Déshydratation de la boehmite en alumine de transition

Les alumines de transition sont des’matériaux importants du point de vue technique à cause de leur grand pouvoir d’adsorption (alumines activées) et leurs propriétés catalytiques. Plus particulièrement l’alumine-gamma est utilisée comme support des catalyseurs employés pour épurer les gazs d’échappement des automobiles.

Industriellement l’alumine-gamma est préparée en particulier à partir de la boehmite par chauffage de cette dernière. Les propriétés physicochimiques d’un tel matériau dépendent étroitement de la nature de son précurseur (degré de cristallisation, taille des particules) et des conditions de sa préparation, telles que la température, la pression, la vitesse de chauffage, et l’aciditébasicité du milieu sous lesquelles l’alumine a été préparée.

La presque totalité des études effectuées jusqu’ici concernent la déshydratation de la boehmite en alumine de transition, le mécanisme de la transformation structurale, tandis qu’aucune étude à notre connaissance n’est effectuée sur la déshydratation de la boehmite lors de l « élévation de la température en tenant compte des équilibres thermodynamiques existants à chaque température et de l’influence de la pression de vapeur d’eau sur la composition de chaque équilibre à chaque température.

LES OXYHYDROXYDES ET OXYDES D’ALUMINIUM 

NOMENCLATURE 

La chimie des composés solides binaires : oxygène – aluminium et ternaires : oxygène – hydrogène – aluminium est complexe. On distingue trois grandes familles
– les oxydes d’aluminium de formule Al 2 O3 , appelés aussi alumines,
– les trihydroxydes d’aluminium Al(OH)3′ appelés aussi trihydrates d’alumine Al 2 O3 , 3H2O, et les oxyhydroxydes d’aluminium AlOOH, appelés aussi monohydrates d’alumine Al 2O3 , H2O.

Dans chaque famille les variantes sont distinguées entre elles par des lettres grecques et deux grands systèmes de nomenclature sont employés :
– le système Européen dû principalement à Haber, Weiser et Milligan (1,2),
– le système Américain de la journée ALCOA (3).

Les principales différences entre ces deux systèmes concernent les trihydroxydes et les oxydroxydesd’aluminium. Pour les oxydes le système ALCOA en distingue un grand nombre comme produits de la déshydratation des tri hydroxydes et oxyhydroxydes et qui précèdent la formation de l’alumine-alpha,ou corindon, obtenue à des températures élevées. Le système de Haber, Weiser et Milligan ne prévoit qu’une seule variété. D’autres auteurs Européens distinguent un grand nombre de ces alumines intermédiaires .

La nomenclature Américaine affecte les lettres grecques aux trihydroxydes et oxyhydroxydes en fonction de leur abondance dans la nature, la lettre « alpha » désignant le composé le plus abondant (5), la lettre « bêta » le second plus 1;l.bondant etc Le système Européen affecte les lettres grecques à ces mêmes composés en tenant compte de leur structure et. des produits formés par leur traitement thermique (5).

Au cours de cette étude nous adopterons le système Européen que nous trouvons plus cohérent. En effet le système ALCOA peut conduire à des confusions dans la parenté entre les différents composés. Dans cette nomenclature Américaine le diaspore appelé oxyhydroxyde-bêta (AlOOH-S) conduit après traitement thermique à l’alumine alpha (Al 2O3 -a) qui cristallise dans le même réseau hexagonal compact que le diaspore, tandis que la boehmite qui est appelée oxyhydroxyde-alpha (AlOOH-a) conduit après traitement thermique à l’alumine-gamma (Al2 O3 -Y) (figure 1.1). Au contraire dans la nomenclature Européenne le diaspore est baptisé oxyhydroxyde-alpha (AlOOH-a) comme son produit de déshydroxylation l’alumine alpha (Al2O 3 -a), et la boehmite appelée oxyhydroxyde-gamma (AlOOH-y) donne par déhydroxylation l’alumine-gamma (Al2O3 -y). De plus la lettre « alpha » est généralement attribuée aux composés qui ont une structure hexagonale compacte ce qui rend cohérent le système Européen de nomenclature.

LA BOEHMITE 

La boehmite qui est l’oxyhydroxyde-gamma de l’aluminium, appelé aussi monohydrate d’alumine-gamma, a pour formule AlOOH. Cette formule est identique à celle du diaspore mais ces deux composés se distinguent entre eux par leur structure cristalline (6,7) et par la nature des produits obtenus lors d’un traitement thermique (5) (8).

Du point de vue structural le cristal de la boehmite est formé d’ions Al 3+ entourés par un octaèdre irrégulier d’oxygènes (9,10). Ces octaèdres (figure 1.2) sont joints les uns aux autres de façon à former une double couche par emboitement en ayant des faces communes deux à deux. Ces doubles couches sont liées entre elles par des ponts hydrogènes qui forment des rangées parallèles de chaînes en zig-zag le long de l’axe « b » du cristal. Chaque double couche d’octaèdre constitue un réseau compact cubique mais la structure de la maille entière n’est pas compacte (7). Il y a 4AlOOH par maille et 2AlOOH par motif (6) (11). La maille de la boehmite est orthorhombique (6) (12) et ses paramètres sont (8) (l3) :

a ~ 2,866 A°
b ~ 3,700 A°
c ~ 12,226 A°

LES ALUMINES DE TRANSITION 

On distingue un grand nombre d’alumines Al 2O3 , qui sont issues des trihydroxydes et des oxyhydroxydes d’aluminium par décomposition thermique. Ces alumines, appelées ALUMINES DE TRANSITION sont les produits intermédiaires qui précèdent la formation de l’alumine-alpha thermodynamiquement stable à haute température (figure 1.1). La structure de certaines de ces alumines est inconnue ou mal connue, mais pour certaines autres on sait qu’elles cristallisent dans une structure spinelle. Elles se distinguent entre elles par une répartition différente des cations Al 3+ et des lacunes cationiques, par le nombre d’hydroxyles qu’elles comportent, mais qui reste faible dàns tous les cas, par le système et les dimensions de leur maille unitaire et finalement par une cristallisation plus ou moins parfaite. Nous nous limiterons à l’étude des alumines de transition issues de la déshydroxylation de la boehmite.

Table des matières

INTRODUCTION
Chapitre l LESOXYHYDROXYDES ET OXYDES D’ALUMINIUM
1-1) Nomenclature
1-2) La Boehmite
1-3) Les Alumines de Transition
Chapitre II METHODES EXPERIMENTALES
11-1) Spectrographie de Diffraction des Rayons-X
11-2) Thermodésorption et Spectrométrie de Masse
11-3) Analyse Thermogravimétrique
11-4) Spectroscopie Infra-Rouge
11-5) Analyse Thermique Différentielle
11-6) Analyse Enthalpimétrique Différentielle
Chapitre III RESULTATS EXPERIMENTAUX
111-1) Diffractométrie des Rayons-X
111-2) Thermodésorption et Spectrométrie dé Masse
111-3) Analyse thermique Différentielle et Analyse Enthalpimétrique Différentielle
111-4) Analyse Thermogravimétrique
a) Analyse Thermogravimétrique Non-isotherme dans l’air
b) Analyse Thermogravimétrique Non-isotherme en atmosphère
de vapeur d’eau pure
c) Analyse Thermogravimétrique Isotherme en atmosphère de vapeur d’eau pure
111-5) Etudes des Spectres d’Absorption en Infra-Rouge
a) Etudes des Spectres à Températures Ordinaires
b) Etude du Spectre Infra-Rouge au cours du chauffage
c) Etude des bandes de vibration situées à 3440 cm-l,
-1 -1 -1 1635 cm ,2080 cm et 1965 cm
Chapitre IV INTERPRETATION DES RESULTATS ET DISCUSSION
IV-1) L’eau et la phase boehmite
a) Etude de l’eau adsorbée
b) L’eau liée sous !orme d’hydroxyles
IV-2) L’eau et la phase alumine de transition
IV-3) La transformation de la boehmite en alumine de transition
IV-4) Discussion
CONCLUSION

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