DÉFINITION DES ZEOLITHES

En 1756, le minéralogiste Baron Crönstedt découvrit la Stilbite. Ce minéral, sous l’effet de la chaleur perdait de l’eau et donnait l’impression de bouillir. Crönsted le baptisa « zéolithe », du grec « zeo », qui veut dire « bouillir » et « lithos » qui signifie « pierre ». Depuis cette première découverte, la famille des zéolithes s’est agrandie et compte parmi les minéraux les plus abondants sur la Terre. Actuellement près de deux cents zéolithes sont connues dont une quarantaine naturelles.

Les zéolithes naturelles se sont formées après plusieurs millions d’années à partir de cendres volcaniques déposées dans des lacs salés. Au cours du temps et sous l’effet du milieu alcalin, les cendres se sont altérées puis ont cristallisé pour aboutir aux zéolithes. Les zéolithes naturelles sont exploitées dans des carrières à ciel ouvert. La première synthèse de zéolithe a eu lieu en 1862 mais ce n’est qu’en 1956 que la première zéolithe synthétique n’existant pas dans la nature a pu être réalisée.

Les zéolithes sont des aluminosilicates hydratés. Leur structure est un arrangement tridimensionnel de tétraèdres SiO4 et AlO4 liés entre eux par les atomes d’oxygène. Les zéolithes sont des échangeurs de cations et des minéraux microporeux.

Les zéolithes sont utilisées dans une multitude d’applications qui peuvent être regroupées en quatre grands domaines :

  • Adsorption/Désorption des liquides et des gaz.
  • Stockage d’énergie.
  • Echange Cationique.
  • Catalyse.

 

Zéolithe Naturelle en Granulé                         

 

 

Zéolithe Synthétique en Bille

 

PROPRIÉTÉS DES ZÉOLITHES

Adsorption des gaz

Les zéolithes sont capables d’adsorber des molécules organiques et minérales en phase gaz sans aucune modification structurale. Cette adsorption est due à leur surface spécifique élevée (100 à 800 m2/g), à des effets de surface hydrophobe-hydrophile et à leur structure. Les zéolithes interviennent dans le traitement des gaz industriels mais aussi dans le cas des nuisances olfactives.

Tamis moléculaire

Les pores des zéolithes, de diamètre constant, ne laissent pénétrer à l’intérieur de leur réseau que les molécules les plus petites. Elles permettent donc de séparer sélectivement des mélanges gazeux ou liquides : ce sont des tamis moléculaire.

Adsorption/ désorption de l’eau

Certaines  zéolithes ont une très grande affinité pour l’eau. Cela se traduit par une capacité d’adsorption pouvant atteindre jusqu’à 30% en poids et ce, sans aucune variation de leur volume. La régénération a lieu en éliminant l’eau par des effets de pression et/ou de température. Dans d’autres conditions de mise en œuvre, l’eau adsorbée est restituée naturellement lorsque le milieu est trop sec. Cette réversibilité de l’adsorption de l’eau en fonction de l’équilibre hydrique fait des zéolithes de parfaits stabilisateurs d’humidité.

Adsorption des liquides organiques et minéraux

Comme pour les gaz et l’eau, les zéolithes sont capables d’adsorber des molécules organiques ou minérales en solution aqueuse ou non. Cette adsorption est spécifique à chaque zéolithe. Cette propriété permet d’appliquer les zéolithes dans le traitement d’effluents chargés en pesticides, en organo-chlorés, ou encore en hydrocarbures.

Capacité d’échange cationique

Le cation assurant l’électroneutralité de la matrice zéolitique peut être échangé par un autre. Cet échange se fait sélectivement en fonction de l’affinité de la zéolithe pour le cation remplaçant. La capacité d’échange cationique totale et la sélectivité sont spécifiques à chaque type de zéolithe. Cette propriété rend les zéolithes particulièrement utiles et d’une efficacité unique dans l’élimination de cations ou la maîtrise de leur concentration dans les eaux potables et usées, dans l’aquaculture, l’agriculture et de nombreux autres domaines.

Catalyse

Les zéolithes peuvent présenter à l’intérieur de leur structure des sites capables de catalyser des réactions chimiques. Cette propriété est largement employée en pétrochimie et permet d’effectuer de nombreuses réactions de réduction, d’oxydation ou acido-basiques. Dans la mesure où les réactions ont lieu à l’intérieur de la matrice zéolitique, seules les molécules qui requièrent un espace inférieur à celui disponible dans les cavités peuvent se former. Les zéolithes exercent donc une sélectivité de forme sur les produits réactionnels.

Stockage et restitution d’énergie

Dans le cas des zéolithes, l’adsorption d’eau s’accompagne d’une libération de chaleur. Le cycle adsorption/désorption peut être renouvelé indéfiniment et la chaleur dégagée transférée par le biais de compresseurs ou de liquides caloporteurs. Cette propriété permet de faire du chaud et du froid selon le principe de la pompe à chaleur.