ZÉOLITES

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Le terme zéolite, retrouvé pour la première fois dans la littérature scientifique du xviiie siècle, est dérivé des deux mots grecs zein (bouillir) et lithos (pierre). L'origine de cette désignation reposait sur l'observation faite par le baron A. F. Cronstedt que, pendant un chauffage rapide, certains minéraux semblaient fondre et bouillir en même temps, en dégageant une quantité énorme de vapeur d'eau. Ce phénomène d'intumescence pouvait en outre être répété après l'exposition du minéral à l'air humide. Pendant cette même période, il a été découvert que ces zéolites naturelles étaient utilisables dans l'adoucissement des eaux dures et, par conséquent, avaient des propriétés d'échangeur de cations.

C'est seulement à partir de 1920 qu'on a mis en évidence le fait que ces matériaux étaient capables d'absorber des vapeurs organiques. On s'est également rendu compte que certaines de ces zéolites naturelles pouvaient fonctionner comme de véritables tamis de molécules, d'où leur nom générique de tamis moléculaire. Et même, la chabasie, un minéral appartenant à la famille des zéolites naturelles, est capable dans sa forme déshydratée, de « sorber » rapidement des vapeurs alcooliques, tandis que d'autres molécules organiques d'une taille plus grosse (comme le benzène et l'acétone) ne sont pas acceptées par cette structure.

L'étude systématique des zéolites naturelles et de leurs propriétés, comme tamis moléculaire et échangeur de cations, a été commencée par R. M. Barrer et ses collaborateurs vers 1930. De plus, cette même équipe de chercheurs a préparé pour la première fois des zéolites synthétiques. Depuis lors, toutes les grandes compagnies chimiques et pétrolières ont eu des activités dans ce domaine et ne cessent de déposer des brevets sur la préparation et les applications de zéolites nouvelles. Jusqu'à présent, toutes les zéolites naturelles ont été synthétisées, et, en outre, plusieurs nouvelles zéolites synthétiques, dont la structure n'existe pas dans la nature, sont connues. Entre-temps, toute une gamme de zéolites synthétiques a trouvé des applications industrielles comme échangeur de cations, tamis moléculaire, catalyseur et épurateur chimiques. En 1983, l'étude des zéolites est un domaine scientifique et industriel en plein développement.

Structure des zéolites

Chimiquement, les zéolites (naturelles ou synthétiques) sont des aluminosilicates hydratés de composition

M étant un cation échangeable de valence n et (H2O)z représentant l'eau d'hydratation. Leur structure, ou leur réseau cristallin, est constituée par des enchaînements tridimensionnels de tétraèdres SiO4 et A1O-4 liés par leurs sommets. Les cations M, neutralisant les charges négatives des tétraèdres A1O-4, peuvent être échangés par d'autres cations, au contact d'une solution saline appropriée.

La charpente d'aluminosilicate, formée par ces enchaînements tridimensionnels, délimite un espace vacant. Cet espace est organisé en un réseau complexe de pores, cages et cavités. Les molécules d'eau occupant normalement ce réseau poreux peuvent être remplacées par des molécules de taille inférieure à la dimension des pores. Certaines zéolites peuvent aussi être synthétisées avec d'autres tétraèdres (comme GeO4, GaO-4 et PO+4) qui se substituent partiellement ou complètement aux tétraèdres SiO4 et/ou A1O-4. Pour une même structure, ceci peut provoquer des changements dans les dimensions des pores et des cages.

Les chaînes de tétraèdres forment des arrangements caractéristiques, soit des anneaux, soit des polyèdres, qui se retrouvent dans plusieurs types de zéolites. On classe donc dans un même groupe les zéolites présentant un motif structural donné. Ainsi, la classification en 7 groupes de W. M. Meier est basée sur les motifs représentés sur la figure. La charpente de quelques zéolites utilisées industriellement est visualisée sur la figure. Les micropores zéolitiques peuvent alors avoir une structure et une géométrie distinctes. Le système poreux peut être mono-, di- ou tridimensionnel, composé de pores droites, ondulaires ou même formé par des cages avec des fenêtres communes. Cette structure détermine les propriétés spécifiques comme tamis moléculaire et catalyseur sélectif.

Charpente : constitution

Diaporama : Charpente : constitution

Enchaînements de tétraèdres et unités secondaires caractéristiques constituant la charpente des zéolites. Les atomes Si ou Al occupent les sommets, et les atomes d'oxygène sont au milieu des arêtes. 

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Charpentes caractéristiques

Diaporama : Charpentes caractéristiques

Quelques charpentes zéolitiques caractéristiques : (a) charpente d'une zéolite A, (b) d'une zéolite Y et (c) d'une zéolite du type ZSM-5 ; (d) une section perpendiculaire aux pores de la zéolite offretite, (e) erionite, (f) zéolite L et (g) mordenite. 

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Charpente : constitution

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Utilisation comme échangeurs de cations

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Propriétés relatives à leur utilisation comme adsorbant

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  • : chargé de cours à l'université catholique de Louvain( Belgique), maître de recherche au Fonds de la recherche scientifique de Belgique

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Pour citer l’article

Pierre Auguste JACOBS, « ZÉOLITES », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 21 mai 2022. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/zeolites/