Chimie des smectites et montmorillonite

Oxydes de soufre (SOx) - Origine

• Les oxydes de soufre proviennent de sources naturelles et artificielles.
• Les éruptions volcaniques représentent 20% des sources.
• La combustion des combustibles fossiles produit 55% des dioxydes de soufre présents dans l'atmosphère.
• L'industrie chimique est responsable de 25% des oxydes de soufre présents dans l'atmosphère.

Oxydes de soufre (SOx) - Conséquences

• Les oxydes de soufre contribuent à la formation de pluies acides.
• Ils ont des impacts sur la faune, la flore et la santé humaine.
• Des méthodes de contrôle des émissions de SOx incluent les réactions des oxydes acides avec des oxydes ou hydroxydes basiques bon marché, comme la réaction entre le Ca(OH)2, le SO2 et le O2 qui produit du CaSO4 et de l'H2O. Le Mg(OH)2 est préféré au Ca(OH)2 car il est insoluble dans l'eau, ce qui en fait une méthode plus efficace pour le contrôle.

Les silicates

• La classe des silicates contient près de 900 espèces.
• Avec la silice, les minéraux de cette classe constituent près de 95% en poids de la croûte terrestre.

Classification des minéraux silicates

• La classification est basée sur le nombre de sommets partagés dans la structure cristalline.
• 0 sommets partagés : nésosilicates
• 1 sommet partagé : sorosilicates
• 2 sommets partagés : inosilicates
• 3 sommets partagés : phyllosilicates
• 4 sommets partagés : tectosilicates

Phyllosilicates et argiles

• Les argiles sont des roches composées de minéraux argileux (phyllosilicates).
• Elles présentent de nombreux gisements et un coût relativement faible.
• Elles sont importantes dans de nombreux domaines.
• La structure des phyllosilicates repose sur l'agencement de couches tétraédriques et octaédriques.

Phyllosilicates 2:1

• Les smectites sont un type de phyllosilicates 2:1, caractérisées par une composition chimique variable d'un gisement à un autre et potentiellement contenant des hétéroéléments, des phases annexes et des contaminants.
• Les smectites naturelles peuvent être colorées.
• Les smectites synthétiques offrent des avantages dans le contrôle de la composition chimique, incluant des variations homoioniques et des facteurs de forme variables.
• La synthèse en milieu acide et fluoré est une méthode pour obtenir des smectites synthétiques.
• Les étapes incluent la préparation d'un hydrogel à partir de sources de Na, Al, Si, et F.
• La cristallisation à 200°C, la filtration, le lavage, le séchage et le broyage sont également inclus dans le processus.

Béidellite

• La composition molaire du mélange réactionnel peut être décomposée pour calculer les quantités des réactifs nécessaires à la synthèse.

Zéolithes

• Des composés minéraux microporeux cristallisés.
• Constitués d'anneaux, canaux, et cavités moléculaires.
• Elles présentent une forte acidité, une sélectivité en réactifs/produits et une sélectivité de forme.

Zéolithes - Classification

• L'arrangement des tétraèdres TO4 (T=Si, Al) délimite des cages, des canaux et des cavités de dimensions moléculaires.

Zéolithes - Nomenclature

• La nomenclature des solides est basée sur le diamètre des pores qui peut être microporeux, mésoporeux ou macroporeux.

Zéolithes -Propriétés

• Surfacs spécifiques élevées
• Présence de pores de dimensions moléculaires
• Sélectivité de taille/forme
• Capacité d'échange ionique selon la nature de la zéolithe
• Capacité d'adsorption élevée

Zéolithes - Méthode de synthèse

• Utilisant un traitement hydrothermal dans des autoclaves.
• Définissant le structure, l'organisation des TO4 autour du structurant, et aussi la création de la charpente.

Mise en forme des Zéolithes

• La transformation de la poudre pulvérulente en formes plus complexes via extrusion ou création de membranes (supports).

Verres

• La majorité des verres est formée à partir du dioxyde de silicium (SiO2).
• Dans les conditions normales de refroidissement, la silice ne se cristallise pas mais forme un solide amorphe.
• Les composants binaires comme les oxydes et les halogénures peuvent donner naissance à des verres avec des vitesses de trempe modérées.

Verres - Types

• Formateurs de verres (SiO2, GeO2, B2O3, P2O5, As2O5, V2O5)
• Modificateurs de verres (Li2O, K2O, CaO, SrO, BaO, La2O3)

Verres - Températures

• Les températures caractéristiques des verres, telles que la température de tension (Tg), de recuit (Tr), de ramollissement (Tm) et de fusion (Tf).

Verres - Trempe

• Deux types : thermique et chimique.
• Trempe thermique : le verre est préchauffé et refroidi brusquement.
• Trempe chimique : remplacement des ions sodium par des ions potassium moins volumineaux.

Fibres de verre - Préparation

• Formulation du mélange
• Fusion (1500°C)
• Fibrage (1250°C)
• Etirage
• Ensimage
• Bobinage
• Tissage.

Fibres de verre - Traitements de surface

• Utilisation de composés organiques (silanes)
• Apport de propriétés de protection, lubrification, compatibilité avec les polymères.

Fibres de verre - Types

• Différents types de verre adaptés à des usages spécifique (électrique, résistance mécanique, usage au milieu acide/basique) selon la nature des oxydes présents dans ce verre.

Céramiques traditionnelles - Généralités

• Matériaux inorganiques composés d'oxydes, de carbures, de nitrures, siliciures, borures.
• Liaison chimique de nature ionique ou covalente.
• Mise en forme à partir d'une poudre granulométrie adaptée.

Céramiques traditionnelles - Frittage

• Traitement thermique pour densifier et consolider une matière première céramique.
• Potentiel de densification et de compacité maximale.

Céramiques traditionnelles - Mise en forme

• Différentes méthodes comme le coulage, le pressage et l'extrusion.

Céramiques traditionnelles - Emaillage

• Application d'une pellicule vitreuse.
• Modification de l'aspect de la céramique.
• Imperméabilisation et augmentation de la résistance chimique du produit.
• Cuisson à haute température (1200°C).

Céramiques traditionnelles - Structure

• Structure mixte : combinaison de phases vitreuse et cristalline.

Céramiques traditionnelles - Ciment et Béton

• Le ciment est un composant essentiel du béton, résultant d'une réaction chimique entre un mélange de calcaire et d'argile à très haute température et un ajout de gypse avant broyage.
• différents types de mélange obtenus selon les composants ajoutées.

Béton à Haute Performance (BHP)

• optimisation de la formulation pour minimiser la porosité et optimiser le squelette granulaire du béton.

Céramiques techniques

• Composés inorganiques, exclus les argiles, formés d'oxydes, de nitrures ou de carbure.

• Pureté importante dans les processus de sélection.

• Utilisation comme matériau réfractaire et abrasif.

Oxyde : Zircone (ZrO₂)

• Oxyde avec un très haut point de fusion.
• Subit un grand nombre de transitions de phases.
• Utilisée stabilisée avec addition d'oxydes pour obtenir des composés sans transition de phase au refroidissement.

Carbure de silicium (SiC)

• Un matériau résistant à l'usure, utilisé principalement pour des applications dans lesquelles l'abrasion est importante.

Propriétés remarquables des céramiques techniques

• Grande dureté
• Bonne résistance aux chocs thermiques
• Grande conductivité thermique
• Faible dilatation thermique
• Excellente inertie chimique