Zéolite 89871 30436227 2008-06-08T19:17:23Z Mro 335458 inclue -> inclut [[Image:ZeolitesUSGOV.jpg|thumb|250px|zéolithe]] [[Image:Natrolite - Monzoni, Val di Fassa, Italia 01.jpg|thumb|250px|natrolite ; zéolite de formule Na{{sub|2}}[Si{{sub|3}}AlO{{sub|10}}] (Val de Fassa à [[Monzoni]] (Italie)]] Une '''zéolite''', ou '''zéolithe''' (du latin ''zeolithus'', du grec ''zeô'' ou ''zein''&nbsp;: «&nbsp;bouillir&nbsp;» et ''lithos''&nbsp;: «&nbsp;la pierre&nbsp;») est un [[minéral]] appartenant à la famille des [[alumino-silicate]]s hydratés de [[Métal|métaux]] des groupes {{Rom-maj|I|1}}A et {{II}}A du [[tableau périodique des éléments]], tels le [[calcium]], le [[magnésium]] et le [[potassium]]). ==Composition chimique== La composition des différentes zéolites est proche de celle des [[argiles]]. Leur formule chimique, très variable, respecte le squelette suivant&nbsp;: Na{{ind|x1}}Ca{{ind|x2}}Mg{{ind|x3}}Ba{{ind|x4}}K{{ind|x5}}Al{{ind|x6}}[Si{{ind|x7}}O{{ind|x8}}], x9 H{{ind|2}}O, où x1 à x9 sont des entiers positifs ou nuls. Par exemple, la [[natrolite]] a pour formule Na{{ind|2}}[Si{{ind|3}}Al{{ind|2}}O{{ind|10}}], 2 H{{ind|2}}O et l'[[heulandite]] (Ca, Na{{ind|2}}){{ind|2}}[Si{{ind|7}}Al{{ind|2}}O{{ind|18}}], 6 H{{ind|2}}O. ==Structure== [[Image:Silicon-aluminum-oxygen tetrahedron.gif|thumb|right|AlO{{ind|4}} ou SiO{{ind|4}} tétraédriques]] Les zéolites sont des [[polymère]]s inorganiques [[cristallin]]s structurellement complexes, basés sur une suite indéfinie tridimensionnelle de structures quadri-connectées de AlO{{ind|4}} et de SiO{{ind|4}} tétraédriques, liées entre elles par un échange d'ions oxygène (oxyde). Chaque AlO{{ind|4}} tétraédrique présent dans la structure apporte une forte charge négative qui est contre-balancée par un ou plusieurs cations, tels Ca{{exp|2+}}, Mg{{exp|2+}} ou K{{exp|+}}. ==Origine== Les zéolites peuvent être naturelles ou synthétiques. Plus de 150 types de zéolites ont été synthétisées et 48 zéolites naturelles sont connues. Les zéolites 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 zéolites naturelles sont très rarement pures car elles sont généralement contaminées à divers degrés par d'autres minéraux métalliques, du quartz ou d'autres zéolites. Pour cette raison, les zéolites naturelles sont exclues de beaucoup d'applications industrielles où l'uniformité et la pureté sont essentielles. Des zéolites ont même été trouvées sur Mars <ref>Claire I., Fialips ''et al.'', Icarus, volume 178, 1st nov. 2005, pages 74-83</ref>. Les zéolites synthétiques présentent l'avantage d'être très pures et de structure uniforme. Ces paramètres sont extrêmement importants pour certaines applications telle que les utilisations [[catalyse hétérogène|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 zéolites est importante et encouragée par la croissance du marché. Puisque les principales matières premières employées pour fabriquer les zéolites sont la [[silice]] et l’[[alumine]], qui sont parmi les composants minéraux les plus abondants sur terre, le potentiel de production des zéolites synthétiques est pratiquement illimité. == Historique == === La découverte des zéolites === En [[1756]], le minéralogiste suédois [[Axel Frederik Cronstedt]] découvre la première zéolite minérale, baptisée [[stilbite]]. Il reconnaît les zéolites 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 « zéolite ». En [[1840]], [[Alexis Damour]] observe que les cristaux de zéolites peuvent être déshydratés de façon réversible sans aucune modification apparente sur leur morphologie et leur transparence. En [[1845]], Schafhautle rapporte la synthèse hydrothermale du quartz par chauffage d'un gel de [[silice]] avec de l'eau dans un autoclave. En [[1850]], Way et Thompson clarifient la nature de l'échange d'[[ion]]s dans les terres. En [[1858]], Eichhorn démontre la réversibilité de l'échange d'[[ion]]s dans les zéolites. En [[1862]], S. C. Deville rapporte la première synthèse hydrothermale d'une zéolite, la [[levynite]]. En [[1896]], après avoir observé que des liquides variés tels que l'[[alcool (chimie)|alcool]], le [[benzène]] et le [[chloroforme]] ont été occlus dans les zéolites, Friedel développe l'idée que la structure des zéolites déshydratées est constituée d'une matrice spongieuse ouverte. En [[1909]], Grandjean observe que la [[chabazite]] déshydratée adsorbe l'[[ammoniaque]], l'air, l'[[hydrogène]] 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 formique]] mais ni l'[[acétone]], ni l'[[éther diéthylique|éther]] ni le [[benzène]]. En [[1927]], Leonard décrit le premier usage des [[rayons X]] pour l'identification dans la synthèse minérale. Les premières structures des zéolites 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'[[ion]]s, l'[[adsorption]], les tamis moléculaires, les propriétés structurelles et minérales de zéolites et relate la synthèse de nombreuses zéolites. Barrer commence son travail de pionnier dans l'[[adsorption]] des zéolites 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 zéolite analogue à la zéolite naturelle [[mordenite]]. ===Le développement industriel=== ==== Les zéolites naturelles ==== Deux cents ans après leur découverte par Cronstedt en 1756, les zéolites minérales (ou naturelles) sont considérées comme des constituants mineurs des roches [[basaltique]] et [[volcan]]ique sans réelle application. À la fin des années 1950, les découvertes [[géologique]]s majeures révèlent l'ampleur des gisements de zéolites naturelles dans les dépôts [[sédiment]]aires aux [[États-Unis|États-Unis d'Amérique]]. Ainsi, quelques zéolites présentes en quantités importantes et très proches de dépôts minéraux d'importance commerciale, commencent à être commercialisées comme [[adsorbant]]s. On exploite donc la [[chabazite]], l'[[erionite]], la [[mordenite]] et la [[clinoptilolite]] en quantité industrielle. Le Japon devient le plus gros utilisateur des zéolites naturelles. La [[mordenite]] et la [[clinoptilolite]] sont utilisées comme [[adsorbants]] dans les opérations de [[séparation]], de [[déshydratation]] et de [[purification]] de l'[[air]]. Les zéolites naturelles trouvent aussi des applications dans l'industrie papetière, dans les [[ciment]]s et les bétons, dans les [[engrais]] et comme compléments alimentaire pour le bétail. Cette dernière application représente le plus gros débouché en volume pour les zéolites naturelles. ==== Les zéolites synthétiques ==== Les travaux de Barrer, dans le milieu des années [[1940]], pousse R.M. Milton à s'intéresser à l'étude de la synthèse de zéolite et à la recherche 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 significatif de zéolites commercialement intéressantes, les zéolites A, X et Y. Ainsi, en 1954, ''Union Carbide'' commercialise pour la première fois des zéolites synthétiques comme une nouvelle classe de matériel industriel servant à la séparation et à la purification. Les premières applications concerne donc la [[déshydratation]] des [[gaz réfrigérant]]s et du [[gaz naturel]]. En [[1959]], ''Union Carbide'' commercialise un procédé pour la séparation des [[isoparaffine]]s basé sur l'utilisation de zéolites : cela représente la première utilisation industrielle utilisant les caractéristiques de «&nbsp;[[tamis moléculaire]]&nbsp;» des zéolites. La même année, ''Union Carbide'' commercialise une zéolite de type Y comme [[catalyseur]] pour les réactions d'[[isomérisation]], ce qui constitue la première utilisation industrielle utilisant les caractéristiques catalytiques des zéolites. En [[1962]], ''Mobil Oil'' introduit l'usage des zéolites synthétiques de type X comme [[catalyseur]] dans les réactions de [[craquage]] de molécules (en particulier, valorisation des coupes lourdes des [[pétrole]]s). 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 zéolites A dans la fabrication des [[détergent]]s comme remplaçants des [[phosphate]]s qui sont soupçonnés d'être mauvais pour l'environnement. En 1977, l'industrie utilise largement les zéolites : 22 000 tonnes de zéolite Y sont usitées pour le [[craquage catalytique]]. == Utilisation == === Usages industriels === ====Chimie==== Les zéolites 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. * [[catalyseur]]s. * séparateur des gaz : par exemple, élimination de H{{ind|2}}O, CO{{ind|2}} et SO{{ind|2}} 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 [[formaldéhyde]]s. Récemment, une technique de déshydratation à basse ou moyenne température — entre -20 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 zéolite 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 [[énergie fossile|combustible fossile]], et de ce fait libère moins de [[dioxyde de carbone]], d'[[aérosol]]s et de vapeurs nocives. ====Thermorégulation==== Les zéolites 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 zéolites 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 zéolite sont largement répandus pour produire de l'oxygène de qualité médicale. La zéolite est utilisée comme [[tamis moléculaire]] qui extrait l'oxygène à partir de l'air, dans un processus qui absorbe l'azote atmosphérique. Leur utilisation également est possible aussi 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<ref>[http://www.newscientist.com/article.ns?id=mg18925435.800 Saved by 'sand' poured into the wounds - health - 16 March 2006 - New Scientist<!-- Titre généré automatiquement -->]</ref>. === Usages domestiques=== Les zéolites sont utilisées en tant qu'[[échangeur d'ions]] dans des applications domestiques telles que la purification ou l’[[adoucissement]] de l’eau. La majeur partie des zéolites synthétiques (zéolite A) est réservée au marché des [[lessive]]s. 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]] (zéolite 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 zéolite 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 zéolite (ou d’un mélange zéolite-terre) dans lesquels la zéolite a été préalablement dopée ou enduite d'[[engrais]] et de micro-[[nutriment]]s. == Quelques données économiques == Actuellement, la production annuelle mondiale de zéolite 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 zéolites naturelles du marché. Par comparaison, en 2004, l’Amérique du Nord produisait seulement 57 400 tonnes de zéolite naturelle (source : U.S. Geological Survey, 2004) soit seulement environ 1,5% de la production mondiale. == Les différentes zéolites naturelles == La famille des zéolites naturelles inclut : '''1) Famille des [[Analcime]]s&nbsp;:''' * [[Analcime]] ([[Silice|Si]]-[[Aluminium|Al]]-[[Sodium|Na]] hydraté) * [[Pollucite]] ([[Silice|Si]]-[[Aluminium|Al]]-[[Césium|Cs]]-[[Sodium|Na]] hydraté) * [[Wairakite]] ([[Silice|Si]]-[[Aluminium|Al]]-[[Calcium|Ca]]-[[Sodium|Na]] hydraté) * [[Bellbergite]] ([[Silice|Si]]-[[Aluminium|Al]]-[[Potassium|K]]-[[Baryum|Ba]]-[[Strontium|Sr]]-[[Sodium|Na]] hydraté) * [[Bikitaite]] ([[Silice|Si]]-[[Aluminium|Al]]-[[Lithium|Li]] hydraté) * [[Boggsite]] ([[Silice|Si]]-[[Aluminium|Al]]-[[Calcium|Ca]]-[[Sodium|Na]] hydraté) * [[Brewsterite]] ([[Silice|Si]]-[[Aluminium|Al]]-[[Strontium|Sr]]-[[Baryum|Ba]]-[[Sodium|Na]]-[[Calcium|Ca]] hydraté) '''2) Famille des [[Chabazite]]s&nbsp;:''' * [[Chabazite]] ([[Silice|Si]]-[[Aluminium|Al]]-[[Calcium|Ca]] hydraté) * [[Willhendersonite]] ([[Silice|Si]]-[[Aluminium|Al]]-[[Potassium|K]]-[[Calcium|Ca]] hydraté) * [[Cowlesite]] ([[Silice|Si]]-[[Aluminium|Al]]-[[Calcium|Ca]] hydraté) * [[Dachiardite]] ([[Silice|Si]]-[[Aluminium|Al]]-[[Calcium|Ca]]-[[Sodium|Na]]-[[Potassium|K]] hydraté) * [[Edingtonite]] ([[Silice|Si]]-[[Aluminium|Al]]-[[Baryum|Ba]]-[[Calcium|Ca]] hydraté) * [[Epistilbite]] ([[Silice|Si]]-[[Aluminium|Al]]-[[Calcium|Ca]] hydraté) * [[Erionite]] ([[Silice|Si]]-[[Aluminium|Al]]-[[Sodium|Na]]-[[Potassium|K]]-[[Calcium|Ca]] hydraté) * [[Faujasite]] ([[Silice|Si]]-[[Aluminium|Al]]-[[Sodium|Na]]-[[Calcium|Ca]]-[[Magnésium|Mg]] hydraté) * [[Ferrierite]] ([[Silice|Si]]-[[Aluminium|Al]]-[[Sodium|Na]]-[[Potassium|K]]-[[Magnésium|Mg]]-[[Calcium|Ca]] hydraté) * [[Herschelite]] ([[Silice|Si]]-[[Aluminium|Al]]-[[Sodium|Na]]-[[Potassium|K]]-[[Calcium|Ca]] hydraté) '''3) Famille des [[Gismondine]]s&nbsp;:''' * [[Amicite]] ([[Silice|Si]]-[[Aluminium|Al]]-[[Potassium|K]]-[[Sodium|Na]] hydraté) * [[Garronite]] ([[Silice|Si]]-[[Aluminium|Al]]-[[Calcium|Ca]] hydraté) * [[Gismondine]] ([[Silice|Si]]-[[Aluminium|Al]]-[[Baryum|Ba]]-[[Calcium|Ca]] hydraté) * [[Gobbinsite]] ([[Silice|Si]]-[[Aluminium|Al]]-[[Sodium|Na]]-[[Potassium|K]]-[[Calcium|Ca]] hydraté) * [[Gmelinite]] ([[Silice|Si]]-[[Aluminium|Al]]-[[Sodium|Na]]-[[Calcium|Ca]] hydraté) * [[Gonnardite]] ([[Silice|Si]]-[[Aluminium|Al]]-[[Sodium|Na]]-[[Calcium|Ca]] hydraté) * [[Goosecreekite]] ([[Silice|Si]]-[[Aluminium|Al]]-[[Calcium|Ca]] hydraté) '''4) Famille des [[Harmotome]]s&nbsp;:''' * [[Harmotome]] ([[Silice|Si]]-[[Aluminium|Al]]-[[Baryum|Ba]]-[[Potassium|K]] hydraté) * [[Phillipsite]] ([[Silice|Si]]-[[Aluminium|Al]]-[[Potassium|K]]-[[Sodium|Na]]-[[Calcium|Ca]] hydraté) * [[Wellsite]] ([[Silice|Si]]-[[Aluminium|Al]]-[[Baryum|Ba]]-[[Calcium|Ca]]-[[Potassium|K]] hydraté) '''5) Famille des [[Heulandite]]s&nbsp;:''' * [[Clinoptilolite]] ([[Silice|Si]]-[[Aluminium|Al]]-[[Sodium|Na]]-[[Potassium|K]]-[[Calcium|Ca]] hydraté) * [[Heulandite]] ([[Silice|Si]]-[[Aluminium|Al]]-[[Sodium|Na]]-[[Calcium|Ca]] hydraté) * [[Laumontite]] ([[Silice|Si]]-[[Aluminium|Al]]-[[Calcium|Ca]] hydraté) * [[Levyne]] ([[Silice|Si]]-[[Aluminium|Al]]-[[Calcium|Ca]]-[[Sodium|Na]]-[[Potassium|K]] hydraté) * [[Mazzite]] ([[Silice|Si]]-[[Aluminium|Al]]-[[Potassium|K]]-[[Sodium|Na]]-[[Magnésium|Mg]]-[[Calcium|Ca]] hydraté) * [[Merlinoite]] ([[Silice|Si]]-[[Aluminium|Al]]-[[Potassium|K]]-[[Sodium|Na]]-[[Calcium|Ca]]-[[Baryum|Ba]] hydraté) * [[Montesommaite]] ([[Silice|Si]]-[[Aluminium|Al]]-[[Potassium|K]]-[[Sodium|Na]] hydraté) * [[Mordenite]] ([[Silice|Si]]-[[Aluminium|Al]]-[[Sodium|Na]]-[[Potassium|K]]-[[Calcium|Ca]] hydraté) * [[Maricopaite]] ([[Silice|Si]]-[[Aluminium|Al]]-[[plomb]]-[[Calcium|Ca]] hydraté) '''6) Famille des [[Natrolite]]s&nbsp;:''' * [[Mesolite]] ([[Silice|Si]]-[[Aluminium|Al]]-[[Sodium|Na]]-[[Calcium|Ca]] hydraté) * [[Natrolite]] ([[Silice|Si]]-[[Aluminium|Al]]-[[Sodium|Na]] hydraté) * [[Scolecite]] ([[Silice|Si]]-[[Aluminium|Al]]-[[Calcium|Ca]] hydraté) * [[Offretite]] ([[Silice|Si]]-[[Aluminium|Al]]-[[Calcium|Ca]]-[[Potassium|K]]-[[Magnésium|Mg]] hydraté) * [[Paranatrolite]] ([[Silice|Si]]-[[Aluminium|Al]]-[[Sodium|Na]] hydraté) * [[Paulingite]] ([[Silice|Si]]-[[Aluminium|Al]]-[[Potassium|K]]-[[Calcium|Ca]]-[[Sodium|Na]]-[[Baryum|Ba]] hydraté) * [[Perlialite]] ([[Silice|Si]]-[[Aluminium|Al]]-[[Potassium|K]]-[[Sodium|Na]]-[[Calcium|Ca]]-[[Strontium|Sr]] hydraté) '''7) Famille des [[Stilbite]]s&nbsp;:''' * [[Barrerite]] ([[Silice|Si]]-[[Aluminium|Al]]-[[Sodium|Na]]-[[Potassium|K]]-[[Calcium|Ca]] hydraté) * [[Stilbite]] ([[Silice|Si]]-[[Aluminium|Al]]-[[Sodium|Na]]-[[Calcium|Ca]] hydraté) * [[Stellerite]] ([[Silice|Si]]-[[Aluminium|Al]]-[[Calcium|Ca]] hydraté) * [[Thomsonite]] ([[Silice|Si]]-[[Aluminium|Al]]-[[Sodium|Na]]-[[Calcium|Ca]] hydraté) * [[Tschernichite]] ([[Silice|Si]]-[[Aluminium|Al]]-[[Calcium|Ca]] hydraté) * [[Yugawaralite]] ([[Silice|Si]]-[[Aluminium|Al]]-[[Calcium|Ca]] hydraté) '''8) Non déterminé&nbsp;:''' * [[Dachiardite de sodium]] * [[Tétranatrolite]] == Notes et références == <references/> == Voir aussi == {{Commonscat|Zeolite|la zéolite}} {{Portail|chimie|minéralogie}} [[Catégorie:silicate (minéral)]] [[Catégorie:tectosilicate]] [[bg:Зеолит]] [[ca:Zeolita]] [[da:Zeolit]] [[de:Zeolithgruppe]] [[en:Zeolite]] [[eo:Zeolito]] [[es:Zeolita]] [[fi:Zeoliitti]] [[he:זאוליט]] [[id:Zeolit]] [[it:Zeolite]] [[ja:ゼオライト]] [[ko:제올라이트]] [[lt:Ceolitas]] [[nl:Zeoliet]] [[nn:Zeolitt]] [[no:Zeolitt]] [[pl:Zeolit]] [[pt:Zeólito]] [[ru:Цеолиты]] [[sv:Zeoliter]] [[tr:Zeolit]] [[vi:Zeolit]] [[zh:沸石]]