


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