Comment fonctionne la mesure de sorption ?
Les techniques manométriques mesurent combien un matériau est capable, dans des conditions de pression et de température contrôlées, de capter ou de relâcher un gaz particulier. Elles sont également capables de mesurer la vitesse à laquelle ces phénomènes peuvent avoir lieu.
Adsorption – Introduction à l’Adsorption
Les méthodes d’analyse de sorption de gaz par manométrie utilisent les variations de pression du gaz lorsqu’il est capté (phénomène d’adsorption ou absorption) ou lorsqu’il est relargué (phénomène de désorption) par le matériau à caractériser. Elles peuvent être utilisées à basse pression, ou jusque des pressions élevées, de quelques dizaines à quelques centaines de bar.
Le dispositif qui permet ces mesures est essentiellement composé :
- D’une cellule de mesure dans laquelle l’échantillon de matériau à caractériser est inséré
- D’un réservoir de gaz, alimenté en gaz de test et connecté à la cellule de mesure via une vanne
- D’un dispositif de mesure et de régulation de la température de la cellule de mesure
- D’un dispositif de mesure et de régulation de la température du réservoir de gaz
- D’un capteur de pression permettant de mesurer la pression dans le réservoir et/ou dans la cellule de mesure
- D’un système de gestion de la pression dans le réservoir et/ou dans la cellule de mesure, capable de mettre l’un et/ou l’autre à un niveau de vide ou à une pression initiale donnée
Pour caractériser l’adsorption ou l’absorption de gaz par le matériau, les températures de la cellule de mesure et du réservoir sont tout d’abord stabilisées à des valeurs de consigne. L’échantillon est mis sous vide afin de le « nettoyer » des gaz qu’il pourrait porter en début de mesure.
Une dose de gaz de test est ensuite préparée dans le réservoir, à une pression choisie par l’utilisateur. Connaissant le volume de réservoir, sa température, et sa pression, la quantité de gaz préparé est alors facilement déterminée à partir de l’équation d’état du gaz.
La vanne séparant la cellule du réservoir est alors ouverte, laissant le gaz de test se répandre dans tout le volume disponible. La pression finale théorique en cas d’absence de sorption de gaz par l’échantillon est calculée à partir de la quantité de gaz dans le réservoir, du volume disponible dans la cellule de mesure, de sa température, et de la pression de l’ensemble cellule + réservoir.
Mais comme l’échantillon est capable de capter une partie du gaz présent, la valeur de pression finale est en fait plus faible que sa valeur théorique. La quantité de gaz adsorbée ou absorbée par l’échantillon est déduite de la différence entre cette valeur finale réelle et la valeur théorique.
Ces dispositifs couvrent les besoins de la recherche et du développement de matériaux sous différentes formes (solides, poudres, liquides). Ils sont utilisés sur une très large gamme de température et d’applications.
La manométrie et les mesures d’isothermes de sorption
La procédure décrite en introduction peut être répétée avec des doses de gaz de pressions croissantes, à une température de cellule échantillon fixe. Ainsi, il est possible de déterminer, à une température donnée, l’augmentation de quantité de gaz captée par l’échantillon en fonction de la pression qui lui est appliquée. Cet ensemble de valeurs est appelé isotherme de sorption. Il s’agit d’informations fondamentales pour la compréhension d’un matériau, de son comportement, de sa structure, et de ses performances et applications potentielles.
Ainsi ces mesures sont indispensables pour caractériser des matériaux adsorbants ou absorbant pour le captage, la séparation, le stockage de gaz ou pour de nombreux types de catalyseurs.
La manométrie et les mesures de vitesse de sorption
Au lieu de se contenter de mesurer la pression finale après stabilisation de la pression, les dispositifs utilisant cette méthode mesurent la pression en continu. Ils appliquent le même calcul de quantité de gaz adsorbée ou absorbée à chaque point de mesure et sont donc capables d’afficher la variation de quantité de gaz captée par le matériau en fonction du temps. Ces dispositifs donnent ainsi accès à la vitesse du phénomène, appelée aussi cinétique de sorption.
On peut aisément comprendre que cette vitesse est très importante pour l’application finale du matériau, et que deux matériaux ayant la même capacité de sorption de gaz mais des vitesses de sorption très différentes n’auront pas les mêmes utilisations.
La manométrie et les mesures de désorption et de cycles sorption-désorption
La procédure décrite en introduction peut être réalisée en partant d’un échantillon soumis initialement à une pression élevée, et d’un réservoir préalablement mis sous vide. Ainsi, au lieu de provoquer un phénomène de captage ou d’adsorption, c’est le phénomène inverse, un relargage ou une désorption, qui aura lieu. Il est alors d’une part possible de réaliser des isothermes de désorption, et d’autre part des mesures de vitesse de désorption.
Ces données sont tout aussi importantes pour l’application finale du matériau puisque dans la plupart des cas, il est soumis à des cycles de captage puis de relargage des gaz.
Certains dispositifs manométriques permettent d’ailleurs de programmer des cycles d’adsorption-désorption afin de vérifier la bonne tenue du matériau dans des conditions proches de celles auxquelles il sera soumis dans son application.
