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Notions fondamentales sur la catalyse
Généralités sur la catalyse
L’utilisation d’un catalyseur constitue une des diverses méthodes pour activer une réaction chimique homogène. Il y a encore une trentaine d’années, la catalyse était considérée comme un phénomène mystérieux qui n’est d’ailleurs actuellement pas totalement élucidé, les applications de la catalyse tiennent une place de plus en plus importante dans la technique industrielle, mais il faut noter que la catalyse n’est pas limitée à de telles réactions, en effet, de nombreuse réactions, industrielles notamment, sont catalysées par des solides et relèvent donc de la catalyse hétérogène.
Ce mode d’activation est certainement l’un de plus puissants et des plus intéressants de ceux qui s’offrent au chimiste voulant mettre en œuvre une réaction homogène ou hétérogène, thermo dynamiquement possible mais s’effectuant, sans cette activation à une vitesse trop faible ou même nulle [1].
Définition de la catalyse
Le terme catalyse a été introduit pour la première fois par Berzelius en 1835 [2]. Depuis, la catalyse est devenue un vaste domaine de la science moderne et actuellement près de 90 % des procédés industriels sont basés sur l’utilisation ou bien la présence d’un catalyseur. La catalyse est l’action par la quelle une espèce chimique augmente la vitesse d’une réaction chimique par sa seule présence, en se retrouvant intacte à l’issue de celle-ci. Cette substance, appelée catalyseur, est de plus utilisée en très petite quantité par rapport aux réactifs en présence [3,4]. L’espèce chimique qui détermine ce phénomène n’apparait pas dans l’équation bilan de réaction ; il y a donc une association temporaire du catalyseur avec un ou plusieurs réactifs .
Le catalyseur ne modifie pas la thermodynamique de la réaction mais plutôt le mécanisme réactionnel de cette réaction, c.à.d. la nature et le nombre des étapes permettant de passer de l’état des réactifs à l’état des produits [3,4].
Les types de la catalyse
La catalyse est classée en deux grands types selon l’état physique du catalyseur
➤ Catalyse homogène : Une catalyse est dite homogène si le catalyseur appartient à la même phase que les réactifs : dans ce cas la réaction se déroule dans tout le volume occupé par le système ; elle est d’autant plus rapide que la concentration en catalyseur est élevée .
● Catalyse hétérogène : Quand le catalyseur est insoluble dans le milieu réactionnel la catalyse est dite hétérogène. La base de la catalyse hétérogène est l’adsorption de molécules réactives avec suffisamment d’énergie pour former un complexe activé adsorbé sur la surface du solide. Le type d’adsorption nécessaire à la surface est la chimisorption [6], cette adsorption met en jeu des sites spécifiques, capables de former, avec les réactifs, des liaisons chimiques plus ou moins fortes .
Les catalyseurs hétérogènes, ou plus spécifiquement les catalyseurs solides, dominent la catalyse industrielle. De tous les procédés catalytiques industriels, 80% d’entre eux comportent l’utilisation des catalyseurs solides, quant aux 20% restants, ils se répartissent entre les catalyseurs homogènes (17%) et les biocatalyseurs (3%).
La description qualitative de l’acte catalytique
En catalyse de contact, la réaction catalytique se déroule selon les cinq étapes consécutives [10,11] suivantes :
1) Diffusion des réactifs à la surface du catalyseur.
2) Adsorption des réactifs sur le catalyseur.
3) Interaction en surface des réactifs adsorbés.
4) Désorption des produits de la surface du catalyseur.
5) Diffusion des produits quittant la surface vers le milieu entourant le catalyseur.
Les étapes 1 et 5 correspondent à des processus physiques, par contre les étapes 2, 3 et 4 correspondent à des phénomènes chimiques .
Les méthodes de préparation des catalyseurs supportés
Pour les catalyseurs supportés on les prépare souvent par imprégnation. On distingue deux types d’imprégnations [19] :
➤ Imprégnation sans interaction entre le support et les précurseurs.
➤ Imprégnation avec interaction entre le support et les précurseurs.
Mode d’action d’un catalyseur
De façon générale, l’action d’un catalyseur est liée à la possibilité pour ce dernier de former avec au moins un réactif, un intermédiaire réactionnel correspondant à une voie différente et plus rapide que la réaction non catalysée, cet intermédiaire réactionnel réagit seul ou avec un autre réactif, pour former en une ou plusieurs étapes. L’intervention du catalyseur a pour effet de remplacer une ou plusieurs étapes difficiles dans la réaction non catalysée par une succession d’étapes plus faciles. Ceci se traduit généralement par une énergie d’activation globale de la réaction catalysée plus faible que celle de la réaction spontanée. La catalyse permet d’augmenter substantiellement la vitesse des transformations chimiques en améliorant la sélectivité de la réaction vers le produit recherché .
Propriétés du catalyseur
Pour connaitre de quelle manière un solide peut avoir telle ou telle action, il est nécessaire de déterminer d’abord ses propriétés fondamentales, le caractère des réactants, la nature des liaisons catalyseurs-réactifs. Les propriétés catalytiques d’un solide sont déterminées par sa nature et son état électronique. Le mécanisme de son action catalytique réside tant à l’intérieur qu’à la surface solide elle-même.
L’importance de la catalyse
Les possibilités qu’offre la catalyse pour améliorer les procédés chimiques sont nombreuses. La catalyse devrait permettre de trouver des solutions ingénieuses pour élaborer plus efficacement (économie de matières premières, d’énergie, d’investissement) les molécules chimiques que nous utilisons. La catalyse hétérogène est impliquée dans plusieurs procédés industriels, à savoir la chimie minérale, la synthèse de molécules médicamenteuses, la synthèse des polymères, le traitement des rejets polluants, etc. La catalyse hétérogène est un domaine pluridisciplinaire nécessitant des informations approfondies sur les catalyseurs solides, allant de leur préparation à leurs caractérisations (en particulier celle de leur surface), mais aussi sur la cinétique, le mécanisme et la mise en œuvre des réactions impliquées [20]. Les catalyseurs acides solides à base d’argiles [1] jouent un rôle important à cause de leur disponibilité et leurs propriétés uniques. En effet, elles s’avèrent efficaces pour l’élimination des polluants organiques via le processus d’adsorption.
Notions fondamentales sur les argiles
La première définition scientifique de l’argile date de 1546 [21].Depuis, plusieurs définitions se sont succédées, qui avaient toutes en commun des critères de plasticité, de taille de particules et présentaient les argiles comme des matériaux réfractaires [22]. L’association internationale pour l’étude des argiles(A.I.P.E.A) a essayé d’harmoniser les différents termes employés à travers le monde [23]. Les argiles sont classées parmi les composés terrestres les plus consistants, les plus poreux et les moins nocifs. Vu leurs propriétés physico-chimiques intéressantes, elles trouvent des applications dans divers domaines. Les argiles présentent, comme de nombreux autres matériaux (alumines, gels de silice, zéolites, etc.) des propriétés catalytiques remarquables [24,25]. Elles sont également utilisées comme catalyseurs de nombreuses réactions chimiques, après leur activation par des acides. Elles peuvent aussi être utilisées comme support de catalyseur pour la catalyse de plusieurs réactions chimiques [26].Les argiles ayants des propriétés acides, peuvent ainsi fort remplacer avantageusement les acides minéraux forts dans bon nombre de réactions acidocatalysées [27].
Les matériaux argileux
Les argiles occupent une place importante et prépondérante dans l’ensemble des roches sédimentaires [26]. Les roches argileuses sont formées de mélanges de minéraux argileux, auxquels viennent s’associer des minéraux allogènes (Quartz, feldspaths, micas, minéraux lourds) ou authigènes (anatase, sulfates, etc.) [28,29].Dans les ouvrages de référence, différentes définitions d’argile sont proposées. Par exemple, Eslinger&Peaver définissent les argiles comme un minéral qui domine dans la fraction fine (< 2 microns) des roches et des sols. Par contre, Weaver regroupe tous les minéraux phyllosilicatés sans aucune connotation de taille et propose d’utiliser le terme de “physils ” pour éviter les confusions [30].Les phyllosilicates sont des silicates dans lesquels des feuillets infinis bidimensionnel sont formés par des tétraèdres de SiO4 .
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Table des matières
Introduction générale
références bibliographiques
Partie I PARTIE BIBLIOGRAPHIQUES
Chapitre I : Généralités sur la catalyse et les argiles
I.1. Introduction
I.2. Notions fondamentales sur la catalyse
I.2.1. Généralités sur la catalyse
I.2.2 .Définition de la catalyse
I.2.3. Les types de la catalyse
I.2.4. La description qualitative de l’acte catalytique
I.2.5. Classification des catalyseurs solides
I.2.6 Généralités sur les supports
I.2.7. Les méthodes de préparation des catalyseurs supportés
I.2.8. Mode d’action d’un catalyseur
I.2.9. Propriétés de catalyseur
I .2.10 . L’importance de la catalyse
I. 3. Notions fondamentales sur les argiles
I.3.1.Introduction
I.3.2. Les matériaux argileux
I.3.3. Structure et classifications des argiles
I.3.4. Les composés non phylliteux associés aux argiles
I.3.5. Propriétés acido-basiques des sites réactionnels
I.3.6. Acidité des argiles
I.3.7. Les argiles et la catalyse hétérogène
I.3.7. 1. Les argiles dans les procédés industriels
I.4. Minérale argileux : kaolin
I.4.1 Généralités
I.4.2 .La Structure du kaolin
I.4.3. Applications de kaolin
Références bibliographiques
Chapitre II : Généralités sur la polymérisation
II.1. Introduction
II.2. Réaction de polymérisation
II.3. Généralités sur les polymères et les polymérisations
II.3.1 .Classification des polymères
II.3.2. Polymérisation cationique par ouverture de cycle
II.4. Généralités sur le polyTHF
II.4.1 Polymérisabilité des monomères hétérocycliques
II.4.2 Mécanisme de polymérisation par ouverture de cycle
II.5.. Le styrène et le polystyrène
II.5.1. Polymérisation du styrène
II.6. La polymérisation cationique des monomères vinyliques
II.7. Généralités sur la polymérisabilité
II.8. Polymérisation hétérogène du styrène
II .9. Réactions de Polymérisation catalysée par Argile -H+
Références bibliographiques
Partie II ETUDE EXPERIMENTALE
Chapitre III : Matériels et Méthodes
III.1.Introduction
III.2. Préparation des catalyseurs
III .2.1 Géologie et situation géographique du kaolin]
III.2.2 Préparation des catalyseurs solide kaolin –H+ (KG et kJ)
III.2.3 Préparation du catalyseur supporté Co/kaolin
III.3.Synthèse de Poly THF
III.3.1. Synthèse par l’utilisation de kaolin- H+ comme catalyseur
III.4.Synthèse de polystyrène
III.5.Techniques des caractérisations
III.5.1. Spectroscopie infrarouge à transformée de Fourrier TFIR
III.5.2. Calorimétrie Différentielle à Balayage DSC
III.5.3. Microscopie optique MO
III.5.4 Microscopie électronique à balayage (MEB)
III.5.5. Fluorescences des rayons x
III.5.6. Diffraction des rayons X
III.5.7 Analyse thermogravimétrique (ATG)
III.5.8 Résonance magnétique nucléaire RMN –H+
III.5.9.La surface spécifique (BET) (Brunauer, Emmett et Taller)
III.5.10. Spectrophotomètre UV
III.6. Réactifs utilisés
Références bibliographiques
Chapitre IV Résultats et Discussions
IV.1.Introduction
IV.2.Caractérisations des catalyseurs
IV.2.1. Analyse chimique
IV.2.2. Surface spécifique BET
IV.2.3.Mesure de l’acidité pH des catalyseurs
IV.2.4 .Analyse par Spectroscopie Infrarouge
IV .2.5 Diffraction des Rayons X
IV .2.6 Microscopie électronique à balayage (MEB)
IV .2.7 Analyse thermique différentielle et thermogravimétrique
IV.3 Caractérisations de polymère (synthétisé par (KGt ) )
IV.3.1.Analyse par Spectroscopie Infrarouge
IV. 3.2.Résonance Magnétique Nucléaire de proton RMN H+
IV. 3.3 Calorimétrie Différentielle à Balayage DSC
IV. 3.4.Diffraction des Rayons X
IV .3.5. .Microscope optique
IV. 4. Caractérisations de polyTHF synthétisé par le kaolin de jijel (KJ)
IV .4.1.Analyse par Spectroscopie Infrarouge
IV .4.2. Diffraction des Rayons X
IV .4.3 .Microscope optique
IV.4.4. Propriétés optiques
IV. 5.Effet catalytique des catalyseurs (KGt) et (KJt) dans la réaction de polymérisation de THF
IV. 5.1. Effet de la quantité de kaolin -H+ (KGt).sur la conversion du THF
IV. 5.2.Effet du temps de la réaction sur la conversion du THF
IV.5.3. Effet de la quantité de kaolin -H+ (KJt).sur la conversion du THF
IV. 5.4.Effet du temps de la réaction sur la conversion du THF
IV. 6. Mécanisme réactionnel
IV .7. Caractérisations de polystyrène synthétisé par les catalyseurs
IV.7. 1. Analyse de styrène par Spectroscopie Infrarouge
IV .7. 2.Analyse de polystyrène par Spectroscopie Infrarouge
IV .8 Etude cinétique de la réaction de polymérisation du styrène catalysé par les catalyseurs KJt 0.1 et 0.5 M et Co/kaolin [Activité catalytique]
IV .8.1. Effet de la quantité de catalyseur sur la polymérisation de styrène
IV .8.2. Effet du temps de la réaction sur la polymérisation du styrène
IV .8.3. Effet de la quantité de catalyseur Co/kaolin sur la polymérisation de styrène
IV .8.4. Effet du temps de la réaction sur la polymérisation du styrène
IV .9.Mécanisme réactionnel
Références bibliographiques
Conclusion générale
