Zéolithe - Définition

Origine

Les zéolithes peuvent être naturelles ou synthétiques. Plus de 150 types de zéolithes ont été synthétisées et 48 zéolithes naturelles sont connues.

Les zéolithes naturelles se forment sur des terrains où les roches et les cendres volcaniques ont réagi avec les eaux souterraines alcalines et aussi dans les couches de dépôts organiques des bassins superficiels. Cette formation dure plusieurs centaines ou milliers d'années. Les zéolithes naturelles sont très rarement pures car elles sont généralement contaminées à divers degrés par d'autres minéraux métalliques, du quartz ou d'autres zéolithes. Pour cette raison, les zéolithes naturelles sont exclues de beaucoup d'applications industrielles où l'uniformité et la pureté sont essentielles. Des zéolithes ont même été trouvées sur Mars.

Les zéolithes synthétiques présentent l'avantage d'être très pures et de structure uniforme. Ces paramètres sont extrêmement importants pour certaines applications telle que les utilisations catalytiques en lit fluidisé (pour l’industrie pétrolière en particulier). Il est également possible de fabriquer des structures zéolitiques naturellement inconnues et qui permettent de maximiser l’efficacité de l’opération pour laquelle elle est destinée. L'activité de recherche sur la synthèse des zéolithes est importante et encouragée par la croissance du marché. Puisque les principales matières premières employées pour fabriquer les zéolithes sont la silice et l’alumine, qui sont parmi les composants minéraux les plus abondants sur terre, le potentiel de production des zéolithes synthétiques est pratiquement illimité.

Quelques données économiques

Actuellement, la production annuelle mondiale de zéolithe naturelle est d’environ 4 millions de tonnes. La majorité de celle-ci, c'est-à-dire 2,6 millions de tonnes, est destinée au marché Chinois qui est employée principalement dans l'industrie des ciments. L'Europe de l'Est, l'Europe de l'Ouest, l'Australie, et l'Asie sont les principaux producteurs et fournissent la majeure partie des zéolithes naturelles du marché. Par comparaison, en 2004, l’Amérique du Nord produisait seulement 57 400 tonnes de zéolithe naturelle (source : U.S. Geological Survey, 2004) soit seulement environ 1,5% de la production mondiale.

Utilisation

Usages industriels

La nature microporeuse des zéolithes pures les rend intéressantes comme tamis moléculaire

Chimie

Les zéolithes sont employées comme :

• échangeur d'ions ;
• piège moléculaire : les molécules piégées peuvent ainsi être analysées séparément ;
• tamis moléculaire : seules les molécules de certaines tailles et formes peuvent passer à travers la structure zéolitique. On peut ainsi :
  • assécher les solvants organiques ;
  • assécher les gaz vecteurs des chromatographes ;
  • protéger les appareils sensibles à l'humidité.
• catalyseurs.
• séparateur des gaz : par exemple, élimination de HO, CO et SO des gisements de gaz naturel de basse qualité, mais aussi pour d'autres séparations comme celles des gaz nobles, de l’azote, du fréon et des formaldéhydes.

Récemment, une technique de déshydratation à basse ou moyenne température — entre -20 °C et 60 °C — nommée zéodratation a vu le jour : bien que peu consommateur d'énergie et écologique, ce procédé, qui s'apparente à la lyophilisation, est encore très peu répandu.

Construction

La zéolithe synthétique est employée comme additif dans le procédé de fabrication du mélange béton-asphalte. Le développement de cette application commencée en Europe (Allemagne) dans les années 1990 a connu un grand intérêt dans le monde entier. En effet, il permet de diminuer le niveau de température pendant la fabrication et la pose du béton-asphalte, ayant pour résultat une consommation inférieure de combustible fossile, et de ce fait libère moins de dioxyde de carbone, d'aérosols et de vapeurs nocives.

Thermorégulation

Les zéolithes peuvent être employés en tant que collecteurs thermiques solaires. Dans ces applications, leur grande chaleur d’adsorption, leur facilité d'hydratation et de déshydratation, et leur stabilité structurale sont exploitées. Cette propriété de forte hygroscopie est en effet couplée à une réaction exothermique inhérente au passage entre la forme déshydratée et la forme hydratée (chaleur d’adsorption), ce qui fait des zéolithes des collecteurs efficaces pour le stockage de l'énergie solaire par exemple.

Usage médical

Les systèmes de génération d'oxygène basés sur l’utilisation de zéolithe sont largement répandus pour produire de l'oxygène de qualité médicale. La zéolithe est utilisée comme tamis moléculaire qui extrait l'oxygène à partir de l'air, dans un processus qui absorbe l'azote atmosphérique.

Leur utilisation est également possible pour l’amélioration de la coagulation des saignements graves. On retrouve des produits utilisant cette technologie sous le nom de QuikClot ou Hemosorb. Le fabricant affirme que le matériel granulé biologiquement inerte peut être versé directement sur la blessure pour arrêter le saignement intense presque instantanément.

Usages domestiques

Les zéolithes sont utilisées en tant qu'échangeur d'ions dans des applications domestiques telles que la purification ou l’adoucissement de l’eau.

La majeure partie des zéolithes synthétiques (zéolithe A) est réservée au marché des lessives. En 1992, ce marché s’élevait à 1,44 million de tonnes par an, soit environ un tiers du marché mondial.

Usages agricoles

Dans l'agriculture, la clinoptilolite (zéolithe naturelle) est employée pour la fertilisation des sols, car elle fournit une source du potassium (engrais) lentement libéré. Si elle est préalablement dopée avec de l'ammonium, la zéolithe permet aussi une libération contrôlée d'azote. Les récentes études Cubaines dans le domaine suggèrent que certaines cultures peuvent être cultivées sur des sols composés de zéolithe (ou d’un mélange zéolithe-terre) dans lesquels la zéolithe a été préalablement dopée ou enduite d'engrais et de micro-nutriments.

Substrat pour bonsaï

La zéolithe est également employée par les amateurs et professionnels du bonsaï (notamment la variété chabazite, également dénommée chabasai du fait d'une consonance plus "nipponne"). Son taux de rétention en eau (de l'ordre de 48%), associé à un drainage efficace et une bonne capacité d'échange cationique (capacité à fixer et redistribuer les éléments nutritifs) en font un substrat aux vertus nombreuses. De plus, la zéolithe reste stable dans le temps et ne se délite pas à l'image de l'akadama. La zéolithe pourrait bien à terme remplacer d'autres substrats importés du Japon et donc plus onéreux. Cependant, la zéolithe demeure difficile d'accès pour le simple particulier.