Absorption (Génie chimique)

Absorption

Dans le cas général, l’absorption désigne le fait d’absorber (par exemple l’absorption de l’eau par un absorbeur d’humidité ou du papier absorbant).

  • En biologie, l’absorption est un mode de nutrition des organismes vivants, notamment des bactéries et des champignons (absorbotrophie).
  • En optique, l’absorption, processus par lequel l’énergie d’un photon est prise par une autre entité.
    • Absorption des rayons gamma
    • le coefficient d’absorption est le rapport de l’absorbance au chemin optique.
  • En physique et en chimie, l’absorption, est le processus par lequel des molécules de gaz ou de liquide mis en contact avec un matériau solide s’incorporent dans la totalité de son volume. Lorsque ce processus ne concerne que la surface du solide, on parle d’adsorption.
  • En acoustique, l’absorption est l’atténuation d’une onde — à condition qu’on puisse la considérer comme plane — dans un milieu, ou bien, en acoustique architecturale, l’atténuation au passage d’une paroi.
  • En pharmacie, l’absorption est la première phase de la pharmacocinétique.
  • En réfrigération, l’absorption de gaz constitue l’un des procédés permettant d’obtenir et de maintenir un système à une température inférieure à celle de l’environnement.
  • En sport de combat, l’absorption est un processus par lequel l’énergie du coup est accompagnée pour anéantir son effet.
  • En économie, l’absorption correspond à la part du revenu global consacrée aux dépenses intérieures.
  • En mathématiques, l’élément absorbant ne se change pas quand utilisé par une opération avec un autre élément.

L’absorption est un phénomène ou processus physique et chimique dans lequel des atomes, molécules ou ions pénètrent dans une phase gazeuse, liquide ou solide. Ce phénomène est différent de l’adsorption où les espèces adsorbées restent à la surface. Les espèces absorbées, quant à elles, entrent à l’intérieur de la phase (i. e. en profondeur dans le volume). L’absorption est donc la rétention d’une espèce par une substance. L’absorption et l’adsorption peuvent être regroupées sous le terme sorption.

Partage entre deux phases

On considère deux phases « 1 » et « 2 » auxquelles on ajoute un troisième constituant i qui va être absorbé par les deux phases ; i va se partager entre les deux phases suivant l’équilibre : i phase1 ⇌ i phase2 {\displaystyle i_{\text{phase1}}\rightleftharpoons i_{\text{phase2}}}
L’absorption lors de ce partage obéit à la loi de cloison de Nernst : « Le ratio des activités d’une substance dissoute dans deux phases en contact est une constante. »

La grandeur K est nommée « coefficient de partage » et sa valeur dépend de la température.

Si les concentrations ne sont pas trop élevées, les activités a peuvent être confondues avec la fraction molaire x ou la concentration C.

Si la molécule absorbée subit une association ou une dissociation que ce soit dans la phase « 1 » ou « 2 », alors l’équation ci-dessus, qui décrit l’équilibre entre les concentrations C de chaque phase, doit tenir compte des modifications intervenues. Par exemple, l’acide benzoïque absorbé dans le benzène forme un dimère (C6H5COOH)2.

Dans le cas de l’absorption d’un gaz, il est souvent admis d’utiliser l’équation des gaz parfaits, C = p/RT ; il est alors possible de se servir de pressions partielles plutôt que des concentrations dans les relations.

Absorption vs Adsorption

Absorption vs Adsorption : L’absorption et l’adsorption sont l’un des processus de transfert de masse les plus importants utilisés dans les industries chimiques et de transformation. Le processus d’absorption et le processus d’adsorption sont tous deux appelés processus de sorption. Une sorption est un processus physique ou chimique par lequel une substance s’attache à une autre substance. Un autre processus de sorption est le processus d’échange d’ions.

Définition

L’absorption est un processus dans lequel un composant ou des composants d’une phase gazeuse sont transférés dans une phase liquide lorsque la phase gazeuse et la phase liquide sont mises en contact. Les composants se déplacent vers la masse de la phase liquide, l’absorption est donc un phénomène de masse.

L’adsorption est un processus dans lequel un composant ou des composants d’une phase gazeuse ou d’une phase liquide sont fixés à la surface d’une phase solide lorsque la phase gazeuse ou la phase liquide est mise en contact avec la phase solide. L’adsorption est un phénomène de surface.

Effets de chaleur

L’absorption est un processus endothermique, cela signifie que lorsque le composant gazeux est absorbé dans la phase liquide, l’énergie thermique est absorbée par l’environnement du système.

L’adsorption est un processus exothermique, cela signifie que lorsque le composant gazeux ou liquide est adsorbé sur la phase solide, l’énergie thermique est libérée du système vers l’environnement.

Effet de la température de l’absorbant ou de l’adsorbant

Dans le processus d’absorption, l’absorbant est la phase liquide. Lorsque la température du liquide augmente, les composants gazeux dissous dans le liquide sont éliminés du liquide. Lorsque la température est réduite, la quantité de composants gazeux dissous dans le liquide peut être augmentée.

Dans le processus d’adsorption, l’adsorbant est la phase solide. Lorsque la température augmente, l’étendue de l’adsorption diminue, cela signifie que la quantité attachée à la surface du solide diminuera. Inversement, cela signifie également que l’ampleur de l’adsorption augmente lorsque la température est réduite.

Effet de la pression de la phase gazeuse

En processus d’absorption ; lorsque la pression de la phase gazeuse augmente et que la température reste constante, cela signifie que la quantité de composant(s) a augmenté dans la phase gazeuse. Une grande présence du ou des composants dans la phase gazeuse signifie que plus de quantités auront tendance à se dissoudre dans le liquide. Cela signifie également que si la pression est réduite, l’étendue des composants gazeux dissous dans le liquide sera relativement moindre.

Dans le processus d’adsorption ; il y a un nombre limité de sites actifs. Si la pression de la phase gazeuse augmente, cela signifie que la quantité d’adsorbat augmente dans la phase gazeuse. Cela signifie initialement que le taux d’adsorption augmentera jusqu’à ce qu’un point soit atteint lorsque tous les sites actifs sont remplis, puis le taux d’adsorption devient indépendant de la pression.

Types : physiques et chimiques

Pour le processus d’absorption ; dans le processus d’absorption physique, aucune réaction chimique n’a lieu entre le ou les composants présents dans la phase gazeuse et la phase liquide. Le ou les composants sont transportés de la masse de la phase gazeuse à l’interface de la phase liquide puis à la masse de la phase liquide.

Dans le processus d’absorption chimique, le ou les composants d’intérêt sont d’une nature telle qu’ils réagissent chimiquement avec le solvant (liquide). La réaction chimique peut se produire près de l’interface ou dans la région principale du liquide. Le réarrangement chimique provoque la formation d’un nouveau composé dans le liquide. Ceci est particulièrement utile si l’on souhaite purifier la phase gazeuse, les impuretés peuvent alors réagir chimiquement avec un solvant.

Pour le processus d’adsorption ; dans l’adsorption physique, la phase solide est de nature poreuse et contient des sites potentiels d’adsorption. Le ou les composants issus d’une phase gazeuse ou d’une phase liquide se fixent directement sur les sites actifs à la surface de la phase solide sans subir de modification de leur structure.

Dans l’adsorption chimique, lorsqu’un composant à adsorber s’approche des sites actifs à la surface de l’adsorbant, une réaction chimique se produit qui provoque la rupture des liaisons, ce qui modifie la structure du composant. L’adsorption chimique est également appelée chimisorption et l’adsorption physique est également appelée physisorption.

Absorption (chimie)

En chimie, l’absorption est un phénomène physique ou chimique ou un processus dans lequel des atomes, des molécules ou des ions pénètrent dans une phase en vrac – un matériau liquide ou solide. Il s’agit d’un processus différent de l’adsorption, puisque les molécules en cours d’absorption sont absorbées par le volume et non par la surface (comme dans le cas de l’adsorption).

Une définition plus courante est « L’absorption est un phénomène chimique ou physique dans lequel les molécules, les atomes et les ions de la substance absorbée entrent dans la phase brute (gaz, liquide ou solide) du matériau dans lequel elle est absorbée. »

Un terme plus général est la sorption, qui couvre l’absorption, l’adsorption et l’échange d’ions. L’absorption est une condition dans laquelle quelque chose absorbe une autre substance.

Dans de nombreux processus importants en technologie, l’absorption chimique est utilisée à la place du processus physique, par exemple l’absorption du dioxyde de carbone par l’hydroxyde de sodium – ces processus acide-base ne suivent pas la loi de partition de Nernst.

Pour quelques exemples de cet effet, voir extraction liquide-liquide . Il est possible d’extraire un soluté d’une phase liquide à une autre sans réaction chimique. Des exemples de tels solutés sont les gaz nobles et le tétroxyde d’osmium.

Le processus d’absorption signifie qu’une substance capte et transforme l’énergie. L’absorbant distribue le matériau qu’il capte dans l’ensemble et l’adsorbant ne le distribue qu’à travers la surface.

Le processus de gaz ou de liquide qui pénètre dans le corps de l’adsorbant est communément appelé absorption.

Absorbeur de laboratoire. 1a): CO2 entrée; 1b): H2O entrée; 2): sortie 3): colonne d’absorption; 4): garnissage.

Équation

Si l’absorption est un processus physique qui n’est accompagné d’aucun autre processus physique ou chimique, il suit généralement la loi de distribution de Nernst :

« le rapport des concentrations de certaines espèces de soluté dans deux phases en vrac lorsqu’il est à l’équilibre et en contact est constant pour un soluté et des phases en vrac donnés »:

La valeur de la constante KN dépend de la température et est appelée coefficient de partage. Cette équation est valable si les concentrations ne sont pas trop importantes et si l’espèce « x » ne change de forme dans aucune des deux phases « 1 » ou « 2 ». Si une telle molécule subit une association ou une dissociation, cette équation décrit toujours l’équilibre entre « x » dans les deux phases, mais uniquement pour la même forme – les concentrations de toutes les formes restantes doivent être calculées en tenant compte de tous les autres équilibres.

Dans le cas de l’absorption de gaz, on peut calculer sa concentration en utilisant, par exemple, la loi des gaz parfaits, c = p/RT. En variante, on peut utiliser des pressions partielles au lieu de concentrations.

Types d’absorption

L’absorption est un processus qui peut être chimique (réactif) ou physique (non réactif).

Absorption chimique

L’absorption chimique ou l’absorption réactive est une réaction chimique entre les substances absorbées et absorbantes. Parfois, il se combine avec l’absorption physique. Ce type d’absorption dépend de la stoechiométrie de la réaction et de la concentration de ses réactifs. Ils peuvent être réalisés dans différentes unités, avec un large spectre de types d’écoulements de phase et d’interactions. Dans la plupart des cas, l’AR est réalisée dans des colonnes à plateaux ou à garnissage.

Absorption physique

L’eau dans un solide

Les solides hydrophiles, qui comprennent de nombreux solides d’origine biologique, peuvent facilement absorber l’eau. Les interactions polaires entre l’eau et les molécules du solide favorisent la partition de l’eau dans le solide, ce qui peut permettre une absorption importante de vapeur d’eau même dans des conditions d’humidité relativement faible.

Récupération d’humidité

Une fibre (ou un autre matériau hydrophile) qui a été exposée à l’atmosphère contiendra généralement de l’eau même si elle semble sèche. L’eau peut être chassée par chauffage dans un four, entraînant une diminution mesurable du poids, qui sera progressivement récupérée si la fibre est remise dans une atmosphère « normale ». Cet effet est crucial dans l’industrie textile, où la proportion d’eau dans le poids d’un matériau est appelée reprise d’humidité.

Procédé Lamm-Honigmann.

Le procédé Lamm-Honigmann est un procédé de stockage et de conversion de chaleur en énergie qui consiste à utiliser l’effet de dépression de la pression de vapeur d’un mélange de fluide de travail par rapport à un fluide de travail pur de ce mélange. Ce procédé porte le nom de leurs inventeurs indépendants Emile Lamm (brevet américain de 1870) et Moritz Honigmann (brevet allemand de 1883). Les deux inventeurs ont imaginé et réalisé le même principe de procédé pour l’utilisation comme stockage d’énergie dans la locomotive dite sans feu mais avec des couples de fluides de travail différents : Emile Lamm a utilisé de l’ammoniac et de l’eau, Moritz Honigmann a utilisé de l’eau et de la soude caustique.

Par rapport aux locomotives conventionnelles sans feu (qui fonctionnent généralement avec des réservoirs d’eau pure ou d’air sous pression), l’avantage du procédé proposé par Lamm et Honigmann est que la perte de rapport de pression lors de la décharge du stockage est plus faible et donc théoriquement un « plus grand densité de stockage » peut être atteint. Le procédé peut être considéré comme une technologie de batterie Carnot.

Principe du processus.

Un mélange d’eau et par ex. tout sel a selon la loi de Raoult une pression de vapeur plus faible que le mélange pur. Plus précisément, la dépression de la pression de vapeur est d’autant plus grande que la fraction massique de sel est grande. Ce potentiel de pression est utilisé dans le procédé Lamm-Honigmann pour dilater le fluide de travail, par ex. vapeur d’eau, dans un dispositif de détente et générer de l’énergie mécanique ou ultérieurement électrique. Le fluide de travail est évaporé d’un réservoir (évaporateur) puis détendu en une solution concentrée de la paire de fluides de travail qui a une pression de vapeur plus faible (absorbeur). Le fluide de travail est absorbé par la solution et la chaleur d’absorption est transférée à l’évaporateur pour maintenir la pression dans l’évaporateur. Pendant ce processus de décharge, la pression dans l’absorbeur augmente en raison de la dilution du mélange, jusqu’à ce que le potentiel de pression ne soit plus assez grand pour entraîner le dispositif de détente ou tout ce qui y est connecté. Le stockage est déchargé.

Le processus de charge consiste à reconcentrer le mélange de fluide de travail au moyen de chaleur ou d’énergie mécanique. Dans le cas d’un chargement thermique, la solution diluée est chauffée et le fluide de travail est désorbé et condensé dans un condenseur au même niveau de pression. La chaleur de condensation doit être transférée à l’environnement ou à un autre dissipateur de chaleur. En cas de charge mécanique, le processus de décharge est littéralement inversé. Un dispositif de compression amène le fluide de travail qui est désorbé hors du mélange à un niveau de pression plus élevé, où il est condensé. La chaleur de condensation est transférée au mélange pour la désorption du fluide de travail.

Le processus peut également être réalisé en utilisant des paires de sorption solides (par exemple Zéolithe/eau) ou des produits chimiques d’une réaction chimique réversible (par exemple chlorure de calcium/eau), mais aucun prototype réalisé n’est connu.

Application en tant que stockage d’énergie stationnaire

Alors que les densités de stockage réalisables avec les paires de fluides de travail récemment étudiées ne sont pas assez grandes pour les applications mobiles, les travaux de recherche actuels se concentrent sur son application en tant que stockage d’énergie stationnaire avec une utilisation flexible de différents types d’énergie pour la charge et comme indiqué, les efficacités de stockage sont comparables à d’autres systèmes de stockage d’énergie en vrac tels que l’hydroélectricité pompée, le stockage d’énergie à air liquide ou le stockage d’hydrogène.

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