Introduction

Zéolithe : gonnardite

Natrolite ; zéolithe de formule Na[SiAlO] (Val de Fassa à Monzoni (Italie). Le caractère fibreux de certaines zéolithes les rend susceptible de produire des mésothéliomes (comme l'amiante) si elles sont inhalées en fines particules

Autre forme de natrolite (La natrolite est une espèce minérale du groupe des silicates, sous groupe des...) (microcristaux)

Une zéolithe, ou zéolite est un minéral (Un minéral est une substance normalement inorganique, plus rarement organique, formée...) microporeux appartenant au groupe des silicates, sous groupe des tectosilicates dans lequel il forment une famille comprenant des aluminosilicates hydratés de métaux des groupes IA et IIA du tableau périodique des éléments (Le tableau périodique des éléments, également appelé table de...), tels le calcium (Le calcium est un élément chimique, de symbole Ca et de numéro atomique 20.), le magnésium (Le magnésium est un élément chimique, de symbole Mg et de numéro atomique 12.) et le potassium (Le potassium est un élément chimique, de symbole K (latin : kalium, de...).

Inventeur et étymologie

Décrite par le minéralogiste suédois Axel Frederik Cronstedt du latin zeolithus, du grec zeô ou zein : « bouillir » et lithos : « la pierre »)

Structure

Les zéolithes sont des polymères inorganiques cristallins structurellement complexes, basés sur une suite indéfinie tridimensionnelle de structures quadri-connectées de AlO et de SiO tétraédriques, liées entre elles par un échange d'ions oxygène (L’oxygène est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de...) (oxyde). Chaque AlO tétraédrique présent dans la structure apporte une forte charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement...) négative qui est contre-balancée par un ou plusieurs cations, tels Ca²⁺, Mg²⁺ ou K⁺.

Composition chimique

La composition des différentes zéolithes est proche de celle des argiles. Leur formule chimique, très variable (En mathématiques et en logique, une variable est représentée par un symbole. Elle...), respecte le squelette (Le squelette est une charpente animale rigide servant de support pour les muscles. Il est à la...) suivant : où x₁ à x₉ sont des entiers positifs ou nuls.

Par exemple, la natrolite a pour formule Na₂[Si₃Al₂O₁₀],2H₂O et l'heulandite (L’heulandite est un minéral du groupe des silicates sous groupe des tectosilicates....) (Ca,Na₂)₂[Si₇Al₂O₁₈],6H₂O.

Historique

La découverte des zéolithes

En 1756, le minéralogiste suédois Axel Frederik Cronstedt découvre la première zéolithe minérale, baptisée stilbite (La stilbite est un minéral du groupe des silicates sub-groupe des tectosilicates, de la...). Il reconnaît les zéolithes comme une nouvelle classe de minerais constitué d'alumino-silicates hydratés et de terres alcalines. Du fait de son caractère intumescent quand ce minéral est chauffé par une flamme de chalumeau, Cronstedt appelle ce minéral « zéolithe ». En 1840, Alexis Damour observe que les cristaux de zéolithes peuvent être déshydratés de façon réversible sans aucune modification apparente sur leur morphologie et leur transparence (Un matériau ou un objet est qualifié de transparent lorsqu'il se laisse traverser par la...).

En 1845, Schafhautle rapporte la synthèse hydrothermale du quartz par chauffage (Le chauffage est l'action de transmettre de l'énergie thermique à un objet, un...) d'un gel de silice (La silice est constituée de dioxyde de silicium, un composé chimique qui entre dans la...) avec de l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les...) dans un autoclave (Un autoclave est un récipient à parois épaisses et à fermeture hermétique...). En 1850, Way et Thompson clarifient la nature de l'échange d'ions dans les terres. En 1858, Eichhorn démontre la réversibilité de l'échange d'ions dans les zéolithes. En 1862, S. C. Deville rapporte la première synthèse hydrothermale d'une zéolithe, la levynite.

En 1896, après avoir observé que des liquides variés tels que l'alcool, le benzène (Le benzène est un hydrocarbure aromatique monocyclique, de formule C6H6, également...) et le chloroforme (Le chloroforme ou trichlorométhane est un composé chimique organochloré de formule...) ont été occlus dans les zéolithes, Friedel développe l'idée que la structure des zéolithes déshydratées est constituée d'une matrice spongieuse ouverte.

En 1909, Grandjean observe que la chabazite déshydratée adsorbe l'ammoniaque (L'ammoniaque, ou hydroxyde d'ammonium, (NH4OH) est une solution aqueuse formée à partir...), l'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et...), l'hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.) et d'autres molécules. En 1925, Weigel et Steinhoff rapportent le premier effet de « tamis moléculaire » et notent que les cristaux de chabazite déshydratées adsorbent rapidement l'eau, l'alcool méthylique, l'alcool éthylique et l'acide (Un acide est un composé chimique généralement défini par ses réactions...) formique mais ni l'acétone (L'acétone en chimie, (nom officiel IUPAC propanone, aussi connue sous les noms de...), ni l'éther ni le benzène.

En 1927, Leonard décrit le premier usage (L’usage est l'action de se servir de quelque chose.) des rayons X pour l'identification dans la synthèse minérale. Les premières structures des zéolithes sont déterminées en 1930 par Taylor et Pauling.

En 1932, McBain établit pour la première fois le terme « tamis moléculaire » pour définir les matières solides poreuses qui agissent comme des tamis à l'échelle moléculaire. Au milieu des années 1930, la littérature décrit les échanges d'ions, l'adsorption (L'adsorption, à ne pas confondre avec l'absorption, est un phénomène de surface par lequel des...), les tamis moléculaires, les propriétés structurelles et minérales de zéolithes et relate la synthèse de nombreuses zéolithes. Barrer commence son travail de pionnier dans l'adsorption des zéolithes et leur synthèse. Il propose la première classification, basée sur des considérations de tailles moléculaires. En 1948, il rapporte la première synthèse complète d'une zéolithe analogue à la zéolithe naturelle mordenite.

Le développement industriel

Les zéolithes naturelles

Deux cents ans après leur découverte par Cronstedt en 1756, les zéolithes minérales (ou naturelles) sont considérées comme des constituants mineurs des roches basaltique et volcanique sans réelle application. À la fin des années 1950, les découvertes géologiques majeures révèlent l'ampleur des gisements de zéolithes naturelles dans les dépôts sédimentaires aux États-Unis d'Amérique (L’Amérique est un continent séparé, à l'ouest, de l'Asie et...). Ainsi, quelques zéolithes présentes en quantités importantes et très proches de dépôts minéraux d'importance commerciale, commencent à être commercialisées comme adsorbants. On exploite donc la chabazite, l'erionite, la mordenite et la clinoptilolite en quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire,...) industrielle.

Le Japon devient le plus gros utilisateur des zéolithes naturelles. La mordenite et la clinoptilolite sont utilisées comme adsorbants dans les opérations de séparation (D'une manière générale, le mot séparation désigne une action consistant à séparer quelque...), de déshydratation (La déshydratation est la perte ou l'élimination de l'eau d'un corps. Cette dernière...) et de purification de l'air. Les zéolithes naturelles trouvent aussi des applications dans l'industrie papetière, dans les ciments et les bétons, dans les engrais (Les engrais sont des substances, le plus souvent des mélanges d'éléments...) et comme compléments alimentaire pour le bétail. Cette dernière application représente le plus gros débouché en volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension...) pour les zéolithes naturelles.

Les zéolithes synthétiques

Les travaux de Barrer, dans le milieu des années 1940, poussent R.M. Milton à s'intéresser à l'étude de la synthèse de zéolithe et à la recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue...) de nouvelles techniques de séparation et de purification de l'air. Entre 1949 et 1954, R.M. Milton et D.W. Breck découvrent un nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre...) significatif de zéolithes commercialement intéressantes, les zéolithes A, X et Y. Ainsi, en 1954, Union Carbide commercialise pour la première fois des zéolithes synthétiques comme une nouvelle classe de matériel industriel servant à la séparation et à la purification. Les premières applications concernent donc la déshydratation des gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et...) réfrigérants et du gaz naturel (Le gaz naturel est un combustible fossile, il s'agit d'un mélange d'hydrocarbures présent...).

En 1959, Union Carbide commercialise un procédé pour la séparation des isoparaffines basé sur l'utilisation de zéolithes : cela représente la première utilisation industrielle utilisant les caractéristiques de « tamis moléculaire » des zéolithes. La même année (Une année est une unité de temps exprimant la durée entre deux occurrences d'un évènement lié...), Union Carbide commercialise une zéolithe de type Y comme catalyseur (En chimie, un catalyseur est une substance qui augmente la vitesse d'une réaction chimique ;...) pour les réactions d'isomérisation, ce qui constitue la première utilisation industrielle utilisant les caractéristiques catalytiques des zéolithes.

En 1962, Mobil Oil introduit l'usage des zéolithes synthétiques de type X comme catalyseur dans les réactions de craquage (Le craquage (cracking en anglais) est, en chimie, et plus particulièrement celle du...) de molécules (en particulier, valorisation des coupes lourdes des pétroles). Entre 1967 et 1969, Mobil Oil réalise la synthèse de zéolithes à haute teneur en silice et des zéolithes de type ZSM-5. En 1974, Henkel introduit les zéolithes A dans la fabrication des détergents comme remplaçants des phosphates qui sont soupçonnés d'être mauvais pour l'environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et...). En 1977, l'industrie utilise largement les zéolithes : 22 000 tonnes de zéolithe Y sont usitées pour le craquage catalytique.