Composition des minéraux argileux

La chimie verte ou « Green Chemistry » fournit un cadre à la prévention de la pollution liée aux activités chimiques, elle a pour but de concevoir des produits et des procédés chimiques permettant de réduire ou d’éliminer l’utilisation et la synthèse de substances dangereuses. Elle s’applique aussi bien à la préparation de nouveaux produits ou procédés plus écologiques qu’a la recherche de solution alternatives ou encore à l’amélioration d’approches déjà existantes. Ce concept récent a été rendu populaire auprès de la communauté scientifique par les chimistes américains [1, 2].Douze recommandations préconisent la réduction, le recyclage ou l’élimination de substances dangereuses (inflammables, explosives……) et ou nocives (cancérigènes, mutagènes…..) pour l’homme et l’environnement (destruction de la couche d’ozone…..) allant de ce fait bien au-delà du simple contrôle des produits pour minimiser l’exposition au danger.

Généralité sur les argiles

Le terme argile se réfère en général à des composes naturels, qui sont sous forme de minéraux en grains de faible taille (de l’ordre du μm) [1], des poudres essentiellement, qui s’agglomèrent pour donner des agrégats polycristallins. Elles se rapportent à des minéraux microporeux naturels composés de particules de texture très fine à différentes échelles. A l’échelle macroscopique, ces particules sont souvent associées aux minéraux tels que le quartz, le feldspath…etc, et à l’échelle microscopique, les particules correspondent à des matériaux de structure en feuillet bidimensionnelle. [2] La taille fine de ces particules et le caractère aplati de ces minéraux constitutifs, donne à l’argile une grande surface spécifique.

A l’état naturel, l’argile appartient à la famille des aluminosilicates phylliteux appelés couramment les phyllosilicates, elle résulte essentiellement de la désintégration physique/mécanique et d’une transformation chimique des roches ignées et métamorphiques [3]. Les minéraux argileux proviennent de l’érosion de roches silicatées en particulier de la désagrégation des minéraux composants du granite : mica et feldspath. Les minéraux argileux les plus communs : la kaolinite, l’halloysite, la montmorillonite, l’illite, la vermiculite sont de très fines particules, elles peuvent soit resté sur place (argiles résiduelles) soit être transportés sur de longues distances par les cours d’eau jusqu’au fond de la mer (ex : argiles des fonds océaniques). En fonction des roches mères et du climat, les minéraux argileux résultant sont différents. En climat froid, l’altération est faible, les minéraux argileux sont identiques ou peu différents des minéraux de la roche (illite et chlorite), ils sont hérités de la roche d’origine. En climat chaud et humide, l’hydrolyse est poussée, la kaolinite se forme en milieu drainé, les smectites en milieu confiné. En climat tempéré, humide, l’altération est modérée, il apparaît des inter stratifiés, des illites, des chlorites dégradés et de la vermiculite .

Une argile est dite montmorillonitique si dans sa composition le phyllosilicate montmorillonite est majoritaire par conséquent l’attribution du nom de l’argile est liée à la nature du phyllosilicate qu’elle contient. Les argiles minérales sont les groupes minéraux sédimentaires. Elles font parties des alumino-silicates à structure feuilletée ou lamellaire entourés par l’oxygène et l’hydroxyle auquel s’ajoute parfois des métaux et des alcalins ou alcalino-terreux (sodium, calcium, potassium).

Composition des minéraux argileux

L’argile est composé d’un mélange de minéraux naturels appelés «minéraux argileux» (quartz, feldspaths, oxyde de fer, oxyde titane, oxyde terreux et alcalinoterreux…etc.). Dans une argile, les minéraux argileux à plus fortes teneurs sont :
❖ La silice (quartz, cristobalite, tridymite)
❖ Les oxydes et hydoxydes d’aluminium (corindon, gibbsite, diaspore, boehmite…).
❖ Les carbonates (dolomite, diobertite, sidérite, calcite, aragonite…).
❖ Les minéraux ferrifères (lépidocrocite, maghémite,…etc.).

Ces minéraux argileux sont évolutifs et sont caractérisés par une certaine plasticité lorsqu’ils sont mouillés et par une dureté et une compacité lorsqu’ils sont secs ; la plasticité étant l’aptitude du minéral argileux à acquérir et conserver toute forme possible au façonnage. La connaissance de la composition chimique et de la structure minéralogique des argiles est nécessaire pour leur utilisation dans diverses branches industrielles et dans d’autres domaines où les roches argileuses représentent le principal terrain de fondation de la majorité des constructions et constituent le sous-sol des grandes surfaces agricoles et forestières. En même temps les minéraux argileux constituent un apport fondamental dans la préparation des fluides de forage écologiques. La complexité chimique structurale des minéraux argileux nécessite l’utilisation de méthodes d’analyse de grande finesse, telles les spectroscopies de rayons X, la spectrométrie infrarouge, les analyses thermiques, la spectrophotométrie d’absorption atomique, la microscopie électronique. La corrélation des résultats de deux ou plusieurs méthodes d’analyse conduite à l’élimination des éventuelles erreurs dans l’interprétation de la caractérisation chimique minéralogique des argiles étudiées. Ce mode d’investigation s’impose aussi parce que les minéraux argileux représentent un groupe relativement homogène des phyllo silicates, caractérisé par des analogies structurales évidentes, qui leur confèrent des propriétés physiques et chimiques semblables, dépendantes de cette structure.

Les difficultés dans l’analyse des minéraux argileux sont liées au fait que, même si les minéraux argileux sont caractérisés par une occurrence particulièrement large dans l’écorce terrestre, ils n’apparaissent que très rarement à l’état pur, étant contaminés par les carbonates, les substances organiques, les oxydes et les hydroxydes. C’est pourquoi l’analyse chimique doit être comparée à l’analyse á rayons X ou avec l’analyse spectrale [7].

Lorsque deux cavités sur trois de la couche octaédrique sont occupées par Al+3 (ou un autre ion métallique trivalent), la structure dénommée di octaédrique. Quand la totalité des cavités octaédriques est occupée par des ions métalliques bivalents, la structure s’appelle tri octaédrique. L’ensemble (feuillets + espace inter foliaire) forme une unité structurale appelée l’entre couche .La distance basale ou équidistance notée d001, représente la distance de l’entre-couche [9]. Pour le système hexagonale présent dans l’argile, la distance basale correspond à la distance inter réticulaire dhkl associée aux plans d’indices de Miller (hkl)=(001). La distance d001, déterminée par DRX, est fonction de la charge et du nombre de molécules d’eau associées à chacun des cations.

Particules élémentaires 
Les particules constituent le premier niveau d’organisation elles sont caractérisées par un empilement de feuillets identiques parallèlement à leur plan de base. Les forces de cohésion entre feuillets sont plus faibles que celles existant au sein du feuillet. Si on considère les principales espèces minéralogiques la structure de la particule observée dans un plan perpendiculaire au plan des feuillets peut se présenter suivant trois grands types d’empilements: Empilement ordonné, empilement semi-ordonné (ou désordre transrationnel) et empilement désordonné (ou désordre turbo statique) .

Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
Chapitre I : Revue bibliographique
I.1. Généralité sur les argiles
I.1.1. Introduction
I.1.2. Composition des minéraux argileux
I.1.3. Structure et classification des minéraux argileux
I.1.3.1. Structure des minéraux argileux
I.1.3.2. Structure moléculaire microscopique
I.1.3.3. Classification des minéraux argileux
I.1.3.3.1. La kaolinite (1/1, d=7A°)
I.1.3.3.2. Les montmorillonites (1/1, d=10A°)
I.1.3.3.3. Les illites (2/1, d=10A°)
I.1.3.3.4. Les chlorites (2/1/1, d= 14 Å)
I.1.3.3.5. La bentonite
I.1.4. Propriétés des argiles
I.1.4.1. Capacité d’échange cationique (CEC)
I.1.4.2. Propriétés colloïdales
I.1.4.3. Gonflement
I.1.4.4. Surface spécifique
I.1.5. Amélioration des argiles
I.1.5.1. Intercalation des argiles
I.1.5.2. Activation des argiles
I.1.5.2.1. Activation acide des argiles
I.1.5.2.2. Activation thermique
I.1.5.4.3. Activation alcaline
I.2.Catalyse et catalyseurs
I.2.1. Définition de la catalyse
I.2.2. Catalyse hétérogène
I.2.3. Théorie et mécanisme de la catalyse hétérogène
I.2.3.1. Les mécanismes élémentaires en catalyse hétérogène
I.2.4. La cinétique de la réaction catalytique
I.2.5. Propriétés et caractéristiques des catalyseurs
I.2.5.1. Activité catalytique
I.2.5.2. Sélectivité des catalyseurs
I.2.5.3. La stabilité du catalyseur
I.2.5.4. Structure et morphologie
I.2.5.5. Superficie et porosité
I.2.5.6. Dispersion et dimension des particules
I.2.5.7. Composition chimique
I.2.5.8. Résistance mécanique
I.2.5.9. Résistance thermique
I.2.5.10. Régénérable
I.2.5.11. Reproductibilité
I.2.5.12. Prix
I.2.6. Préparation des catalyseurs solides
I.2.6.1. Filtration et lavage
I.2.6.2. Séchage
I.2.6.3. Calcination
I.2.6.4. Réduction, activation, et protection
I.2.7. Exemple de réaction de catalyse homogène : Estérification
I.2.7.1. Mécanisme de l’estérification
I.2.7.2. Paramètres influençant l’estérification
I.2.7.3. Équilibre de la réaction
I.3. Adsorption
I.3.1. Différents types d’adsorption
I.3.1.1. Adsorption physique (physisorption)
I.3.1.2. Adsorption chimique (chimisorption)
I.3.2. Les mécanismes d’adsorption
I.3.3. Facteurs influençant l’adsorption
I.3.3.1. Surface spécifique
I.3.3.2. La nature de l’adsorbat
I-3-3-3-La polarité
I.3.3.4. Le pH
I.3.3.5. La température
I.3.3.6. Dimension des pores
I.3.4. Classification des isothermes d’adsorption
I.3.4.1. Isotherme de type I
I.3.4.2.Isotherme de type II
I.3.4.3. Isotherme de type III
I.3.4.4. Isotherme de type IV
I.3.4.5. Isotherme de type V
I.3.5. Cinétique d’adsorption
I.3.5.1. Pseudo premier ordre
I.3.5.2. Pseudo-second ordre
I.4. Colorants
I.4.1. Définition d’un colorant
I.4.2. différents types de colorants
I.4.2.1. Les colorants naturels
I.4.2.2. Les colorants synthétiques
I.4.4. Classification des colorants
I.4.4.1. Classification chimique
I.4.5. Toxicité des colorants
I.5. Conclusion
Chapitre II : Préparation et caractérisation des argiles modifiées
II.1. Introduction
II.2. Modification de l’argile brute par activation acide
II.2.1. Réactifs et matériels d’activation
II.2.2. Méthode d’activation
II.3. Caractérisation physico-chimique des matériaux argileux
II.3.1. Méthodes de caractérisation
II.3.1.1. Granulométrie de l’argile brute
II.3.1.2. Mesure du pH des matériaux argileux
II.3.1.3. Acidité de surface
II.3.1.4. Mesure de la surface spécifique
II.3.1.4.1. Matériels utilisés
II.3.1.4.2. Protocol expérimental
II.3.1.5. Point de charge zéro PZC
II.3.1.6. Détermination de la conductivité
II.3.1.7. Détermination du taux d’humidité
II.3.1.8. Détermination de la perte à feu (PAF)
II.3.1.9. Spectroscopie infrarouge
II.3.1.10. La diffraction aux rayons X
II.3.1.11. Analyse thermogravimétrique
II.4. Résultats et discussion
II.4.1. Activation de l’argile brute
II.4.1.1. Effet de la concentration de l’acide d’activation
II.4.1.2. Effet de la température d’activation
II.4.1.3. Effet de la nature de l’acide d’activation
II.4.2. Granulométrie
II.4.3. Mesure du pH
II.4.4. Acidité de surface
II.4.5. Surface spécifique
II.4.6. Point de charge zéro PZC
II.4.7. Conductivité
II.4.8. Le taux d’humidité
II.4.9. Perte à feu (PAF)
II.4.10. Spectroscopie IR
II.4.11. La diffraction aux rayons X
II.4.12. Analyse thermogravimétrique
II.4. Conclusion
Chapitre III : Application à la catalyse hétérogène
III.1. Introduction
III.2. Réaction d’estérification de l’acide acétique
III.2.1. Mode opératoire
III.3. Résultats et discussion
III.3.1. Effet du type de catalyseurs sur l’estérification de l’acide acétique
III.3.2. Effet de la nature d’alcool sur l’estérification de l’acide acétique
III.3.3. Effet de la classe d’alcool
III.3.4. Effet du rapport des réactifs sur l’estérification de l’acide acétique
III.3.5. Effet de la masse du catalyseur
III.4. Etude comparative
III.5. Conclusion
CONCLUSION GENERALE

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