Démystifier Adsorbant vs Absorbant : Implications et utilisations

Introduction à l'adsorbant et à l'absorbant

Dans le domaine de la science des matériaux, les termes "adsorbant" et "absorbant" peuvent être utilisés de manière interchangeable ; cependant, ils se réfèrent à des phénomènes différents. Il est important de faire la distinction entre l'adsorption et l'absorption lors du choix des matériaux et des méthodes appropriés dans de nombreuses industries. L'adsorption signifie que des molécules ou des ions adhèrent à la surface d'un matériau, tandis que l'absorption signifie que des substances s'infiltrent à l'intérieur d'un matériau. Cet article aborde en détail les notions d'adsorbant et d'absorbant, leurs mécanismes et leurs applications dans la vie réelle.

Pour comprendre l'importance de l'adsorption et de l'absorption, il suffit de considérer cette statistique : d'ici à 2025, le marché mondial des tamis moléculaires, l'un des principaux adsorbants, atteindra une valeur de 5,8 milliards USD avec un taux de croissance annuel moyen de 5,61 % sur la période allant de 2020 à 2025 (MarketsandMarkets, 2020). Sa croissance est stimulée par le besoin croissant de tamis moléculaires utilisés dans plusieurs applications telles que la séparation des gaz, le traitement pétrochimique et la catalyse. Les tamis moléculaires sont largement utilisés dans l'industrie du pétrole et du gaz pour purifier le gaz naturel et éliminer les contaminants tels que l'eau, les composés sulfurés, le dioxyde de carbone, etc. Alors que nous discutons de la distinction entre les adsorbants et les absorbants, n'oubliez pas leur influence significative sur notre vie quotidienne et sur les industries.

Absents dans et occupés par des produits communs

Adsorption - Produits de base utilisables

Différents produits et procédures reposent sur l'adsorption. Par exemple, le charbon actif est l'un des adsorbants les plus couramment utilisés dans les filtres à eau, les purificateurs d'air et les masques à gaz. Grâce à sa surface élevée et à sa structure poreuse, il adsorbe facilement les impuretés, les odeurs ou les contaminants. Un autre exemple est le gel de silice que l'on trouve couramment dans les sachets déshydratants fournis avec les appareils électroniques ou les vêtements. Le gel de silice absorbe l'humidité de l'air pour éviter d'endommager les objets délicats. Les tamis moléculaires, l'alumine ou les zéolithes sont des exemples d'adsorbants utilisés en chromatographie pour séparer et purifier des mélanges sur la base de l'adsorption sélective de différents composants.

Produits basés sur l'absorption

Il existe également de nombreux produits absorbants que nous utilisons dans notre vie quotidienne. Les exemples classiques de matériaux absorbants sont les serviettes en papier et les éponges qui absorbent les liquides renversés. Les polymères superabsorbants sont utilisés dans les couches et les produits d'hygiène féminine parce qu'ils peuvent absorber de grandes quantités de liquides sans qu'ils ne s'écoulent à nouveau.) En médecine, les pansements absorbants sont utilisés pour traiter les exsudats tout en facilitant la cicatrisation. Les absorbants industriels à base de polypropylène ou de cellulose sont utilisés lors du nettoyage des déversements de pétrole et de produits chimiques, comme l'Oil Spill Eater II (OSE II) de Sorbents International. Ils attirent les liquides dans leur structure en vrac et les retiennent efficacement, après quoi ils peuvent être éliminés de l'environnement.

Comparaison détaillée : Adsorption vs Absorption

Phénomène de masse contre phénomène de surface

L'endroit où le processus se produit représente l'une des principales distinctions entre l'adsorption et l'absorption. L'adsorption est un phénomène de surface dans lequel les molécules ou les ions d'une substance adsorbée (adsorbat) adhèrent à la surface d'un matériau adsorbant. Elle est provoquée par des forces intermoléculaires. L'adsorbat forme une fine pellicule à la surface de l'adsorbant mais ne pénètre pas dans sa masse. À l'inverse, l'absorption est la pénétration d'un absorbant (substance absorbée) dans la structure de l'absorbant. Les molécules absorbées sont dispersées dans le matériau et occupent les espaces entre les molécules absorbantes.

Échange de chaleur et besoins en énergie

Les processus d'adsorption et d'absorption impliquent souvent un échange de chaleur et ont des besoins énergétiques différents. Normalement, l'adsorption est considérée comme un processus exothermique, ce qui signifie qu'il y a un dégagement de chaleur lorsque les molécules d'adsorbat adhèrent aux surfaces d'un adsorbant, car ces interactions entraînent des diminutions d'énergie à l'échelle du système. Parmi les exemples courants d'adsorption, on peut citer l'utilisation du charbon actif pour éliminer les impuretés de l'eau ou de l'air, et l'utilisation du gel de silice pour adsorber l'humidité de l'air. Toutefois, dans d'autres cas, l'absorption peut être soit un processus exothermique, soit un processus endothermique (absorption de chaleur), en fonction du système spécifique et de la manière dont les deux réagissent l'un par rapport à l'autre, c'est-à-dire la relation absorbeur-adsober qui prévaut en leur sein. Cela implique que pour tout processus donné, la quantité d'énergie requise variera en fonction de facteurs tels que l'aspect de la solubilité entre l'absorbant et l'absorbé, ainsi que l'intensité de la force intermoléculaire.

Dépendance à l'égard de la température et de la pression

La température et la pression sont des facteurs importants dans les deux processus : l'absorption et l'adsorption. À des températures plus basses, les particules conservent davantage d'énergie cinétique, ce qui entraîne une faible probabilité d'adhérer aux surfaces, les conditions étant plus favorables qu'à des températures plus élevées. En effet, à des températures plus élevées, la température augmente et désorbe de plus grandes quantités de cette surface en raison de leurs énergies accrues, ce qui augmente la probabilité d'adhérer en dépassant certains niveaux seuils. En ce qui concerne les effets de la pression, l'adsorption va de pair avec elle, des pressions plus élevées étant associées à de plus grandes quantités d'adsorption. Cela est dû au fait qu'une pression plus élevée entraîne une augmentation de la concentration des molécules d'adsorbat à la surface d'un adsorbant, ce qui tend à favoriser leur adhérence.

L'absorption subit également des changements sous l'effet de la température et de la pression, bien que cela dépende de divers facteurs. Parfois, la solubilité de l'absorbat augmente avec la température, ce qui rend l'absorption plus efficace à des températures élevées. Cependant, dans d'autres cas, des températures plus élevées diminuent l'absorption parce qu'il y a plus de mouvements moléculaires et moins d'attraction entre eux. En outre, la pression peut influencer l'absorption, en particulier dans les systèmes gaz-liquide, car des pressions plus élevées augmentent la solubilité des gaz dans les absorbants liquides.

Mécanismes et processus

Forces de Van der Waals et liaisons chimiques

L'adsorption peut être comprise différemment selon la nature de l'adsorbat et de l'adsorbant. Principalement, la physisorption, qui est une adsorption physique, et la chimisorption, qui est une adsorption chimique, sont des types courants d'adsorption. La physisorption lie un adsorbat à la surface d'un adsorbant par le biais de faibles forces de van der Waals, telles que les forces de dispersion ou d'induction entre molécules polaires, par exemple. Ces forces ont tendance à être relativement faibles, ce qui rend ce type de processus réversible par nature. La physisorption se caractérise par une faible chaleur d'adsorption et la formation de multicouches à la frontière entre l'adsorbat et l'adsorbant.

Dans la chimisorption, les molécules en contact avec la surface forment des liaisons chimiques avec elle. Ces liaisons chimiques sont plus fortes que celles impliquées dans la physisorption, telles que les liaisons de van der Waals forcées, et impliquent donc souvent un partage ou un transfert d'électrons entre la molécule absorbée et le composé absorbant. La chimisorption a lieu de manière irréversible et présente une chaleur d'absorption élevée. La couverture monocouche se produit généralement lorsque la chimisorption a lieu sur des surfaces qui possèdent des sites spécifiques où se produit la formation de liaisons chimiques.

Diffusion, solubilité et action capillaire

L'absorption se fait dans les matériaux en pénétrant leur structure par des molécules absorbantes. Le mode d'absorption varie en fonction de plusieurs facteurs, dont la porosité, la force intermoléculaire, la rétroflexion des absorbants, etc. Le principal moyen par lequel les molécules sont absorbées est la diffusion, par laquelle les particules migrent des régions à forte concentration vers les régions à plus faible concentration dans l'ensemble du matériau en vrac considéré.

Un deuxième facteur important influençant l'absorption est la solubilité, c'est-à-dire la mesure dans laquelle une substance se dissout dans une phase liquide donnée. Outre la dépendance à la température et à la pression, la solubilité dépend des forces intermoléculaires qui persistent entre l'absorbant et l'absorbé. Plus un matériau est soluble, plus son absorption sera importante. Dans certains cas, la capillarité intervient pour faciliter l'absorption, par exemple dans le cas de matériaux adsorbants dotés de pores. Ce phénomène se produit lorsque les forces d'adhésion entre le liquide absorbé et les parois des pores de l'absorbeur deviennent plus importantes que les forces de cohésion à l'intérieur de ce liquide, de sorte que le liquide est entraîné par l'adsorbat dans le milieu absorbant, ce qui permet d'améliorer l'absorption.

Applications réelles de l'adsorption

L'adsorption dans le traitement de l'eau

Dans les processus de traitement de l'eau, l'adsorption est un processus important pour éliminer la contamination, les métaux lourds et les polluants organiques. Par exemple, le charbon actif est couramment utilisé comme adsorbant dans les systèmes de purification de l'eau en raison de sa surface élevée et de sa structure poreuse. Il adsorbe efficacement une grande variété d'impuretés, notamment le chlore, les pesticides, les herbicides et les composés organiques volatils (COV). Le processus d'adsorption dans le traitement de l'eau peut être réalisé par différents moyens tels que le lit fixe ou la forme en poudre où le charbon actif passe à travers l'eau ou le charbon actif sera mélangé à l'eau et ensuite séparé d'elle par filtration respectivement. La poudre de zéolithe est un autre exemple de tamis moléculaire largement utilisé comme adsorbant dans les systèmes de purification de l'eau en raison de sa grande surface et de ses propriétés d'adsorption sélective. Les zéolithes sont efficaces pour absorber de nombreuses impuretés comme l'ammoniac, les métaux lourds et les composés organiques. Les zéolithes sont utilisées dans les systèmes de purification de l'eau, par exemple en lit fixe ou en suspension, où les particules sont ajoutées directement à l'eau avant d'être filtrées.

Un autre cas où l'adsorption se produit dans le traitement de l'eau concerne les résines échangeuses d'ions. Ces résines contiennent des groupes fonctionnels qui absorbent sélectivement certains ions de la solution tout en les remplaçant par d'autres ions. En particulier, les résines échangeuses de cations peuvent éliminer les ions chargés positivement comme le calcium et le magnésium qui causent la dureté de l'eau potable. Au contraire, les résines échangeuses d'anions peuvent également éliminer les nitrates et les sulfates, qui sont chargés négativement. Les résines échangeuses d'ions sont adsorbées de manière réversible, ce qui permet de les régénérer en les lavant à l'aide de solutions concentrées contenant des ions de remplacement.

L'adsorption dans la purification de l'air

La purification de l'air est l'une des principales applications de l'adsorption pour éliminer les substances indésirables, les odeurs et les solvants organiques (COV) de l'air extérieur et intérieur. Les systèmes de filtration de l'air utilisent couramment des tamis moléculaires tels que les zéolithes comme adsorbants. La structure cristalline de la zéolite possède des pores bien définis et peut donc adsorber sélectivement des gaz ou des polluants spécifiques en fonction de leur taille ou de leur forme au niveau moléculaire. Par exemple, le dioxyde de carbone, les oxydes d'azote et le dioxyde de soufre sont quelques-uns des gaz qui ont été éliminés efficacement par les zéolithes des gaz d'échappement industriels, ce qui a permis de réduire le potentiel de réchauffement de la planète et d'améliorer la qualité de l'air.

Outre les zéolithes, le charbon actif est un autre adsorbant célèbre utilisé dans le processus d'épuration de l'air. Il est capable d'éliminer de nombreuses formes de substances organiques telles que les COV, les odeurs et les gaz toxiques. Dans les secteurs manufacturiers, comme l'industrie chimique, où de nombreux gaz sont émis dans l'environnement, les filtres à charbon actif permettent de contrôler les émissions. Grâce à sa surface élevée et à sa nature poreuse, le charbon actif tend à piéger différents types de contaminants en suspension dans l'air, laissant ainsi une atmosphère plus propre qui garantira certainement la sécurité de la santé des travailleurs et de l'ensemble de l'écosystème.

Adsorption dans les processus industriels

L'adsorption est un processus largement utilisé dans les procédés industriels, les tamis moléculaires et l'alumine activée figurant parmi les adsorbants les plus courants. Lorsqu'il s'agit de purifier et de séparer des hydrocarbures, les tamis moléculaires sont couramment utilisés dans l'industrie pétrolière et pétrochimique. Ils absorbent sélectivement certaines molécules d'hydrocarbures en fonction de leur taille ou de leur forme, ce qui permet de séparer efficacement les produits souhaités des mélanges. Par exemple, les zéolithes sont utilisées pour éliminer les impuretés et améliorer l'indice d'octane de l'essence pendant la fabrication.

La gelée de silice est une substance qui absorbe l'humidité et possède d'excellentes propriétés pour une utilisation industrielle en tant que déshydratant. Elle est souvent utilisée dans les emballages d'appareils électroniques, de médicaments et d'aliments, qui seraient autrement détériorés par l'humidité. La gelée de silice absorbe toujours l'humidité de l'air ambiant, ce qui permet de maintenir la sécheresse à l'intérieur de l'emballage. En outre, elle contribue également à la séparation et à la purification de divers composés dans les industries chimiques, puisqu'elle est utilisée comme phase stationnaire dans la chromatographie. L'affinité pour un adsorbant permet une séparation efficace sur le gel de silice grâce à l'adsorption sélective de différentes substances.

L'alumine activée est un autre adsorbant essentiel qui trouve des applications dans plusieurs secteurs industriels. Dans les industries du gaz naturel, l'alumine activée peut être utilisée pour éliminer l'eau ou les composés sulfurés des flux de gaz naturel ; ces composés peuvent avoir des effets graves sur les personnes qui entrent en contact avec eux et endommager les équipements tels que les gazoducs qui les transportent. La procédure d'absorption de l'alumine activée garantit que le gaz naturel répond aux spécifications strictes nécessaires à son transport par gazoduc ou à des fins de consommation normale. L'alumine activée peut également servir de support lors de la fabrication de catalyseurs, où les composants métalliques actifs sont soutenus par ce type de structure. La grande surface disponible sur l'alumine activée en raison de sa nature poreuse constitue un support idéal sur lequel les métaux catalytiques peuvent se répandre, augmentant ainsi leur activité et leur sélectivité par rapport aux réactions chimiques qui s'y déroulent.

Applications concrètes de l'absorption

Absorption dans les systèmes de réfrigération

Dans les systèmes de réfrigération, l'absorption est très importante, en particulier dans le cas des réfrigérateurs et des refroidisseurs à absorption, qui ont d'importantes applications industrielles. Le réfrigérant typique de ces systèmes est l'eau ou l'ammoniac qui est absorbé par un absorbant tel que le bromure de lithium ou l'eau, respectivement. Le processus d'absorption, qui peut être qualifié d'absorption physique ou d'absorption chimique, se déroule dans l'absorbeur, où la vapeur de réfrigérant est absorbée par la solution absorbante, ce qui libère de la chaleur. De là, le réfrigérant absorbé est pompé vers un générateur où il est chauffé, ce qui entraîne la désorption du réfrigérant de l'absorbant et sa vaporisation. Une fois de plus, la vapeur de réfrigérant passe par le cycle complet de refroidissement tout en répétant ce processus, à savoir le retour d'un absorbant dans un absorbeur.

Par rapport aux systèmes traditionnels de compression de vapeur, les systèmes de réfrigération à absorption présentent plusieurs avantages, notamment en ce qui concerne les sources d'énergie et les questions environnementales. Ils peuvent fonctionner avec de la chaleur de faible qualité, comme l'énergie résiduelle des processus industriels ou l'énergie solaire thermique, ce qui les rend également plus écologiques et plus efficaces. Là encore, les systèmes à absorption utilisent des réfrigérants qui n'appauvrissent pas la couche d'ozone et comportent moins de pièces mobiles, ce qui permet de réduire l'entretien de ces types d'installations.

Absorption dans le domaine médical : Administration et délivrance des médicaments

Dans le domaine médical, l'absorption est un concept très important, en particulier dans le cadre de l'administration et de la délivrance de médicaments. Lorsqu'un médicament est pris par voie orale, il doit être absorbé depuis le tractus gastro-intestinal jusqu'à la circulation sanguine où il peut agir sur l'organe cible. Les facteurs qui influencent l'absorption des médicaments sont, entre autres, la solubilité du médicament, le pH de l'environnement gastro-intestinal et la présence d'aliments dans l'estomac. Certains médicaments sont conçus pour être absorbés rapidement afin de produire un effet immédiat, tandis que d'autres ont été formulés pour une absorption lente, créant ainsi une libération soutenue de leur substance active au fil du temps.

Dans l'administration topique de médicaments, l'absorption joue également un rôle lorsque les médicaments sont appliqués sur la peau ou les muqueuses. Dans ce cas, par exemple, certains médicaments doivent être absorbés en traversant la peau ou les muqueuses pour atteindre les tissus sous-jacents où ils atteignent leur objectif. Par exemple, les patchs transdermiques sont conçus pour délivrer des médicaments à un rythme constant via la peau, ce qui permet une voie d'administration non invasive et pratique. L'absorption des médicaments par la peau dépend de facteurs tels que la lipophilie des médicaments, la taille moléculaire et l'état de la barrière kératinisée.

L'absorption dans la vie quotidienne : Contrôle des déversements

Par exemple, dans notre vie quotidienne, nous rencontrons et utilisons des matériaux absorbants pour contrôler les déversements et les nettoyer. Les serviettes en papier, les éponges et les serpillières sont des articles ménagers qui absorbent les liquides renversés grâce à leur capacité d'absorption. Ces substances sont donc conçues avec des capacités d'absorption élevées qui leur permettent de se débarrasser rapidement et efficacement des liquides sur les surfaces. C'est pourquoi les industries utilisent des matériaux absorbants tels que des tampons ou des barrages en polypropylène pour le nettoyage des déversements d'huile et de produits chimiques. Ces matériaux repoussent naturellement l'eau mais peuvent absorber les huiles ainsi que d'autres hydrocarbures parce qu'ils sont hydrophobes, ce qui leur permet d'éliminer des espèces spécifiques des systèmes aqueux.

Par ailleurs, les produits absorbants tels que les couches, les serviettes d'hygiène féminine et les produits d'incontinence adulte utilisent des polymères superabsorbants dans lesquels une grande quantité de liquide peut être absorbée en poids. Dans ces matériaux, lorsque le liquide entre en contact avec la structure poreuse du polymère, il y a attraction par capillarité et liaison hydrogène, ce qui fait que le liquide adhère au polymère. En outre, l'hygiène personnelle a adopté les superabsorbants qui ont révolutionné la façon dont les produits d'hygiène personnelle fonctionnent, comme les couches qui absorbent efficacement les odeurs, offrant ainsi un grand confort aux utilisateurs.

Jalon : Votre partenaire de confiance pour des solutions adsorbantes de haute performance

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Conclusion

En conclusion, il est important de faire la distinction entre les matériaux adsorbants et absorbants pour les utiliser efficacement dans diverses applications. Les mécanismes et les caractéristiques de l'adsorption, qui est un phénomène de surface, et de l'absorption, qui se produit au niveau de la masse, diffèrent en fonction des objectifs poursuivis.

Le besoin de solutions efficaces et durables fera du développement et de l'optimisation des adsorbants et des absorbants un domaine clé de la recherche et de l'innovation. Nous pouvons ainsi développer de nouveaux matériaux et de nouvelles technologies qui répondent aux besoins changeants des différents secteurs tout en favorisant un avenir plus propre, plus sain et plus durable en approfondissant notre compréhension de ces phénomènes et de leurs mécanismes sous-jacents.