Mesures Gravimétriques de Sorption

L’analyse de sorption par gravimétrie utilise une microbalance de haute sensibilité pour enregistrer les variations de poids d’un échantillon de matière solide ou liquide en fonction des conditions environnementales.

Typiquement, un échantillon solide est maintenu à une température fixe, et une courbe isotherme de sorption est mesurée, en faisant varier la pression partielle du sorbat gazeux.

La mesure gravimétrique du poids de l’échantillon donne une indication directe en continu de l’interaction entre le gaz et le solide.

Pour chaque palier pression, le poids de l’échantillon est contrôlé jusqu’à ce que l’échantillon atteint l’équilibre avec le gaz ou la vapeur. Cette valeur de poids, à l’équilibre, donne alors un point sur l’isotherme de sorption.

Un avantage particulier de la méthode gravimétrique est la possibilité de faire varier la pression en paliers distincts, de sorte que l’échantillon s’équilibre à une pression fixe. L’équilibration du poids de l’échantillon après chaque palier de pression fournit des renseignements complémentaires sur les cinétiques du processus de sorption. La forme des données facilite les calculs des coefficients de diffusion du système.

Il est nécessaire de noter que le “poids” mesuré comprend des contributions de plusieurs effets physiques, ainsi que le taux de sorption. Pour calculer la masse de gaz absorbé, il faut éliminer ou corriger le poids pour ces forces supplémentaires :

• la poussée d’Archimède, de la masse de fluide déplacé par le volume de l’échantillon.
• forces de la motion des gaz autour de l’échantillon, à cause d’un flux de balayage imposé ou des effets thermiques.
• les interactions de l’échantillon avec les champs magnétiques ambiants.

La méthode gravimétrique permet une mesure directe de densité de l’échantillon, en utilisant un gaz inerte, pour les corrections précises de force d’Archimède. Une conception instrumentale soignée, ou des mesures à blanc peuvent éliminer les autres effets. La mesure de sorption par gravimétrie est donc très précise et adaptable.

Il existe deux classes d’analyse gravimétrique de sorption :

• La mesure Statique, où une pression fixe d’un gaz ou d’une vapeur pure est introduit à l’échantillon.
• La mesure Dynamique, où un gaz en écoulement est utilisé.

Mesures de Sorption Statique

Les appareils de mesure de sorption qui fonctionnent en mode statique, comme IGA-001 pour les gaz et IGA-002 pour les vapeurs, donnent une mesure directe de la pression partielle du sorbat. La méthode statique est particulièrement bien adaptée aux mesures cinétiques, parce que le gaz pur donne le plus grand taux d’apport des molécules à la surface de l’échantillon. Les méthodes dynamiques qui utilisent un gaz vecteur imposent une limitation diffusionnelle au transport du sorbat, qui devient de plus en plus significative avec la diminution de la pression partielle du sorbat.

Les effets de sorption compétitive sont également éliminés, qui peuvent modifier les mesures à l’équilibre de la courbe de sorption.

Pour obtenir le point zéro de la courbe de sorption, il faut utiliser des pompes à vide pour effectuer un dégazage du système - ce qui entraîne une augmentation du coût et de la complexité de l’instrument de mesure. Par contre, la possibilité d’utiliser une connexion à large conductance vers le groupe de vide donne un dégazage rapide, comparé aux appareils volumétriques, où les grands volumes sont à éviter.

Analyse dynamique de sorption

L’utilisation d’un flux continu de gaz est avantageux dans certains cas.

Lorsque le gaz contient une mélange d’espèces, avec un gaz vecteur inerte, le flux assure une alimentation constante du sorbat et, éventuellement, une purge des espèces qui désorbent de l’échantillon.

C’est particulièrement intéressant lorsqu’il y a une évolution d’espèces gazeuses pendant la mesure. Les gaz évolués sont emportés par le flux vecteur, assurant un environnement constant pour l’échantillon :

• décomposition, avec les méthodes thermoprogrammées
• désorption
  • l’humidité et les solvants piégés dans les pores, en particulier.
• dégagement de vapeur
  • Les aliments peuvent relâcher les composés odorants et de gout lorsqu’il y a contact avec l’eau
  • certains polymères contiennent des plastifiants qui sont légèrement volatils
• réactions chimiques
  • mesures de catalyse et de chimisorption.

Sorption Dynamique de Vapeur (Dynamic Vapour Sorption, DVS)

La technique de sorption dynamique des vapeurs - Dynamic Vapour Sorption ou DVS - est très répandue. Un flux de gaz vecteur avec un taux de vapeur consigné est facilement généré ; par exemple, par le mélange d’un flux de gaz sec (pur) avec un flux saturé en vapeur.

Souvent, les mesures sont effectuées à pression constante et avec un débit total fixe, afin de minimiser les variations du poids associées à la force d’Archimède et la force de traînée.

Les appareils DVS de ce type sont très productifs, et trouvent application dans de nombreux domaines, en particulier ceux associés aux produits agroalimentaires, pharmaceutiques, et des matériaux de construction et technologiques, où il faut absolument connaitre les effets de l’humidité ambiante.

La Sorption Compétitive

La méthode dynamique permet l’utilisation d’une mélange de plusieurs gaz et vapeurs, pour la mesure des effets de la compétition entre les sorbats.

Pour ces expériences on utilise une technique supplémentaire de quantification, pour mesurer le changement de composition du mélange de gaz après l’interaction avec l’échantillon. Par exemple, dans le système IGA-003/DSMS, un spectromètre de masse est utilisé.

Désorption Thermique, TGA/ATG, Analyse des gaz émis (EGA), et les techniques Thermoprogrammées

Un analyseur de gaz peut également servir à mesurer les espèces désorbées lorsque l’échantillon est chauffé.

Il y a plusieurs de ces Techniques Thermoprogrammées, (« Temperature Programmed Techniques »), où les molécules libérées par désorption, décomposition ou réaction sont détectées. Par exemple :

• La Désorption Thermique ou la Décomposition Thermique, avec analyse des gaz émanents (TPD-EGA) d’un matériau chauffé dans un flux de gaz inerte.
• Analyses de la Surface métallique active, avec un gaz réactif, comme l N₂O, réagit avec des atomes métalliques dispersées sur un support de catalyseur. L’interaction crée des molécules d’azote ( N₂ ), détectées avec le spectromètre de masse. Une indication indépendante du nombre d’atomes d’oxygène peut aussi être calculé à partir du changement de masse.
• La Réduction Thermoprogrammée, avec le hydrogène, qui convertit les groupes oxydes à l’eau.

Instruments pour les mesures de Sorption Gravimétrique

Les instruments suivants sont applicables :

• sorption des gaz avec IGA-001
• sorption statique des vapeurs avec IGA-002
• Sorption dynamique des vapeurs - Dynamic Vapour Sorption
• Sorption multicomposant des Gaz et Vapeurs avec IGA-003 et IGA-200
• Analyse de Désorption Thermique avec IMI-FLOW
• Les analyseurs Sieverts (volumétrique/​manométrique) IMI pour les mesures de l’adsorption à haute pression

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