Prosseguimento de Estudos

La connaissance de la cinétique d’adsorption présente un intérêt pratique dans la mise en œuvre optimale d’un adsorbant au cours d’une opération industrielle, et dans la connaissance des facteurs à optimiser pour fabriquer ou améliorer un adsorbant conduisant à la cinétique la plus rapide possible.

La vitesse d’adsorption des molécules à la surface d’un adsorbant est généralement si élevée que la cinétique globale d’adsorption sur un grain est contrôlée par la résistance au transfert de matière plutôt que par la cinétique d’adsorption intrinsèque.

Au cours de l’adsorption d’une espèce sur un solide, le transfert de matière à lieu de la phase fluide vers les sites actifs de l’adsorbant, ce processus s’opère en trois étapes :

 Le transfert de matière externe : les molécules traversent la couche limite de fluide autour des grains d’adsorbant afin d’accéder à la surface de ceux-ci ;

 Le transfert de matière interne macroporeux : les molécules migrent à l’intérieur des macropores et des mésopores de l’adsorbant, de la surface vers l’intérieur du grain ;

 Le transfert de matière interne microporeux : les molécules diffusent dans les micropores.

20

 Modèle pseudo-premier ordre

Ce modèle a été proposé par Lagergren et exprimé par la relation suivante : dQt/dt = K1 (Qe – Qt)

Où :

Q_e : Quantité de soluté adsorbée à l’équilibre (mg/g)

Qt: Quantité de soluté adsorbé à l’instant t (mg/g)

K1: Constante de vitesse de pseudo premier ordre (min^-1)

Après intégration, l’équation s’écrit : ln (Qe – Qt ) = ln Qe – K1 t

L’application de ce modèle pour un système donné peut être vérifiée en examinant la linéarité de la droite obtenue en portant ln(Qe-Qt) en fonction de t. L’ordonnée à l’origine et la pente de la droite permettent de calculer Q_e et K₁ [22].

 Modèle pseudo-second ordre

L’équation du pseudo-second ordre est souvent utilisée avec succès pour décrire la cinétique de la réaction de fixation des solutés sur l’adsorbant. Le modèle de pseudo- second ordre permet de caractériser la cinétique d’adsorption en prenant compte, à la fois, le cas d’une fixation rapide des solutés sur les sites les plus réactifs et celui d’une fixation lente sur les sites d’énergie faible [22] :

dQt /dt = K2 (Qe – Qt )²

L’intégration conduit à l’équation suivante : t/Qt = 1/(K2 Qe²) + (1/Qe)* t

K₂ : Constante de vitesse de second ordre (mg. g^-1. min^-1).

La quantité adsorbée à l’équilibre Qe et K2 peuvent être déterminées expérimentalement à partir de la pente et de l’ordonnée à l’origine de t/Qt= f (t) [23].

21

 Modèle de diffusion intra-particulaire

La diffusion intra-particulaire est l’étape limitante la plus fréquente dans les processus d’adsorption. La possibilité de la diffusion intra-particulaire peut être explorée en utilisant le modèle de diffusion intra- particulaire proposé par Weber et Morris.

Kint :Constante de vitesse de diffusion intra-particulaire (mg.g-1

.min-1/2

) C’: constante liée à l’épaisseur de la couche limite (mg/g)

La représentation de Qt en fonction de √t permet de calculer la constante de vitesse Kint et de mettre en évidence les différentes étapes du processus [24].

I.5.3 Thermodynamique d’adsorption

L’étude thermodynamique reflète la faisabilité et la nature spontanée du processus d’adsorption. Les paramètres tels que l’enthalpie libre (ΔG°), la variation d’enthalpie (ΔH°) et la variation d’entropie (ΔS°) peuvent être estimées à partir des constantes d’équilibre à différentes températures. [21]

L’adsorption d’un composé chimique (organique ou minéral) à la surface d’un solide est un équilibre entre une réaction d’adsorption et la réaction inverse de désorption qui peut être schématisée comme suite :

Site libre solide + Soluté liquide ou gaz = [complexe] solide

Cette équilibre peut être caractérisé par des constantes de vitesse d’adsorption et de désorption (k_ads , k_dés) et par une constante K_ads . Comme toutes réactions chimiques, la variation de l’enthalpie libre est exprimée :

ΔG = ΔG° + RT ln K ads (I-18)

ΔG°: la variation d’enthalpie libre standard

R : constante des Gaz parfait à l’équilibre ΔG = 0

T : la température absolue

Par conséquent : ΔG°= - RT ln (K ads) (I-19)

D’autre part, à l’état d’équilibre, la variation de l’enthalpie libre standard est encore la différence entre les énergies d’activations d’adsorption et de désorption.

L’énergie d’activation est elle-même reliée à la constante de vitesse de la réaction par la loi d’Arrhenius :

22

K= A exp (-Ea/RT) (I-21) Des équations 10, 11, 12 :

ΔG°= -RT ln (kads/k_dés) (I-22) Et: K_ads= k_ads/k_dés (I-23)

I.1.3.2 Les facteurs influençant l’adsorption

Un grand nombre de paramètres et de propriétés peuvent affecter l’adsorption d’une substance sur un support dont les principaux sont :

 Le pH ;

 La force ionique ;

 La concentration en polluant ;

 La surface spécifique et la porosité d’adsorbant ;

 La masse de l’adsorbant ;

 La polarité ;

23

I.6 Généralités sur les biocapteurs

L’histoire des biocapteurs a débuté dans les années 1950 grâce à l’élaboration par Lyons et Clark de la première électrode capable de mesurer la concentration en oxygène dissous dans le sang. Le couplage de cette électrode à oxygène à une membrane enzymatique renfermant la glucose oxydase a par la suite permis la détermination de la teneur en glucose dans le sang et dans différentes autres solutions biologiques. A la fin des années 70, Guilbault a créé un dispositif pour doser l’urée dans le sang et l’urine. Depuis ces premières ébauches, les biocapteurs ne cessent de susciter l’intérêt des chercheurs et le progrès accomplis dans ce domaine a permis le développement de dispositifs implantables chez des animaux de laboratoire et même chez des patients [25].

I.6.2 Définition d’un biocapteur

Un biocapteur est un système qui utilise des réactions biologiques pour détecter un composé à analyser. Un tel système relie intimement l’élément de reconnaissance biologique (qui réagit avec l’analyte) à un transducteur qui transforme cette bio-reconnaissance en un signal physique utile. Les transducteurs courants possèdent des éléments optiques, électrochimiques ou mécaniques [26].

24

I.6.3 Types de biocapteurs

En peut classer les biocapteurs selon l’élément de reconnaissance biologique, appelé aussi biorécepteur, en trois types :