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Mesures Gravimétriques de Sorption

L’analyse de sorption par gravimétrie utilise une microbalance de haute sensibilité pour enregistrer les variations de poids d’un échantillon de matière solide ou liquide en fonction des conditions environnementales.

Typiquement, un échantillon solide est maintenu à une température fixe, et une courbe isotherme de sorption est mesurée, en faisant varier la pression partielle du sorbat gazeux.

La mesure gravimétrique du poids de l’échantillon donne une indication directe en continu de l’interaction entre le gaz et le solide.

Pour chaque palier pression, le poids de l’échantillon est contrôlé jusqu’à ce que l’échantillon atteint l’équilibre avec le gaz ou la vapeur. Cette valeur de poids, à l’équilibre, donne alors un point sur l’isotherme de sorption.

Un avantage particulier de la méthode gravimétrique est la possibilité de faire varier la pression en paliers distincts, de sorte que l’échantillon s’équilibre à une pression fixe. L’équilibration du poids de l’échantillon après chaque palier de pression fournit des renseignements complémentaires sur les cinétiques du processus de sorption. La forme des données facilite les calculs des coefficients de diffusion du système.

Il est nécessaire de noter que le “poids” mesuré comprend des contributions de plusieurs effets physiques, ainsi que le taux de sorption. Pour calculer la masse de gaz absorbé, il faut éliminer ou corriger le poids pour ces forces supplémentaires :

  • la poussée d’Archimède, de la masse de fluide déplacé par le volume de l’échantillon.
  • forces de la motion des gaz autour de l’échantillon, à cause d’un flux de balayage imposé ou des effets thermiques.
  • les interactions de l’échantillon avec les champs magnétiques ambiants.

La méthode gravimétrique permet une mesure directe de densité de l’échantillon, en utilisant un gaz inerte, pour les corrections précises de force d’Archimède. Une conception instrumentale soignée, ou des mesures à blanc peuvent éliminer les autres effets. La mesure de sorption par gravimétrie est donc très précise et adaptable.

Il existe deux classes d’analyse gravimétrique de sorption :

  • La mesure Statique, où une pression fixe d’un gaz ou d’une vapeur pure est introduit à l’échantillon.
  • La mesure Dynamique, où un gaz en écoulement est utilisé.

Mesures de Sorption Statique

Les appareils de mesure de sorption qui fonctionnent en mode statique, comme IGA-001 pour les gaz et IGA-002 pour les vapeurs, donnent une mesure directe de la pression partielle du sorbat. La méthode statique est particulièrement bien adaptée aux mesures cinétiques, parce que le gaz pur donne le plus grand taux d’apport des molécules à la surface de l’échantillon. Les méthodes dynamiques qui utilisent un gaz vecteur imposent une limitation diffusionnelle au transport du sorbat, qui devient de plus en plus significative avec la diminution de la pression partielle du sorbat.

Les effets de sorption compétitive sont également éliminés, qui peuvent modifier les mesures à l’équilibre de la courbe de sorption.

Pour obtenir le point zéro de la courbe de sorption, il faut utiliser des pompes à vide pour effectuer un dégazage du système - ce qui entraine une augmentation du coût et de la complexité de l’instrument de mesure. Par contre, la possibilité d’utiliser une connexion à large conductance vers le groupe de vide donne un dégazage rapide, comparé aux appareils volumétriques, où les grands volumes sont à éviter.

Analyse dynamique de sorption

L’utilisation d’un flux continu de gaz est avantageux dans certains cas. Lorsque le gaz contient une mélange d’espèces, avec un gaz vecteur inerte, le flux assure une alimentation constante du sorbat et, éventuellement, une purge des espèces qui désorbent de l’échantillon.

C’est particulièrement intéressant lorsqu’il y a une évolution d’espèces gazeux pendant la mesure. Les gaz évolués sont emportés par le flux vecteur, assurant un environnement constant pour l’échantillon :

  • décomposition, avec les méthodes thermoprogrammées
  • désorption
    • l’humidité et les solvants piégés dans les pores, en particulier.
  • dégagement de vapeur
    • Les aliments peuvent relâcher les composés odorants et de gout lorsqu’il y a contact avec l’eau
    • certains polymères contiennent des plastifiants qui sont légèrement volatils
  • réaction chimique
    • mesures de catalyse et de chimisorption.

Dynamic Vapour Sorption analysis analysis is very widely used. A stream of carrier gas with a given vapour content can be easily generated: for example, by controlled mixing of a pure (dry) carrier flow with a vapour saturated flow.

Les mesures sont généralement effectuées à pression constante et avec un débit total fixe, afin de minimiser les variations du poids associées à la force d’Archimède et la force de trainée. Gravimetric Vapour Sorption instruments of this type, such as the Hiden Isochema IGAsorp, are very cost-effective.

The dynamic gravimetric method also allows the use of multiple sorbates, for measurement of competitive sorption effects. These experiments generally require an additional quantification method, to analyse the composition of the gas mixture after the sorption process has taken place. For example, a mass spectrometer is used for gas analysis with the IGA-003.

A gas analyser can also be used to measure species which are desorbed from the sample when it is heated. There is a number of different Temperature Programmed Techniques, where desorption, decomposition or reaction product, gases are detected. Par exemple :

  • Temperature Programmed Desorption or Decomposition with Evolved Gas Analysis (TPD-EGA), where species released when the sample is heated in an inert gas flow are analysed.
  • Active Metal Surface Area analysis, where a reactive gas, such as N2O, reacts with metal atoms on a catalyst. The reaction produces nitrogen molecules ( N2), which are quantified with the mass spectrometer. An independent, gravimetric measurement of the number of reacted oxygen atoms is also obtained.
  • Temperature Programmed Reduction, such as hydrogen gas reaction with oxide groups to yield water.

Les instruments suivants sont applicables :

Pour tout renseignement, ou pour discuter votre application, n’hésitez pas à nous contacter.


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