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Lorsque un gaz ou une vapeur est en contact avec une surface solide, une partie de ce dernier se joint au solide. Cette fraction de gaz ou de vapeur qui se joint au solide entre dans celui-ci ou reste ancré à sa surface. On appelle ce phénomène adsorption. L'adsorption est un processus exothermique où se produit une diminution de l'entropie du système.
De manière simplifiée, l'adsorption est l'attraction et l'adhésion des molécules gazeuses et/ou liquides sur la surface d'un solide et ses cavités inférieures. Cette attraction est due aux forces non équilibrées existantes sur la surface de n'importe quel solide. Ces forces non équilibrées sont le résultat de valences non satisfaites sur la surface du solide et donnent lieu à ce que l'on appelle la tension superficielle solide. La quantité d'adsorption dépend autant de la nature spécifique de l'adsorbant que du matériel adsorbé.
Étant donné que l'adsorption est un phénomène de surface, les bons adsorbants sont ceux qui présentent de grandes surfaces par unité de masse et possèdent de grandes forces attractives. La quantité d'adsorption est directement proportionnelle à la surface exposée et à la concentration du matériel adsorbé. Toutes les classes de molécules peuvent être adsorbées jusqu'à un certain point, bien que les molécules qui possèdent une plus grande polarité sont plus propices d'être adsorbées que celles qui présentent une polarité moindre.
L'adsorption peut se produire sous des conditions statiques et dynamiques. La capacité d'adsorption statique, aussi appelée capacité d'équilibre, est la capacité maximum qui peut être obtenue pour une humidité relative déterminée. Un exemple d'application de séchage statique est l'emballage des produits pharmaceutiques avec des matériaux adsorbants afin de conserver des niveaux faibles d'humidité. On considère aussi comme conditions statiques celles où le fluide à sécher se trouve en mouvement mais en circuit fermé. Toutefois, la plus grande partie des applications de l'adsorption a lieu sous des conditions dynamiques, par exemple, le séchage de vapeur d'eau contenue dans l'air comprimé pour son emploi postérieur dans des processus de production.
Au fur et à mesure que le fluide à traiter traverse l'adsorbant, l'efficacité de ce dernier diminue jusqu'à arriver à sa saturation. Lors du processus de séchage, de l'énergie sous forme de chaleur est libérée. Grâce au processus de régénération on peut rétablir les propriétés adsorbantes du lit. Il existe plusieurs méthodes de régénération, les plus employées sont la régénération par apport de chaleur, celle par réduction de pression, et celle par lavage d'un fluide d'hygrométrie faible.
      
Les alumines ont été utilisées pendant plusieurs dizaines d'années dans les industries de catalyse et d'adsorption. C'est sa structure qui détermine de manière essentielle les caractéristiques adsorbantes qu'elles possèdent. Il existe cinq types d'alumines de manière thermodynamique stables et plusieurs phases métastables. La plupart des types d'alumine s'obtiennent à partir du processus de Bayer.
Le processus d'obtention de l'alumine qui s'emploie actuellement est surtout celui inventé par Kart Bayer en 1887. Ce processus utilise hydroxyde de sodium (soude caustique) afin de dissoudre de manière sélective le Al²O³ de la bauxite. Cela produit une solution complexe d'aluminates de sodium d'où est précipité postérieurement Al(OH)³ qui est calciné dans le but d'obtenir l'oxyde d'aluminium.
En général les alumines cristallines, venant des oxydes et des hydroxydes, ne se considèrent pas utiles pour l'adsorption, puisqu'elles possèdent peu de porosité et de surface de contact. Les alumines de phase métastables (de transition) sont celles qui s'utilisent comme matériaux adsorbants. Ces dernières s'obtiennent à partir de la décomposition thermique d'hydroxydes, puisque la perte de groupes hydroxyles offre des structures cristallines déficitaires des atomes d'aluminium et d'oxygène. Selon la phase métastable qui est obtenue, les ions Al+³ et O-² peuvent se coordonner de manière tétraédrique ou octaédrique dans des systèmes compacts cubiques ou hexagonaux.
Par exemple, le gamma alumine, qui est le type d'alumine la plus connue, possède un défaut dans sa structure d'espinela où les oxygènes se trouvent dans une structure cubique compacte. Le réseau spatial des atomes d'oxygène se trouve bien ordonné, cependant le réseau spatial des atomes d'aluminium se trouve sensiblement désordonné. Cette distorsion du réseau cristallin comporte une plus grande concentration des positions acides sur sa surface.
En fonction de la méthode d'obtention employée, la morphologie initiale dans les alumines de transition obtenues peut être amorphe ou peu sensible à la diffraction des Rayons X. De fait, une grande partie des produits commerciaux disponibles actuellement, comme le gamma alumine, sont amorphes. Par définition, les alumines amorphes de transition possèdent une plus grande concentration des défauts dans ses réseaux cristallins en comparaison avec les alumines de transition partiellement cristallines. Dans la transition de structure amorphe à structure cristalline existe un important réaménagement des sous structures cristallines anioniques et cationiques. Durant ce procédé de réaménagement, des défauts sont engendrés dans le réseau cristallin ce qui donne lieu à des centres actifs d'adsorption.
Les bêtas alumines sont un autre groupe d'alumines qui présentent des propriétés d'adsorption. Elles consistent en alumines alcalines remplacées et ses composés dérivés. La plus connue est le bêta aluminate de sodium (Na²O-Al²O³-2CO²-2H²O). C'est un composé dérivé qui avec le bêta aluminate de sodium constitue les composants principaux du processus appelé alumines alcalines afin de désulfurer les gaz de sortie de la calcination. Un autre groupe d'alumines sont les alpha alumines, bien que normalement ne sont pas considérés comme adsorbants dû à sa déshydroxilation presque totale, sa faible surface de contact et sa porosité presque nulle. Toutefois, elles présentent une acidité de Lewis plus élevée par unité de surface de contact par rapport aux alumines de transition, ce qui leur donne une plus grande propriété d'adsorption. Par exemple, les alpha alumines adsorbent très bien les chlorures, la vapeur d'eau et les acides non organiques.
Actuellement, on ne connaît pas totalement la nature chimique des centres actifs d'adsorption des alumines puisque partie du processus d'adsorption ne peut s'attribuer aux vacantes anioniques. On peut considérer que les alumines activées possèdent des centres basiques et acides de Lewis et de Brownsted de force et de concentration différentes. L'acidité se doit aux ions Al³ +insaturés, aux hydroxyles protonés et à certains hydroxyles acidogènes. La basicité est le résultat de vacantes anionique de O²- et des hydroxyles basiques.
Enfin, on a identifié dans les alumines activées cinq formes différentes de groupes hydroxyles de surface. En fonction de sa synthèse, son orientation géométrique et sa concentration, ceux-ci possèdent des degrés différents de caractéristiques acides et basiques dans l'adsorption. Durant les dernières années l'étude et la modification de la chimie de la surface des alumines ont gagné en importance, afin d'améliorer son adsorption sélective de composés déterminés. La méthode la plus commune pour la modification des alumines de transition est le contrôle du traitement thermique qui a lieu lors du procedé d'obtention. Grâce à ce contrôle, la concentration des hydroxyles et des centres basiques et acides de Lewis et de Bronsted est modifiée.
Les alumines sont utilisées dans le séchage de l'air, des oléfines, du gaz naturel, du gaz de synthèse, du gaz de recyclage de reforming catalytique, du propylène, du butane, de l'essence, des hydrocarbures chlorés, des hydrocarbures fluorés, des dissolvants aromatiques et de purification de gaz et de liquides.
      
Les tamis moléculaires sont des zéolithes cristallines dont la formule générale est M²/nO · Al²O³ · xSiO² · zH²O, avec M cation de valence n+. Elles furent découvertes, il y a 200 ans par le minéralogiste Cronstedt. On leur donna ce nom car en chauffant ce matériel on observait qu'il paraissait bouillir et il s'évaporait. Le mot zéolithe vient du grec " zéo " qui signifie bouillir et de "lithos" qui signifie pierre.
Bien que de composition semblable, les zéolithes sont complètement différentes des silicates d'aluminium amorphe. Le composant fondamental de la structure des cristaux d'un tamis moléculaire est un tétraèdre de quatre anions d'oxygène qui entoure un cation plus petit de silice ou d'aluminium. Les ions de sodium, de potassium ou de calcium servent à compenser le déficit de charge électrique positive des tétraèdres d'alumine. Chaque anion d'oxygène est à la fois partagé par un autre tétraèdre de silice ou d'alumine, pour étendre le réseau cristallin en trois dimensions. Le réseau cristallin en résultant possède des alvéoles avec des cavités assez grandes où chacune est reliée à d'autres cavités adjacentes au moyen de canaux ou de pores.
Parmi les différents types des tamis moléculaires, les plus utilisés sont les types 4A et le type 13X qui ont la formule suivante.
4A : Na¹² [ (AlO²)¹² (SiO²)¹² ] · 27H²O
13X: Na86 [ (AlO²)86 (SiO²)106 ] · 27H²O
Dans les deux cas, l'ion de sodium peut être échangé par d'autres ions de manière à former différents types de tamis moléculaires pour être utilisé dans d'autres applications. L'eau d'hydratation s'extrait par le chauffage avant d'utiliser le matériel.
Le tamis moléculaire de type A possède un réseau cristallin composé de octaèdres tronqués unis dans une disposition cubique. Cette disposition produit un octaèdre central en cube tronqué avec une cavité interne de 11 Angstrom de diamètre. Chaque cavité centrale, dénommée cage α, possède une entrée à six ouvertures circulaires, formées par un anneau presque régulier de huit atomes d'oxygène, d'un diamètre libre de 4,2 Angstrom. Les cavités restent ainsi disposées dans une forme continue en trois dimensions, qui constitue un système de canaux d'un diamètre maximum de 11 Angstrom et minimum de 4,2 Angstrom. Les octaèdres tronqués renferment à leur tour un deuxième jeu de cavités inférieures à 6,6 Angstrom de diamètre intérieur, dénommées cage α, qui sont connectées aux cavités plus grandes au moyen d'un anneau déformé de six atomes d'oxygène de 2,2 Angstrom de diamètre.
Lors du processus d'obtention des tamis moléculaires de type A, le silicate de sodium, le tri-hydrate d'alumine et l'hydroxyde de sodium sont dosés dans des dépôts mélangeurs et sont soumis à agitation jusqu'à obtenir l'homogénéité du mélange. Le gel en résultant est pompé jusqu'à un dépôt de cristallisation où il est conservé sous des conditions contrôlées. Une fois terminée la cristallisation, le composé en résultant est filtré et lavé. Si l'on veut remplacer le sodium du réseau cristallin du composé obtenu par le calcium ou d'autres cations, on chauffe le mélange avec une solution du sel métallique correspondant, puis le nouveau composé obtenu est filtré et lavé. Pour obtenir la forme commerciale finale, on mélange le composé avec des agglutinants d'argile et est extrusionné. Enfin et comme dernière étape, le matériel obtenu est chauffé afin d'extraire l'eau et activer le tamis moléculaire.
À la différence des autres matériaux adsorbants, les tamis moléculaires possèdent une extraordinaire capacité d'adsorption de l'eau et des moléculaires polaires, quand ceux-ci se trouvent en concentration faible dans le fluide à traiter.
De même, grâce à la taille uniforme de pore qu'ils possèdent vu leur structure cristalline, les tamis moléculaires peuvent s'utiliser comme filtres de crible des particules ou des molécules d'une taille déterminée.
Les tamis moléculaires sont employés dans le séchage de l'air, CO, CO², H²S, SO², NH³, N², O², méthane, méthanol, éthanol, éthylène, acétylène, propylène, oxyde d'éthylène et n-propanol.
      
Le gel de silice est une forme poreuse, granulaire et amorphe du silicium. Le procédé d'obtention se réalise en profitant la différence entre la tension superficielle d'une solution colloïdale (réaction chimique entre l'acide sulfurique et le silicate de sodium) et celle d'un agent de précipité pour la formation de gels. Du procédé d'obtention de gel de silice proviennent des perles de géométrie sphérique. Indépendamment de sa structure interne, cette forme sphérique assure une distribution uniforme et régulière du matériel adsorbant, et confère une facilité de passage au fluide à traiter sans la formation de canaux ni de cavités dans le lit et donne lieu à une moindre abrasion.
Le gel de silice est chimiquement stable, non toxique, inerte et non corrosif. Sa composition chimique est de 97% en poids de SiO² et 3 % en poids de Al²O³. Cette composition le rend compatible avec la plupart des produits chimiques industriels, à l'exception des bases fortes et de l'acide fluorhydrique.
Sa structure interne, bien qu'amorphe, est constituée d'un vaste réseau de micro pores interconnectés entre eux. Les gels de silice standard possèdent une surface interne d'environ 800 m²/g.
Les gels de silice sont employés dans le séchage des gaz et des liquides sauf les bases fortes et l'acide fluorhydrique.
      
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