Argile et minéraux argileux: propriétés physico-chimiques et propriétés et propriétés colloà¯des

Faculté des Sciences Tétouan

- äÇæØÊ ãæáÚáÇ Éíáß -

Master Fondamentale :

Chimie

Titre du Mémoire de PFE :

ARGILE ET MINÉRAUX ARGILEUX : PROPRIÉTÉS

PHYSICO-CHIMIQUES ET PROPRIÉTÉS COLLOÏDES

Présenté par :

Mr. : Abdelhadi EL HACHMI

Encadrant : Pr. Khalid DRAOUI

Date de soutenance : 08 Juillet 2013

JURY

Nom et Prénom	Etablissement	Qualité
Pr. Ikram BEN MAIMOUN	Faculté des sciences	Président
Pr. Khalid DRAOUI	Faculté des sciences	Encadrant
Pr. Abdesalam BARHOUN	Faculté des sciences	Examinateur
Pr. Abdelouahid BEN ALI	Faculté des sciences	Examinateur

Ce travail effectué au laboratoire de la société « Céramica DERSA »

Ce travail de mémoire a été effectué au sien de labo-technique de la société de « Céramica DERSA » dirigée par Mr Ahmed AL KHAYAT.

Mes premiers remerciements vont à mon encadrant de mémoire, Mr Pr Khalid DRAOUI. Je le remercie sur tous les efforts qu'il a déployés dans la

supervision du déroulement des manipulations, de sa contribution

substantielle dans l'analyse et l'interprétation des résultats, des corrections du manuscrit, des encouragements et des conseils qu'il n'a cessés de me prodiguer.

Je tiens à remercie le professeur Ikram BEN MAIMOUN de m'avoir fait l'honneur de présider le jury de cette mémoire.

Je tiens à remercie les professeurs Abdesalam BARHOUN et Abdelouahid BEN ALI pour avoir accepté de jurer ce travail et d'assurer la tache d'examinateur.

Je tiens à adresser mes sincères remerciements à Mr Abdelouahab EL SGHIAR, responsable des ressources humaines de la société « Céramica

DERSA » de m'avoir accepté dans sa société pour la réalisation de ce travail.

Je tiens également à adresser mes remerciements à Mr Ahmed AL KHAYAT, responsable de laboratoire pour son aide et ses conseils précieux.

Je remercie également toute l'équipe du labo-technique de la société « Céramica DERSA » et tous mes collègues qui pendant le stage m'ont aidé professionnellement et moralement je les remercie de tout mon coeur.

Remerciement

i

I. Présentation de la société 42

Table des matières

Remerciement i

Introduction générale 6
CHAPITRE-I-: ETUDE BIBLIOGRAPHIE

I. Les argiles 9

I.1. Origine 9

I.2. Définition 10

II. Les minéraux argileux 10

II.1. Edifices phylliteux 11

II.1.1. Structure des feuillets 11

III. Classification des minéraux argileux 15

IV. Structure des principaux minéraux argileux 16

V. Les minéraux à pseudo-feuillets et à faciès fibrux 23

VI. Organisation texturale des matériaux argileux 24

VI.1. Organisation multi-échelle de la phase solide 24

VI.2. Empilements des feuillets 26

VI.3. Organisation des espaces poraux 28

VII. Propriétés physico-chimiques des argiles 29

VII.1. Charge des surfaces argileuses 29

VII.2. La surface spécifique 32

VII.3. Hydratation et gonflement des minéraux argileux 34

VIII. Propriétés colloïdes des argiles 36

VIII.1. Théorie de la double couche 37

VIII.2. Théorie DLVO 39

CHAPITRE-II-: DESCRIPTION GENERALE DE LA SOCIETE « CERAMICA DERSA »

II. Description de l'usine 43

III. Processus de production 44

CHAPITRE-III-: PARTIE EXPERIMENTALE

I. Taux de l'humidité des argiles 48

II. Granulométrie des argiles 49

II.1. Définitions 49

II.2. Analyse granulométrique des argiles brute 50

III. Résistance mécanique des carreaux céramiques 52

IV. Taux des carbonates dans les argiles 54

V. Echantillonnages 55

V.1. Echantillons à bases d'argile brute 58

V.2. Echantillons à bases d'argile équilibrée 59

V.3. Echantillons à bases d'argile recyclée 60

Conclusion générale 61

Références bibliographiques 62

Annexes 65

1

INTRODUCTION

GENERALE

J

Année : 2012/2013 PFE - Master - Chimie Fondamentale Page 6

Introduction générale

Introduction générale

Le mot argile aurait deux origines, l'une grecque par le mot Argos qui veut dire blanc, l'autre latine par le mot argilla (caillère et al. 1982). L'argile est un matériau naturel qui a été utilisé par l'homme depuis très longtemps, notamment dans l'antiquité. Pour la poterie. Son intérêt est considérable dans divers domaines en raison, à la fois de son abondance et de ses propriétés en agriculture, étant donné que tous les sols cultivés en contiennent plus au moins mais parfois en grand quantités. On sait depuis longtemps que les sols argileux sont fertiles mais souvent difficiles à travailler en raison de leurs propriétés mécaniques. Ces mêmes propriétés font des roches argileuses des substrats difficiles pour le génie civil. Ce sont aussi des matériaux très utilisés dans l'industrie de la céramique, en particulière. Tous ces domaines très différents les uns des autres font que de nombreux spécialistes de plusieurs disciplines se sont intéressés aux argiles, chacun avec ses connaissances et son vocabulaire. Cela se traduit par une abondante littérature qui relate une grande quantité de travaux de diverse nature mais aussi l'existence d'une certaine confusion dans les langages utilisés. Aussi, est-il utile de précisé dès maintenant le vocabulaire approprié pour le sujet qui nous préoccupe ici.

Argiles, matériaux argileux, substrat argileux, roches argileux ces mots et expressions sont des synonymes et désignent un matériau naturel qui se trouve sous forme de gisements mais aussi en quantités plus au moins grandes dans les sols et les sédiments.

Ce matériau est soit constitué par un seul minéral soit, le plus souvent, par un mélange de minéraux appelés minéraux des argiles. Parmi ces minéraux, certains sont des minéraux argileux, ou encore argiles minéralogiques, d'autres sont des minéraux sont argileux comme des oxydes métalliques, des carbonates, des feldspaths et le quartz par exemple. Par ailleurs, ces minéraux des argiles se trouvent essentiellement sous forme de très petites particules généralement inférieures à 2 um. L'ensemble de ces petites particules est appelé argiles granulométrique [1].

Ce travail s'inscrit alors dans le cadre général de ce projet il présente différents études des caractéristiques technologiques de l'argile entrante dans la fabrication des carreaux céramiques.

Ce mémoire s'articule autour de trois chapitres.

Le chapitre -I- de ce mémoire sera consacré à une étude bibliographique approfondie des argiles. Les minéraux étudiés dans ce mémoire, les minéraux argileux. Nous nous attachons à

Année : 2012/2013 PFE - Master - Chimie Fondamentale Page 7

Introduction générale

décrire leur structure, leurs propriétés physico-chimiques et leurs propriétés colloïdes et nous introduisons la notion d'organisation des matériaux argileux.

Le chapitre -II- est consacré à la présentation générale de la société « Céramica DERSA », description de l'usine et processus de production.

Le chapitre -III- est consacré à la présentation de la partie expérimentale, au premier temps nous mesurons le taux d'humidité, l'analyse granulométrique et la résistance mécanique des argiles utilisé à l'usine. Au second temps nous préparerons des échantillons synthétiques d'argile brute, d'argile équilibrée et d'argile recyclée. Dans ces argiles nous muserons la perte au feu, le retrait / dilatation, l'absorption d'eau et le taux de CaCO3.

En fin, nous clôturons par une conclusion générale résumant les principaux résultats significatifs acquis et nous indiquons les perspectives envisagées pour ce travail.

CHAPITRE

-I-

ETUDE BIBLIOGRAPHIE

Chapitre-I- Etude bibliographie

Année : 2012/2013 PFE - Master - Chimie Fondamentale Page 9

I. Les argiles

I.1. Origine

L'origine des argiles peut être reliée à différents processus, tels que l'altération physique et/ou chimique (i.e. transformation primaire d'autres matériaux), la déposition in situ (i.e. redéposition après le transport de "détritus") et les processus hydrothermal et/ou diagénèse. La figure I-1, présente les degrés d'altération des divers silicates. On remarque que si la plupart des minéraux sont attaqués, le quartz est particulièrement résistant et ne sera que très peu touché par l'altération. Il est également à signaler que les minéraux tels que le quartz, la muscovite, le feldspath, la biotite, l'amphibole et les plagioclases sont les principaux constituants du granité, tandis que le basalte est constitué par le pyroxène, l'olivine et le plagioclase calcique. Voila pourquoi le granité résiste mieux que le basalte aux différents processus d'altération [2].

Figure I-1 : Altération des silicates [2]

Un exemple de l'altération du granité est montré sur la figure I-2. On peut observer que le granité se décompose en une mélange de sable (quartz très peu altérable) et d'argiles. En effet, les minéraux silicates autres que le quartz sont altérés progressivement en minéraux argileux.

Chapitre-I- Etude bibliographie

Année : 2012/2013 PFE - Master - Chimie Fondamentale Page 10

Figure I-2 : Schème général de formation et d'évolution de roches [2]

I.2. Définition

De manière générale, le mot argile(s) sert à désigner l'ensemble des particules dont la taille est inférieure à 2 um. En termes de taille de grain, le mot argile a deux sens. Il désigne d'abord les particules faites des minéraux argileux dont les cristaux excèdent parfois 2 um. Les minéraux argileux proviennent essentiellement de l'altération chimique de certains minéraux composant la roche. Cette altération chimique agit de façon que certains minéraux silicates, comme les micas ou les feldspaths sont transformés en d'autres espèces minérales (kaolinite, illite, Montmorillonite), souvent de granulométrie plus fine. Les minéraux argileux sont surtout de la famille de silicates, formés à base de silice (Si) et d'oxygène (O), tels que le quartz et les feldspaths. Le mot minéral argileux comprend les minéraux qui font partie du groupe des phyllosilicates, appelés aussi silicates de structure lamellaires.

Le terme argile désigne ensuite les débris les plus fins de la désagrégation-altération physique des roches appelés la farine de roche (d<2 um). Cette farine peut contenir une proportion de minéraux argileux plus ou moins importante [2].

II. Les minéraux argileux

Selon J. Mering (1963) le caractère argileux d'un minéral repose sur quatre caractéristiques : - la petite dimension des particules de minéraux, inférieure à 2 um ;

- la dissymétrie des particules de forme généralement lamellaire ce qui rend compte de propriétés mécaniques comme la plasticité et de propriétés physico-chimiques comme la rétention de molécules d'eau ;

- la possibilité, pour ces particules, de pouvoir donner des suspensions aqueuses plus ou moins stables ;

Chapitre-I- Etude bibliographie

Année : 2012/2013 PFE - Master - Chimie Fondamentale Page 11

- leur composition chimique ; ce sont des silicates ;

Ces caractéristiques sont celles des phyllosilicates qui se définissent ainsi : « Les minéraux argileux appartiennent à la famille des phyllosilicates et sont constitués par une couche tétraédrique bidimensionnelle de composition _T2O5, T pouvant être Si⁴⁺, Al³⁺ ou Fe³⁺. Ces tétraèdres sont liés dans un même plan par trois de leurs sommets, le quatrième étant orienté dans une autre direction. Les couches tétraédriques sont liées dans la structure à des couches octaédriques ou à des groupes de cations coordonnés ou indépendants » [1].

II.1. Edifices phylliteux

II.1.1. Structure des feuillets

Les minéraux argileux sont des aluminosilicates présentant une structure en feuillets, d'où leur appellation de phyllosilicates (terme formé d'un morphème "phullon" issu du grec signifiant: qui a l'aspect de feuille). Ces feuillets sont bidimensionnels et constitués de deux types de couches [3] :

? La couche tétraédrique (figure I-3) est formée de silice tétraédrique, c'est-à-dire d'un cation Si⁴⁺ entouré de quatre anions O^2-, qui constituent les sommets du tétraèdre. Chaque tétraèdre partage trois atomes d'oxygène avec les tétraèdres adjacents. Ces atomes d'oxygène partagés sont arrangés en réseau hexagonal qui forme la base de la couche. Le bilan des charges positives et négatives présentes dans cette structure n'est pas neutre. En effet, chaque tétraèdre est formé d'un cation Si⁴⁺ et de trois anions O^2- qui forment la base du feuillet et qui appartiennent aussi à un tétraèdre adjacent, et d'un quatrième anion O^2- qui lui n'est pas partagé. Le bilan des charges est alors : 4 + 3× (-2)/2 + (-2) = -1.

L'électroneutralité de la couche est obtenue par la liaison avec une couche chargée positivement, par la présence d'ions compensateurs à la surface de la couche, ou par ajout d'un proton H⁺ sur certains O^2-. L'épaisseur de cette couche tétraédrique est de 4,63 Å.

? La couche octaédrique (figure I-3) est formée de cations Al³⁺ ou Mg²⁺ entourés de six groupements hydroxyle OH^-. Ces octaèdres sont reliés entre eux par des anions communs, et forment une couche plane. Le bilan des charges présentes dans le feuillet est de +3 pour le cation Al³⁺ et -1 pour le groupement hydroxyle, mais chaque OH^- est partagé avec trois cations, ce qui donne : +3 + 6× (-1)/3 = +1. Pour atteindre l'électroneutralité, seulement deux sites ocatédriques sur trois sont occupés par un cation Al³⁺ ; on parle alors de couche di-octaédrique de gibbsite. Dans le cas du cation Mg²⁺, lorsque tous les sites sont occupés, la

Chapitre-I- Etude bibliographie

Année : 2012/2013 PFE - Master - Chimie Fondamentale Page 12

couche est neutre ; c'est la structure tri-octaédrique de brucite. La couche octaédrique a une épaisseur de 5,05 Å.

Figure I-3 : Représentation des tétraèdres et des octaèdres [4].

Ces couches tétraédriques ou octaédriques sont donc formées par la superposition de plans d'oxygènes délimitant des cavités de forme tétraédrique ou octaédrique. La stabilité du feuillet est assurée par la présence de cations à l'intérieur de ces cavités. Dans la couche tétraédrique, le cation dominant est Si⁴⁺ mais de fréquentes substitutions ont lieu avec Al³⁺ et, plus rarement, avec Fe³⁺. Les sites octaédriques, quant à eux, sont généralement occupés par les cations Al³⁺, éventuellement substitué par Fe²⁺ et surtout Mg²⁺, pour les couches de type dioctaédrique et Mg²⁺ pour les couches trioctaédriques [4].

Chapitre-I- Etude bibliographie

Année : 2012/2013 PFE - Master - Chimie Fondamentale Page 13

Figure I-4 : Représentation schématique des deux types de couches octaédriques : (a) = trioctaédrique ; (b) = dioctaédrique [5].

Des couches tétraédriques (T) et des couches octaédriques (O) forment des feuillets, séparés les uns des autres par des espaces interfoliaires pouvant contenir des molécules d'eau et des ions (figures I-5). L'ensemble d'un feuillet et d'un espace interfoliaire est une unité structurale. Ces unités s'agencent alors entre elles pour former des particules argileuses. La liaison entre une couche tétraédrique et une couche octaédrique se fait par l'intermédiaire du quatrième oxygène de la silice tétraédrique, qui appartient aussi à un octaèdre du feuillet octaédrique [3].

Chapitre-I- Etude bibliographie

Année : 2012/2013 PFE - Master - Chimie Fondamentale Page 14

Figure I-5 : Assemblages de couches tétraédriques et octaédriques : le feuillet argileux [6]

Les espaces qui se trouvent entre les feuillets (i.e. espaces interfoliaires) peuvent être vides ou remplis. Ils sont vides lorsque les différents feuillets sont neutres, ou ils sont occupés par des cations dès que l'empilement présente un déficit de charge [2]. Les cations les plus fréquents sont le calcium (Ca^2+), le magnésium (Mg²⁺), le potassium (K⁺), le sodium (Na⁺) et le lithium (Li⁺).

L'ensemble, composé du feuillet élémentaire et de l'espace interfoliaire, représente l'unité structurale dont l'épaisseur constitue une caractéristique fondamentale du minéral argileux et est appelée distance interfoliaire ou distance basale et est notée d001.

La valeur de cette distance basale peut être déterminée à partir de la position angulaire de la réflexion basale correspondant au plan réticulaire (001), résolue par la diffraction des rayons X, et ce en utilisant la loi de Bragg [7]:

X = 2 d001 sin(O)

Avec :

- O: angle entre le faisceau incident et le réseau de plans (angle de diffraction)

- D : Espacement entre 2 plans parallèles successifs du réseau cristallin

- X : Longueur d'onde du faisceau des rayons X

Chapitre-I- Etude bibliographie

Année : 2012/2013 PFE - Master - Chimie Fondamentale Page 15

Figure I-6 : Allures typiques des particules de minéraux argileux [7]

III. Classification des minéraux argileux

Les travaux de l'A.I.P.E.A. (Association Internationale Pour l'Etude des Argiles) (19661972) et plus tard, ceux de Pédro (1994), ont permis d'aboutir à une classification (Tableau I1) qui repose sur l'utilisation des critères suivants [8] :

- Type de feuillets 2/1 ou 1/1;

- Charge globale du feuillet;

- Nature des cations inferfoliaires.

Il existe différentes classifications des argiles. La plus classique est basée sur l'épaisseur et la structure du feuillet. On distingue ainsi 4 groupes :

- Minéraux à 7 Å : Le feuillet est constitué d'une couche tétraédrique et d'une couche octaédrique. Il est qualifié de T/O ou de type 1/1. Son épaisseur est d'environ 7 Å ;

- Minéraux à 10 Å : Le feuillet est constitué de deux couches tétraédriques et d'une couche octaédrique. Il est qualifié de T/O/T ou de type 2/1. Son épaisseur est d'environ 10 Å ;

- Minéraux à 14 Å : Le feuillet est constitué de l'alternance de feuillets T/O/T et de couches octaédriques interfoliaires ;

- Minéraux interstratifiés : L'épaisseur du feuillet est variable. Ces minéraux résultent du mélange régulier ou irrégulier d'argiles appartenant aux groupes ci-dessus.

La valeur de la charge permanente du feuillet a servi de critère pour établir une classification des phyllosilicates 2/1 (Tableau I-1). Cette classification est déduite des travaux de McKenzie (1975) et Brindley (1996) [8].

Chapitre-I- Etude bibliographie

Année : 2012/2013 PFE - Master - Chimie Fondamentale Page 16

Tableau I-1 : Classification des minéraux argileux selon la charge globale du feuillet et de la composition de sa couche octaédrique [9].

IV. Structure des principaux minéraux argileux ? Structure de la kaolinite :

La kaolinite est constituée d'une succession de couches alternées de feuillets en tétraèdre (Silice) et de feuillets en octaèdre (Aluminium), qui explique donc que l'on considère la kaolinite comme un minéral argileux 1/1. Sa formule théorique est _{Si4Al4O10(OH)8.} Les deux feuillets sont liés de telle manière qu'ils forment une seule couche d'épaisseur d'environ 7 ? (0,7 nm) qui s'étend indéfiniment dans les deux autres directions [2].

Chapitre-I- Etude bibliographie

Année : 2012/2013 PFE - Master - Chimie Fondamentale Page 17

La liaison entre deux feuillets adjacents est assurée par des liaisons hydrogènes. Ces liaisons s'établissent entre les hydroxyles de la couche octaédrique et les oxygènes de la couche tétraédrique. Elles entraînent un rapprochement des feuillets adjacents, empêchant toute pénétration de molécules d'eau, de molécules organiques ou d'ions minéraux [10]. Il n'existe donc aucune possibilité de gonflement ou de rétraction des feuillets. La faible capacité d'échange des kaolinites est due à des sites de surface amphotères.

Figure I-7 : Représentation schématique de la structure de kaolinite [11] ? Structure de l'illite :

L'illite est constituée d'une couche octaédrique (O) intercalée entre deux couches tétraédriques (T). Sa formule théorique est : (Si4-xAlx) ^(Al2) _O10 (OH)2 (K)_x avec x voisin de 0,5 [1].

Les illites sont des minéraux argileux à feuillet de type 2/1 et à équidistance basale stable à 10 Å. Elle présente des substitutions fréquentes de Si⁴⁺ par Mg²⁺, Fe²⁺ ou Fe³⁺, les défauts de charge de la maille sont compensés en général par des ions K⁺ logés dans les cavités hexagonales des couches tétraédriques [1]. Ces gros cations assurent la liaison ionique des feuillets adjacents et bloquent l'écart réticulaire à 10 Å quelque soit l'état d'hydratation.

Chapitre-I- Etude bibliographie

Année : 2012/2013 PFE - Master - Chimie Fondamentale Page 18

L'argile illitique renferme de faibles quantités d'eau zéolithique et par conséquent ne présente pas de phénomène de gonflement [10].

Figure I-8 : Représentation schématique de la structure de l'illite [11] ? Structure de chlorite :

Le chlorite est un terme qui a désigné au début les minéraux phylliteux de couleur verte et riche en fer ferreux [1]. Le feuillet élémentaire est de type 2/1/1, avec en position interfoliaire une couche continue de nature hydroxylique (couche octaédrique) déterminant une équidistance basale très stable à 14 Å. La structure des chlorites correspond donc à l'association d'un feuillet 2/1 de type micacé avec une couche interfoliaire supplémentaire et indépendante, constituée d'hydroxyde de magnésium ou de fer ferreux. Les feuillets 2/1 sont liés entre eux par cette couche hydroxylique : les charges négatives provenant de substitutions diverses dans le feuillet 2/1 sont en effet compensées par les charges positives développées dans la couche octaédrique hydroxylée au sein de laquelle se produisent des substitutions bivalent/trivalent (par exemple : Mg^2+/Al³⁺, Mg²⁺/Fe³⁺, Fe²⁺/Fe³⁺) [12].

Chapitre-I- Etude bibliographie

Année : 2012/2013 PFE - Master - Chimie Fondamentale Page 19

La couche hydroxylique, appelée couche ou feuillet brucitique, a donc une composition mixte, ferromagnésienne ; du fait de la compensation des charges, elle assure à l'édifice cristallin une très grande stabilité [12].

La formule structural de chlorite est : Mg5 (Al, Fe) (OH)8 (Al, Si)4 O10

Figure I-9: Représentation schématique de la structure de chlorite [11] ? Structure de vermiculite :

Ce sont des minéraux à aspect de mica et sont proches des illites et chlorites mais avec la propriété d'être gonflants. Ils se caractérisent par la présence de cations hydratés dans l'espace interfoliaire. Le complexe interfoliaire comprend généralement des cations Mg ou Ca

Chapitre-I- Etude bibliographie

Année : 2012/2013 PFE - Master - Chimie Fondamentale Page 20

et 2 couches de molécules d'eau. Ainsi, si ces minéraux sont chauffés, ils perdent leur eau interfoliaire et leur distance inter-réticulaire rétrécit à 10 Å. Les vermiculites dioctaédriques résultent généralement de l'altération des micas (illite ou muscovite) et sont abondantes dans les sols des zones tempérées. Les vermiculites trioctaédriques sont plutôt issues de l'altération des chlorites ou néoformées [13].

La formule générale des vermiculites est : (Mg.CaX) _{(Si(8-X).AlX)} ^(Mg.Fe)6 _O20 . _yH2O avec X= 1 à 1,4 et y de l'ordre de 8. Mg²⁺ et Ca²⁺ sont les cations compensateurs très facilement échangeables [1].

Figure I-10 : Représentation schématique de la structure de vermiculite [30] ? Structure de smectite :

Les smectites sont des phyllosilicates de type 2/1 (ou TOT), constituées de deux couches tétraédriques encadrant une couche octaédrique. Les minéraux smectites diffèrent selon que les substitutions isomorphiques sont prédominantes dans les couches tétraédriques et/ou octaédriques ainsi que selon la composition chimique de leurs couches octaédriques, autrement dit suivant que si le minéral est dioctaédrique ou trioctaédrique [7].

Le tableau I-2 reporte la classification des différents minéraux argileux formant la classe des smectites.

Chapitre-I- Etude bibliographie

Année : 2012/2013 PFE - Master - Chimie Fondamentale Page 21

Chapitre-I- Etude bibliographie

Tableau I-2 : Les différents types de smectites [14].

Il existe deux sous-groupes : les smectites trioctaédriques (saponite, stevensite) et les smectites dioctaédriques (beidellite, montmorillonite et nontronite) :

? Les smectites trioctaédriques correspondent aux saponites ou aux stévensites dont la couche octaédrique contient essentiellement Mg²⁺. Les substitutions sont alors majoritairement tétraédriques : Si⁴⁺ remplacé par Al³⁺ ou Fe³⁺ dans la saponite et négligeables dans la stévensite.

? Les smectites dioctaédriques sont les beidellites, les nontronites et les montmorillonites. Dans l'idéal, les beidellites et les nontronites ont un déficit de charge tétraédrique comme les saponites (Si⁴⁺ substitué par Al³⁺), alors que les montmorillonites ont un déficit de charge octaédrique (Al³⁺ substitué par Mg²⁺ essentiellement). En fait, les smectites dioctaédriques possèdent le plus souvent à la fois des déficits de charges tétraédriques et octaédriques et c'est cette tendance qui les classe parmi les montmorillonites ou les beidellites. Les nontronites sont des beidellites contenant du fer dans la couche octaédrique et éventuellement dans la

Année : 2012/2013 PFE - Master - Chimie Fondamentale Page 22

couche tétraédrique [4]. La montmorillonite est la smectite la plus connue et la plus étudiée; sa structure est schématisée sur la figure I-11.

Figure I-11 : Représentation schématique de la structure d'une montmorillonite [4].

Les formules structurales sont très variables d'une smectite à l'autre, même au sein d'une même espèce. Il est donc difficile de proposer une formule structurale générale [14]. On peut quand même donner les formules structurales de quelques espèces parmi les plus courantes:

- Montmorillonite Rx(Al2-x Mgx)O ^(Si4)T _O10(OH)2, nH2O (R=Na⁺ ou 1/2Ca²⁺, x 0,3-0,7)

- Beidellite Nax+y (Al2-x-t Fe³⁺ t Mgx)O (Si4-y ^Aly)T _O10 (OH)2, nH2O

- Nontronite K_y (Fe³⁺ 2-x Alx)O (Si4-y Aly)T O10(OH)2, nH2O

Chapitre-I- Etude bibliographie

Année : 2012/2013 PFE - Master - Chimie Fondamentale Page 23

- Saponite (Mg) Na_y (Mg3)O _(Si4-y ^Aly)T _O10 (OH)2, nH2O

Par ailleurs, la couche interfoliaire est également de nature variable (cations mono ou divalents avec 1 ou 2 couches d'eau). Les cations qui assurent la compensation du déficit de charge du feuillet T/O/T. sont principalement Na⁺, Ca²⁺, Mg²⁺ et K⁺ [7]. Ils se localisent en général au-dessus du centre des cavités hexagonales de la couche tétraédrique, à des cotes variables en fonction de leur taille, de leur sphère d'hydratation et du déficit de charges du feuillet [7].

V. Les minéraux à pseudo-feuillets et à faciès fibreux

Les minéraux fibreux sont des espèces à pseudo-feuillets. Leur faciès fibreux résulte d'une discontinuité du feuillet selon l'axe b [15]. Ce pseudo-feuillet est constitué de plans continus d'oxygène. Dans ces plans, les oxygènes sont aux sommets d'un hexagone plus ou moins régulier. Entre deux plans continus d'oxygène, on trouve deux plans discontinus formés d'oxygène et d'hydroxyle. L'empilement des deux plans discontinus forme des octaèdres enchevêtrés créant ainsi un ruban. Cette rupture donne naissance à des lacunes qui forment des canaux structuraux entre des rubans. La largeur de ces rubans est caractéristique de chaque famille. Les oxygènes du plan continu forment la base de tétraèdre dont la pointe est constituée par un oxygène du ruban. Ces tétraèdres sont occupés en leur centre par des ions Si⁴⁺. Les ions Mg²⁺ ou Al³⁺ occupent les lacunes octaédriques. Les rubans se terminent par des liaisons entre ces cations et des molécules d'eau. On distingue deux principales familles (Figure I-12) [15] :

? La famille des palygorskites (appelée aussi attapulgite) où l'empilement des deux plans discontinus fait apparaître un ruban à cinq octaèdres. Les particules ont la forme d'aiguilles rigides.

? La famille des sépiolites où l'empilement des deux plans discontinus fait apparaître un ruban à huit octaèdres. Les particules ont la forme de fibres flexibles.

La palygorskite est riche en Mg et Al; sa formule idéale se présente comme : Si8O20Al2Mg2(OH)2 (H2O)4. En revanche, la sépiolite est purement magnésienne; sa formule idéale est : Si6Mg4O15(OH)2 6H2O.

Chapitre-I- Etude bibliographie

Année : 2012/2013 PFE - Master - Chimie Fondamentale Page 24

Figure I-12 : Schéma de la structure des minéraux argileux fibreux: (a) palygorskite et (b) sépiolite montrant des rubans formés de pseudo-feuillets 2/1 (ou TOT) de deux couches tétraédriques (T) prenant en sandwich une couche octaédrique (O). Les rubans sont connectés par les oxygènes apicaux des couches tétraédriques [11].

VI. Organisation texturale des matériaux argileux VI.1. Organisation multi-échelle de la phase solide

La phase solide du système argileux peut-être décrite à partir de trois unités structurales et de l'arrangement mutuel de ces unités : le feuillet, la particule et l'agrégat (Figure I-13) [4].

Chapitre-I- Etude bibliographie

Année : 2012/2013 PFE - Master - Chimie Fondamentale Page 25

Figure I-13 : Structure multi-échelle d'une smectite (exemple de la montmorillonite) [7].

? Le feuillet

La première de ces unités est le feuillet. C'est l'unité structurale de base définissant la nature minéralogique, l'appartenance au type d'argile, les propriétés physico-chimiques ainsi que le comportement macroscopique. Selon la composition de ce feuillet, sa forme est très variée. L'épaisseur est d'environ 1 nm pour une extension latérale qui peut aller jusqu'au micron. Cette anisotropie confère à ces feuillets une certaine souplesse [4].

? La particule primaire

La particule primaire est constituée de cinq à dix feuillets identiques empilés et parallèles à leurs plans de base, maintenus par les forces électrostatiques attractives entre les ions interfoliaires et les feuillets [4]. Elle fait généralement 8 à 10 nanomètres d'épaisseur. La taille des particules est à peu près constante [7].

? L'agrégat

L'agrégat est un ensemble de particules primaires orientées dans toutes les directions. Les agrégats ont une taille qui varie de 0.1 à 10 microns [7].

En prenant pour référence les données d'Oberlin et Méring (1962) et Van Olphen (1964) et portant sur les minéraux expansibles, Tessier (1975) a proposé une nomenclature pour nommer les différents modes d'association des particules [4] : bord à bord et face à face. L'agrégat constitué de plusieurs particules primaires a été nommé « unité morphologique ». La figure I-14 représente les différents modes d'associations supposés formant l'agrégat.

Chapitre-I- Etude bibliographie

Année : 2012/2013 PFE - Master - Chimie Fondamentale Page 26

Figure I-14 : Modes d'associations supposés des feuillets de montmorillonite en suspension : (a) dispersion, (b) agrégation face-face, (c) association bord-face, (d) association bord-bord (d'après Van Olphen, 1964) [4].

VI.2. Empilements des feuillets

? Cas des minéraux homogènes :

Si on considère les principales espèces minéralogiques, trois grands types d'empilements sont à considérer (figure I-15) [9] :

i) Empilement ordonné : Dans ce cas les feuillets sont empilés les uns sur les autres dans un ordre parfait. C'est le cas des phyllosilicates dont l'espace interfoliaire est vide ou anhydre (kaolinites ou illites).

ii) Empilement semi-ordonné (ou désordre translationnel) : Les feuillets successifs présentent des translations «semi-définies». Les feuillets sont séparés par quelques molécules d'eau, l'épaisseur de la particule est variable et dépend du degré d'hydratation. Ils peuvent glisser latéralement les uns sur les autres.

iii) Empilement désordonné (ou désordre turbostratique) : Dans ce cas d'empilement, des feuillets successifs présentent des translations et/ou des rotations quelconques dans tout l'édifice. Les feuillets sont séparés par un film d'eau permettant une libre rotation autour d'un axe perpendiculaire au plan de la particule.

Chapitre-I- Etude bibliographie

Année : 2012/2013 PFE - Master - Chimie Fondamentale Page 27

Figure I-15 : Les différents types d'empilement dans les argiles [1]. ? Cas des minéraux interstratifiés :

Dans le cas des minéraux interstratifiés, l'empilement se caractérise essentiellement par le mode de succession des feuillets de nature différente suivant la normale à leur plan. Ainsi si on considère un minéral interstratifié qui contient deux types de feuillets A et B, on peut envisager essentiellement trois types d'interstratifiés (figure I-16) [8] :

i) Ségrégés : une particule donnée présente des séquences AAABBB (Figure I-16a). Le diagramme de diffraction X est la superposition des diagrammes produits par chacun des constituants.

ii) Réguliers : une particule donnée comporte alors des séquences ABABAB...AB (Figure I-16h). Une période de surstructure perpendiculairement au plan des feuillets égale à la somme des épaisseurs des deux feuillets apparaît (dT=dA+dB). Le diagramme de diffraction X comporte alors des réflexions basales de surstructure correspondant à dT.

iii) Aléatoires : c'est-à-dire tous les cas intermédiaires entre les deux décrits précédemment (Figure I-16c). Dans ce cas, les diagrammes de diffraction X présentent des réflexions (001) irrationnelles, et leur interprétation est très délicate.

Chapitre-I- Etude bibliographie

Année : 2012/2013 PFE - Master - Chimie Fondamentale Page 28

Figure I-16 : Différents modes de succession des feuillets au sein d'une unité interstratifiée

[8].

VI.3. Organisation des espaces poraux

L'organisation des matériaux argileux (du feuillet à l'assemblage d'agrégat) ne peut être interprétée que si l'organisation de l'espace poral est prise en considération. La dimension, la forme la distribution des espaces poraux dépendent de la granulométrie du matériau argileux, de son caractère gonflant, du fluide interstitiel et des contraintes. Touret et Pons (1989) ont décrit l'existence de trois types d'espace lié à l'organisation de la phase solide (Figure I-17)

[9].

i) L'espace interfoliaire : sépare deux feuillets dans un empilement. Il est généralement occupé par les couches d'eau adsorbée (1 à 4) et des cations échangeables, et son épaisseur moyenne est comprise entre 1,5 et 2,5 nm (figure I-17a).

ii) L'espace interparticulaire : séparant les particules argileuses qui forment les agrégats. Il est susceptible de diminuer jusqu'à atteindre la valeur de l'espace interfoliaire pour les argiles fortement compactées; dans ce type d'espace la double couche peut se développer. Les micropores lenticulaires sont intérieurs aux particules, à l'échelle de quelques nm (figure I-17h).

iii) L'espace interagrégat : a une section moyenne comprise entre 1,6 et 16 nm où l'eau circule librement (eau libre) limitant les effets électrostatiques de la double couche (figure I-17c).

Chapitre-I- Etude bibliographie

Figure I-17 : Les différents types d'espaces poraux [9].

VII. Propriétés physico-chimiques des argiles

Les propriétés donnant aux argiles des spécificités bien définies sont nombreuses, elles peuvent être physiques et chimiques.

VII.1. Charge des surfaces argileuses

Les minéraux argileux portent une charge électrique nette devant être compensée par l'adsorption d'ions de signe opposé venant de la solution. Selon son origine, cette charge est soit « permanente », c'est-à-dire indépendante de la physico-chimie du milieu, soit « variable » selon la composition de la solution, particulièrement selon le pH [5].

? Charge permanente du feuillet :

La charge permanente peut être définie comme la charge nette résultant des substitutions isomorphes à l'intérieur du feuillet [5].

,

4+ 3+

L'existence de substitutions isomorphiques dans les couches tétraédriques (Si ? Al

3+ Fe		3+	2+ ? Mg	2+ , Fe	2+ +
	) et/ou octaédrique (Al				; ou Mg ? Li ) confère un déficit de charge au

Année : 2012/2013 PFE - Master - Chimie Fondamentale Page 29

feuillet [7]. Afin de rétablir l'électroneutralité, cette charge est compensée par un cation alcalin ou alcalino-terreux plus ou moins hydraté dit cation compensateur et qui vient se loger dans l'espace interfoliaire entre deux feuillets d'argile.

Chapitre-I- Etude bibliographie

Année : 2012/2013 PFE - Master - Chimie Fondamentale Page 30

Figure I-18 : Adsorption à l'équilibre et échange ionique [16].

? Charge de bordure de feuillet :

Aux bordures d'un feuillet, les valences du silicium et de l'oxygène en couche tétraédrique d'une part, de l'aluminium et de l'oxygène en couche octaédrique, d'autre part, ne sont pas saturées. Pour compenser ces valences, des molécules d'eau s'hydrolysent et il y a apparition de groupes silanols (Si-OH) ou aluminol (Al-OH) qui en fonction du pH peuvent capter ou libérer des protons. Le nombre et la nature des charges de bordure de feuillet seront donc directement liés au pH. Les réactions mises en jeu sont les suivantes [17] :

? En couche tétraédrique :

- Libération d'un ion hydrogène : ESi-OH + OH^- ESi-O^- + H2O

? En couche octaédrique :

- Capture d'un ion hydrogène : EAl-OH + H⁺ EAl-OH2 +

- Libération d'un ion hydrogène : EAl-OH + OH^- EAl-O^- + H2O

Chapitre-I- Etude bibliographie

Année : 2012/2013 PFE - Master - Chimie Fondamentale Page 31

Figure I-19 : Charge variable de minéraux argileux. Influence de pH sur le silanol (Si-OH) et aluminol (Al-OH) en fonction des bords interrompus d'une kaolinite [5].

Les groupes hydroxyles, présents sur les faces latérales des argiles 1/1 et 2/1 (Figure I-20), sont chargés à la surface du minéral, et sont sensibles à la variation du pH de l'eau porale (groupe amphotère). Il existe aussi des réactions d'adsorption spécifique, situées sur les faces latérales, de certains ions de l'eau porale (par exemple le sodium Na⁺). Ces adsorptions se produisent sur les sites où les valences des atomes du réseau ne sont pas toujours compensées [18].

Figure I-20 : Sites de surface aluminols, >Al-OH, et silanols, >Si-OH, en bordure de feuillet pour une kaolinite, et sites de surface silanols pour une smectite [18].

Chapitre-I- Etude bibliographie

Année : 2012/2013 PFE - Master - Chimie Fondamentale Page 32

Chapitre-I- Etude bibliographie

Les deux types de charges des minéraux argileux présentées ci-dessus interviennent dans la Capacité d'Échange Cationique (CEC) [5].

La CEC se définit comme étant le nombre de cations monovalents qu'il est possible de substituer aux cations compensateurs pour compenser la charge électrique de 100 grammes de minéral calciné et s'exprime en milliéquivalent/100g d'argile calcinée [19].

L'ordre de grandeur de la CEC des minéraux argileux est variable allant de quelques méq/100g pour la kaolinite (charge variable) à 150 méq/100g pour les vermiculites et smectites (importance de la charge permanente) (tableau I-3 paragraphe VII.2) [5].

VII.2. La surface spécifique

Par définition, la surface spécifique (SS) appelée aussi « Aire massique » représente la surface totale (AS) par unité de masse (M) et on l'exprime généralement en m²/g [2] :

La fine taille des minéraux argileux leur confère une surface importante par rapport au volume des particules. La surface relative augmente avec la diminution du diamètre (Figure I21) [20] :

Figure I-21 : Variation du rapport surface/volume en fonction du diamètre des particules [20].

Année : 2012/2013 PFE - Master - Chimie Fondamentale Page 33

La surface des minéraux argileux est supérieure à celles de minéraux de même taille mais de forme différente [21]. La figure I-22 montre également que la surface spécifique (SS) dépend de la forme de la particule. On peut remarquer que celle-ci a tendance à s'aplatir quand la surface spécifique (SS) augmente.

Figure I-22 : Influence de la forme de la particule sur la surface spécifique [2].

Les propriétés des argiles sont principalement contrôlées par leur surface interne et externe. La surface totale comprend la surface externe, comprise entre les particules argileuses, et la surface interne, correspondant à l'espace interfoliaire (Figure I-23) [21].

Figure I-23 : Surface des particules argileuses: interne et externe [21].

Chapitre-I- Etude bibliographie

Année : 2012/2013 PFE - Master - Chimie Fondamentale Page 34

? Composition minéralogique : Le tableau I-3 présente les différentes valeurs de la surface spécifique (SS) des minéraux les plus courants. Il est à noter que la smectite possède les valeurs les plus importantes de surface spécifique en comparaison avec tous les autres minéraux.

Tableau I-3 : Surface spécifique et C.E.C. de quelques minéraux argileux [22].

VII.3. Hydratation et gonflement des minéraux argileux ? Description de la séquence d'hydratation :

Les processus d'absorption d'eau dans la structure des argiles sont complexes et peuvent être décrits de l'état sec vers l'état hydraté ou de l'état hydraté vers l'état sec. Mais ces deux séquences ne décrivent pas le même phénomène et il résulte que les mécanismes sont différents lorsque l'on étudie l'hydratation ou la déshydratation. L'étude des isothermes d'adsorption met en évidence l'existence d'hystérésis, qui montrent que les mécanismes d'hydratation et de déshydratation ne sont pas totalement réversibles [23].

Les minéraux argileux sont généralement caractérisés, à des degrés différents suivant la nature de la famille, par leur capacité d'adsorption d'eau. Cette eau existe sous multiples formes: adsorbée sur les surfaces externes ou associée aux cations interfolaires ou cristalline sous forme d'hydroxyle (OH) dont l'élimination se fait par déhydroxylation (Figure I-24) [7].

Chapitre-I- Etude bibliographie

Année : 2012/2013 PFE - Master - Chimie Fondamentale Page 35

Figure I-24 : Localisation de l'eau dans les particules argileuses [20].

(a) Molécules d'eau adsorbées sur la surface d'argile,

(b) Molécules d'eau associées avec les cations dans l'espace interfoliaire,

(c) Eau cristalline sous forme d'hydroxyle qui par deshydroxylation forme des molécules d'eau.

? Description de la séquence de gonflement :

Dans la littérature, on trouve une nomenclature bien spécifique à ces deux modes de gonflement qui se distinguent par leur aptitude d'hydratation. Il s'agit des gonflements "cristallin" et "osmotique" [8] :

i) Le gonflement cristallin :

Le gonflement cristallin correspond à la pénétration de molécules d'eau dans l'espace interfoliaire et à la formation d'états hydratés existant sur des domaines précis de pression relative. A l'état sec, la cohésion des empilements de feuillets résulte d'un équilibre entre forces d'attraction de Van der Waals et forces électrostatiques entre les feuillets chargés et les cations. En présence d'eau, l'énergie d'hydratation des cations permet à l'eau de rompre cet équilibre en provoquant l'écartement des feuillets et de pénétrer dans l'espace interlamellaire. Chaque palier représente un état d'hydratation de l'espace interfoliaire : état sec, état hydraté à 1, 2 ou 3 couches d'eau (figure I-25) [4].

Chapitre-I- Etude bibliographie

Année : 2012/2013 PFE - Master - Chimie Fondamentale Page 36

Figure I-25 : Schématisation de l'hydratation des argiles au niveau de l'espace interfoliaire de 1 à 3 couches d'eau [4].

ii) Le gonflement osmotique :

Le gonflement osmotique, appelé également gonflement "macroscopique" ou gonflement "libre". Il se produit lorsque l'énergie d'hydratation est suffisante pour franchir la barrière de potentiel due aux forces électrostatiques attractives entre feuillets. Au-delà de la deuxième couche d'eau adsorbée à la surface d'un feuillet, l'eau perd ses propriétés d'eau liée et devient de l'eau libre [24].

VIII. Propriétés colloïdes des argiles

Dans la littérature, la stabilité colloïdale des particules chargées se résume, en grande partie, à l'étude de la distribution des charges électriques sur les surfaces des particules argileuses hydratées (la double couche électrique) et à l'étude des différentes conditions de stabilité ou

Chapitre-I- Etude bibliographie

Année : 2012/2013 PFE - Master - Chimie Fondamentale Page 37

d'agrégation à travers la combinaison entre toutes les forces d'attraction et de répulsion dans le système (la théorie DLVO) [25].

VIII.1. Théorie de la double couche

Les feuillets des minéraux argileux sont chargés négativement, et les ions compensateurs hydratés sont attirés par la surface négative des feuillets [7].

D'après Israelachvili [26], la population des cations attirés par la surface pour rétablir l'électroneutralité au voisinage de celle-ci peut être séparée en deux couches. Une couche de cations immobiles liés à la surface, appelée couche de Stern, et une couche de cations mobiles au voisinage de la surface appelée couche diffuse. La limite entre la couche de Stern et la couche diffuse est appelée plan d'Helmotz ou plan de cisaillement. L'ensemble de ces deux couches constitue la double couche électrique de la particule en suspension. La concentration en ions positifs est donc importante au voisinage de la surface et décroît progressivement lorsqu'on s'éloigne de la particule. Au voisinage de la surface, il y a également un déficit en anions, repoussés de la surface par les forces électrostatiques. Cette différence de concentration entre anions et cations crée un potentiel électrique. Nous avons représenté schématiquement l'évolution de la concentration en ions, et celle du potentiel électrique, en fonction de la distance à la surface de la particule sur la Figure I-26. L'existence de la couche de Stern (ions immobiles à la surface du feuillet) est cependant controversée [24].

Chapitre-I- Etude bibliographie

Année : 2012/2013 PFE - Master - Chimie Fondamentale Page 38

Figure I-26 : Représentation schématique de la double couche électrique et de l'évolution du potentiel électrique en fonction de la distance à la particule [27].

Le potentiel électrique vaut W0 à la surface de la particule et décroit linéairement dans la couche de Stern. La valeur du potentiel au plan d'Helmotz est le potentiel æ (potentiel Zêta). C'est la seule valeur accessible expérimentalement selon la théorie de Gouy Chapman à partir de l'équation [7] :

W_x = æexp[-?(x)]

Avec :

- W_x : Valeur du potentiel à une distance x du plan d'Helmotz

- æ : Valeur du potentiel au plan d'Helmotz correspond au potentiel Zêta - ?^-1 : Epaisseur de la double couche électrique ou longueur de Debye

Chapitre-I- Etude bibliographie

Année : 2012/2013 PFE - Master - Chimie Fondamentale Page 39

A une distance infinie du feuillet, le potentiel s'annule puisque l'électroneutralité est

respectée dans la solution. L'épaisseur de la double couche électrique est régie
principalement par la concentration en électrolyte de la solution et par la valence des ions présents. Plus la force ionique est élevée, plus la double couche sera comprimée. Cette double couche offre aux particules argileuses leur stabilité en dégageant un effet répulsif lorsque deux particules s'approchent l'une de l'autre. On comprend donc que l'augmentation de la concentration en électrolyte aura tendance à précipiter la floculation de la suspension en réduisant l'épaisseur de la double couche électrique garante de la stabilité des particules. Ce phénomène est schématisé sur la Figure I-27.

Figure I-27 : Représentation schématique de la chute du potentiel de surface et de la contraction de la double couche électrique, dues à une augmentation de la force ionique [25].

VIII.2. Théorie DLVO

Cette théorie permet d'expliquer la stabilité des suspensions colloïdales des particules chargées; elle a été établie à partir du modèle de la double couche par ses précurseurs Derjaguin et Landau (1941) d'une part et Verwey et Overbeek (1948) d'autre part [28]. La théorie DLVO consiste à sommer l'énergie d'interaction répulsive due aux doubles couches électriques, et l'énergie d'interaction attractive due aux forces de Van der Waals. Contrairement à l'énergie d'attraction de Van der Waals qui reste constante en fonction de la charge ionique du milieu, l'énergie répulsive de la double couche varie, en raison de la contraction de la double couche en présence d'une force ionique élevée. Lorsque la force

Chapitre-I- Etude bibliographie

Année : 2012/2013 PFE - Master - Chimie Fondamentale Page 40

ionique augmente, la répulsion de double couche diminue pouvant entraîner l'agrégation ou la coagulation des particules.

Sur la figure I-28, on distingue trois cas de stabilité suivant l'intensité des forces ioniques : (i) Pour de faibles forces ioniques (cas A) et pour un potentiel de surface élevé, le potentiel répulsif est supérieur au potentiel attractif. Les particules se repoussent mutuellement et la suspension est dans un état de dispersion stable. Plus le maximum primaire Ømax est élevé, plus la suspension n'est stable. (ii) Pour des forces ioniques modérées (cas B), la courbe présente un maximum primaire Ømax et un maximum secondaire Ømax. Lorsque les particules sont localisées dans ce minimum secondaire, elles sont en équilibre et sont floculées. L'état de floculation est réversible lorsque le minimum secondaire n'est pas très profond : (-Øsec/KBT) 1. Par contre, si (-Øsec/KBT) > 20, le minimum secondaire est beaucoup plus profond et la suspension est fortement floculée. (iii) Pour des forces ioniques élevées (cas C), la courbe ne présente plus de maximum. Les particules floculent très rapidement et de façon irréversible. La distance entre particules correspond alors au minimum primaire Ømin. La suspension est dans un état de coagulation.

Figure I-28 : Schématisation de l'évolution du potentiel d'interaction en fonction de la distance interparticulaire pour des dispersions : stable (A), floculée (B) et coagulée (C) [29].

CHAPITRE

DESCRIPTION GENERALE DE LA

SOCIETE

CERAMICA DERSA

Chapitre-II- Description générale de la société « Céramica DERSA »

Année : 2012/2013 PFE - Master - Chimie Fondamentale Page 42

I. Présentation de la société

L'entreprise « Ceramica DERSA », située dans la zone industrielle de Martil à Tétouan, a comme activité principale la production de carreaux en céramique de différents modèles et motifs. Créée en 1988, elle emploie 100 personnes et réalise un chiffre d'affaires moyen de 5 millions de dollars des États-Unis.

Elle a adhéré au projet MED TEST dans le but d'identifier des opportunités d'utilisation plus efficace des ressources (énergie thermique, eau, électricité et produits chimiques), de réduction des coûts de production, de valorisation de ses déchets solides et de minimisation des rejets, en particulier les effluents liquides. L'entreprise est certifiée ISO 9001/2000.

? Organigramme de la société Céramica DERSA :

Chapitre-II- Description générale de la société « Céramica DERSA »

Année : 2012/2013 PFE - Master - Chimie Fondamentale Page 43

II. Description de l'usine

L'usine de « Céramica DERSA» produit des carreaux céramique pour le revêtement des murs, le procédé de fabrication est basé sur la bicuisson (cuisson biscuit et cuisson en deux fours séparés), la cuisson se fait dans deux fours à rouleaux céramiques. Les carreaux céramiques fabriqués sont de 20x20 et 25x20, sont utilisés pour le revêtement mural. Les propriétés principales des carreaux céramiques fabriqués sont :

? La dureté et la résistance mécanique

? La rigidité ? La fragilité ? L'inertie

Les matières premières utilisées pour la production des carreaux céramiques sont en générale les suivantes :

? Argile

? Chromate

? Cycle de fabrication :

Le procédé de fabrication des carreaux en céramique comprend les phases suivantes :

? Dosage des matières premières

? Broyage à sec

? Stockage poudre dans des silos

? Pressage des carreaux par une station de presses

? Séchage des carreaux

? Cuisson carreaux dans un four à rouleaux

? Triage

? Emaillage

? Cuisson email

? Triage et emballage

Le cycle de production utilisé au niveau de l'usine de « Céramica DERSA » varie entre 38 et 41 minutes. Le flow Sheet de fabrication des carreaux céramique se présente comme suit :

Chapitre-II- Description générale de la société « Céramica DERSA »

Année : 2012/2013 PFE - Master - Chimie Fondamentale Page 44

III. Processus de production ? Préparation de la poudre

Le processus de fabrication des carreaux en faïence commence par la préparation de l'argile. En effet, Après l'extraction de l'argile de la carrière, elle est stockée dans des halls.

La préparation de la poudre est assurée par un broyeur pendulaire permettant d'avoir une granulométrie relativement fine et appropriée pour l'opération de pressage. Au terme de cette phase de production, la poudre présente un pourcentage en eau de 2 à 6,3 %. Nous notons que ce procédé à voie sèche est économe en énergie par rapport à la voie humide.

Chapitre-II- Description générale de la société « Céramica DERSA »

Année : 2012/2013 PFE - Master - Chimie Fondamentale Page 45

Trois opérations sont fondamentales dans cette phase de production: le broyage, le mélange homogénéisation et la régulation de la teneur en eau par la pulvérisation de l'eau.

e Pressage

Une fois obtenue la poudre, elle est stockée en deux silos qui alimentent les deux presses par une poudre à un taux d'humidité varié de 5,2 à 6 %, le pressage des carreaux est assuré par des presses hydrauliques de type SACMI PH-690 à une pression de 300 KG/m², Cette pression provoque une réorganisation ainsi qu'une déformation partielle des grains, permettant d'obtenir un carreau cru parfaitement compact et résistant.

? Séchage

Les corps pressés sont séchés principalement dans un séchoir à rouleau de marque IMAS de capacité 3000 m² / 24 heures. Le chauffage de ce séchoir s'effectué par la chaleur des brûleurs à gaz naturel (GPL). Le séchage s'effectue à une température qui atteint environ 250°C. Le cycle de séchage est environ 10 minutes, en fonction de la teneur en eau des produits crus. Pour éviter des fissures et des défauts d'émail à la cuisson, il faut que la teneur en eau résiduelle soit inférieure à 1,5%.

? Cuisson

La cuisson à l'usine est assurée par deux fours à rouleaux céramiques d'une capacité de 3000 m² dont un four est destiné à la cuisson des carreaux (cuisson biscuit) et le deuxième pour la cuisson des carreaux émaillés (cuisson émail). Grâce à la cuisson, les carreaux acquièrent des caractéristiques mécaniques adaptées aux nombreuses utilisations et des propriétés d'inertie chimique. Ces caractéristiques sont le résultat des réactions chimiques et de transformations physiques du support et de l'émail. La cuisson se fait dans des fours continus composés chacun de trois zones :

? Préchauffage

? Cuisson

? Refroidissement

L'usine est équipée par deux fours de cuisson à rouleaux :

Tableau II-1 : Modes de cuisson à la société « Céramica DERSA »

Chapitre-II- Description générale de la société « Céramica DERSA »

Année : 2012/2013 PFE - Master - Chimie Fondamentale Page 46

O Emaillage et cuisson

Les émaux sont des mélanges broyés de divers minéraux et se composent de : frittes, kaolin, silice, oxydes et divers pigments colorants. Ces composants sont dosés en fonction de la qualité de l'émail à utiliser qui sera appliqué sur la surface du carreau. Après l'émaillage, le carreau est porté vers le four « cuisson émail » à une température de 1060 °C. Lors du refroidissement la couche fondue se solidifie, formant une pellicule vitreuse qui confère à la surface du carreau.

Les carreaux biscuit sont couvert par une couche de l'engobe et une couche de l'émail selon le type de production désiré : Cristalline, blanc opaque, base colorée, mate, ...

O Triage

Après la cuisson émail et avant d'être emballés et stockés, les carreaux émaillés font l'objet d'un triage minutieux. Le triage a pour objet trois fonctions principales:

? Eliminer les carreaux défectueux

? Séparer les carreaux de premier choix de ceux de choix inférieur

? Regrouper les carreaux, par classe de choix, en lots homogènes en tenant compte des dimensions (ou plus communément en tenant compte du calibre) et de la tonalité chromatique (appelée communément « nuance »).

A la sortie du four « cuisson émaille », le carreau est classé en fonction de sa qualité selon trois choix :

IJ Choix standard IJ Choix économique IJ Choix solde

A

CHAPITRE

-III~

PARTIE EXPERIIY1EHTALE

Chapitre-III- Partie expérimentale

Année : 2012/2013 PFE - Master - Chimie Fondamentale Page 48

Le bute :

Le bute de ce travail est de présenter et de comparer bilan des analyses chimiques et mécaniques surtout l'humidité, la granulométrie, taux de CaCO3, résistance à la flexion, dilatation-retrait, perte au feu et absorption d'eau. Tous ces essais sont effectués au sien de labo-technique de société « Ceramica DERSA».

I. Taux de l'humidité des argiles

La différence du poids de l'échantillon frais _(P11) et du poids de l'échantillon sec (PS) nous permet de calculer le poids d'eau évaporée. Celui-ci rapporté en pour cent du poids de l'échantillon frais donne le taux d'humidité :

Avec :

- P11 : poids en (g) d'un échantillon humide

- PS : poids en (g) d'un échantillon séché

On pèse 10g de la poudre d'argile frais dans chaque station de préparation de la poudre, après on la séchée à une température atteindre environ 105 °C durant 15 minutes. L'humidité d'argile est réalisée à l'aide d'une balance de type (Infrared Moisture Determination AD - 4712).

Tableau III-1 : Taux d'humidité aux différentes stations

Chapitre-III- Partie expérimentale

Année : 2012/2013 PFE - Master - Chimie Fondamentale Page 49

Chapitre-III- Partie expérimentale

Figure III-1 : Représentation graphique du taux d'humidité de la poudre industrialisé à la société « Céramica DERSA »

L'argile presse a un taux d'humidité élevé de 5,7 %, ce qui signifié que l'humidité dans ce cas a un rôle très important, elle facilite les particules argileuses de se comprimé, et d'éviter la déformation et la destruction des carreaux céramiques lors de ses extractions par les moules.

Le résiduel séchoir a conservé un taux d'humidité de 1,2%, suffisant pour éviter des fissures et des défauts d'émail à la cuisson à haute température.

Ces résultats sont conforme selon la norme utilisé à la société « Céramica DERSA ».

II. Granulométrie des argiles II.1. Définitions

Analyse granulométrique par tamisage : ensemble des opérations aboutissant à la séparation selon leur grosseur des éléments constituant un échantillon, en employant des tamis à maille carrée afin d'obtenir une représentation de la répartition de la masse des particules à l'état sec en fonction de leur dimension.

? Dimension nominale d'ouverture d'un tamis (d) : dimension caractéristique de la maille carrée de coté (d).

Année : 2012/2013 PFE - Master - Chimie Fondamentale Page 50

ri Classe granulométrique : ensembles des éléments dont les dimensions sont comprises entre deux ouvertures (d) de tamis définissant un intervalle.

ri Dimension nominale d'ouverture à N pour cent, (dN) : dimension interpolée sur la courbe granulométrique pour laquelle le pourcentage massique (p) de tamisât est égal à N pour cent.

i) Pourcentage massique d'un tamisât

ri Pourcentage massique (p) d'un tamisât : rapport, exprimé en pourcentage, de la masse sèche du passant à travers un tamis d'ouverture (d), à la masse totale initiale du matériau sec passant à travers le tamis d'ouverture de maille (dm).

Le pourcentage massique de tamisât est désigné par :

ii) Pourcentage massique de refus

ri Pourcentage massique de refus (r) : rapport, exprimé en pourcentage, de la masse de matériau sec retenu par un tamis d'ouverture (d), à la masse totale initiale de matériau sec passant à travers le tamis de maille (d_m).

iii) Courbe granulométrique

ri Courbe granulométrique : représentation du pourcentage massique (p) des différents tamisâtes en fonction de la dimension nominale d'ouverture des tamis.

iv) Facteur d'uniformité

ri Facteur d'uniformité : sur le passant au tamis de 63 mm, rapport des dimensions des mailles de tamis pour lesquels il y a respectivement 60% et 10% de passant : CU = d60/d10

II.2. Analyse granulométrique des argiles brute

Les mesures de distributions granulométriques sont réalisées par tamisage. L'argile utilisée dans cette analyse granulométrique est prenu directement après le grand tamis de l'usine.

La manipulation consiste à étuvé cette argile à 110°C pendant une heure et placées ensuite 100g dans un vibreur SASSUOLOLAB de type SE/7 équipé de plusieurs tamis (63, 125, 180, 250, 300, 425 et 600 um). Le temps de la manipulation est estimé à 60 minutes. A la fin de l'essai, on pèse les rejets afin d'en déduire le pourcentage de rétention en masse pour chaque tamis. Les résultats des mesures concernant l'analyse granulométrique sont affichés dans le tableau III-2.

Chapitre-III- Partie expérimentale

Année : 2012/2013 PFE - Master - Chimie Fondamentale Page 51

Tableau III-2 : Poids de rejets et leurs pourcentages massiques dans chaque tamis

? Pourcentage massique d'un tamisât : p = 100 - r = 82,8% ? Pourcentage massique de refus : r = 12,91%

? Courbe granulométrique : p = f (dN)

Figure III-2 : Représentation du pourcentage massique (p) des différents tamisâtes en fonction de la dimension nominale d'ouverture des tamis.

Selon la courbe granulométrique nous avons :

? de 63um à 180um le pourcentage massique de retenus égale à 15,12 %;

? de 180um à 600um le pourcentage massique de retenus égale à 2,08 %.

Ces résultats sont conformes selon la norme de classification des sols fines proposé par la

société « Céramica DERSA ».

Chapitre-III- Partie expérimentale

Année : 2012/2013 PFE - Master - Chimie Fondamentale Page 52

III. Résistance mécanique des carreaux céramiques ? Flexion à trois points :

La contrainte maximale à la rupture a été déterminée par flexion à trois points sur des barreaux de longueur l = 300 mm et d'épaisseur (e) découpé dans un carreau obtenu par pressage. La contrainte maximale est réalisée à l'aide d'une machine de marque STRUMENTO MOD. MOR/ 3-E SCLALA (0 + 400 kg) Figure III-1. L'éprouvette repose sur deux appuis simples, distants de L = 180 mm. Une charge F_r est appliquée en un point équidistant des deux appuis. Si l'éprouvette est de section (l.e), la contrainte à la rupture ?R est donnée par :

Avec :

- Résistance (contrainte à la rupture) : óR = 3S/2 e2

- Force de rupture : S = F_r.L/l

- Force en Newton : F_r= m.g (la charge x 9.807)

- L : distance entre les axes, 180 mm (format 20x20) ou 280 mm (format 25x25)

- l : largeur en (mm)

- e : Epaisseur en (mm)

Figure III-3 : Schéma du dispositif de la flexion à trois points.

Chapitre-III- Partie expérimentale

Année : 2012/2013 PFE - Master - Chimie Fondamentale Page 53

L'essai de flexion à trois points permet de montrer l'évolution de la rigidité suivant l'épaisseur et largeur des carreaux céramiques. Un carreau à tester est placée sur deux appuis et l'on applique au centre du carreau une force croissante jusqu'à rupture. Lors du test, la partie supérieure est en compression et la partie inférieure en traction. Les résultats obtenus après le test d'inflexion à trois points des sept carreaux céramiques de dimensions (20x20) sont affichés dans le tableau III-3.

Tableau III-3 : Résultats de calcul de résistance à la flexion aux sept carreaux céramiques

Les résultats de mesures affichés dans le tableau III-3, sont représentés graphiquement en chaque carreau céramique (figure III-4).

Figure III-4 : Représentation graphique de résistance à la flexion (oR) pour chaque carreau

Les valeurs de la résistance à la flexion (oR) dans chaque carreau sont très fluctuantes, sans aucune influence de l'épaisseur et de la largeur sur la dureté des carreaux céramiques.

Chapitre-III- Partie expérimentale

Année : 2012/2013 PFE - Master - Chimie Fondamentale Page 54

Dans ce cas la cuisson à une température élevée, donne la consolidation aux carreaux céramiques. Cette consolidation est réalisée par la présence d'une phase liquide à la température de cuisson et par un processus de réaction de transformation chimique assez complexe qui abouté à la formation de phase cristalline stable. La présence de cristaux résistants dans la céramique, bloque la propagation, ou du moins ralentit la progression des fissures.

IV. Taux des carbonates dans les argiles ? Calcimètrie :

Un calcimètre permet de mesure le volume de CO2 dégagé par action de l'acide chlorhydrique (HCl) sur le carbonate de calcium (CaCO3) d'un échantillon de sol ou de roche.

Tout matériau contenant du carbonate de calcium (CaCO3) fait effervescence au contact d'un acide tel que HCl. celle-ci correspond au dégagement de dioxyde de carbone (CO2), selon la réaction chimique suivante : CaCO3 + 2HCl ? CO2 + H2O + CaCl2

La connaissance du volume de CO2 dégagé permet de calculer le % de CaCO3 contenu dans le matériau, selon la formule suivante :

Avec :

- AV : différence de volume d'eau dans le tube avant et après la réaction (en ml)

- K : coefficient dépendant de la pression et de la température pendant la manipulation - M : masse de l'échantillon (en g).

La détermination de la teneur en CaCO3 de tous les échantillons bruts est réalisée à l'aide du calcimètre de Bernard. Pratiquement, une masse de (1g) d'échantillon finement broyé est attaquée par l'acide chlorhydrique (HCl 10%).

Le volume initial (Vi) correspond à celui de l'équilibre des deux volumes d'eau respectifs dans le tube en verre et l'ampoule mobile avant l'attaque acide. Le volume final (Vf) correspond à celui de l'équilibre des deux volumes d'eau après l'attaque acide.

Le volume de CO2 dégagé correspond à la différence : ÄV = Vf - Vi

Les essais de calcimètrie de Bernard se sont déroulés dans les conditions suivantes :

T = 25°C, P = 1 atm et K = 0,414.

Chapitre-III- Partie expérimentale

Année : 2012/2013 PFE - Master - Chimie Fondamentale Page 55

V. Echantillonnages

Dans le cadre de ce projet, nous sommes intéressés à cinq échantillons que nous avons désignés par : ARG-J (argile jaune), ARG-R (argile rouge), ARG-B (argile bleu), ARG-T (argile référence) et ARG-E (argile recyclé), qui sont originaires de la carrière exploitée par l'unité industrielle « Céramica DERSA ». Trois séries d'échantillons ont été préparées :

? Des échantillons à partie des argiles brutes (ARG-J, ARG-R, ARG-B et ARG-T).

e Des échantillons à partir de ces mêmes argiles auxquelles ont été additionnés des adjuvants (sables, feldspath, dolomite, kaolin, quartz).

? Des échantillons concernant l'environnement (ARG-E), sont préparé à l'aide de recyclage par équilibrages entre les matières suivants:

? ARG-T (argile employé à la société « Céramica DERSA ») ;

? ARG-V (de couleur vert), a un taux de CaCO3 presque nul (ce type d'argile extraite près de 2Km du barrage « NIKHLA ») ;

? Chamottes (déchets des pertes four biscuit, pertes four émaillé et pertes des émaux).

Dans la présente étude, on ne s'attardera pas sur les conditions de pressage et de cuisson, par contre on insistera sur quelques aspects de la synthèse des céramiques où nous avons soulevé quelques problèmes, notamment le mode de cuisson et l'effet de l'émaillage. Aussi l'approche consiste à comparer les caractéristiques technologiques des échantillons obtenues à partir des cinq variétés d'argiles et préparées sous des conditions différentes.

i) Pastille cylindrique

Des pastilles de 60 mm de diamètre et de 7 mm d'épaisseur ont été préparées par pressage sous une pression uniaxiale de 4000 kg. Le pressage de ces échantillons est réalisé manuellement à l'aide d'une presse hydraulique de type SASSUOLOLAB de 10 tonnes.

ii) Cuisson et émaillage

Ces pastilles ont été séchées à 250°C pendant 10 minutes et cuit à 1100°C dans un four de cuisson pendant 40 minutes, puis finalement les échantillons sont émaillés par deux couches : - une couche d'engobe : pâte argileuse fluide qui permette en plus de colmatage de rendre la surface lisse ;

- une couche de cristallin : enduit vitreux qui être transparent, compacte ou non colorée. Afin de recuits à 1060°C dans un four d'émaillage durant 28 minutes.

iii) Chapitre-III- Partie expérimentale

Année : 2012/2013 PFE - Master - Chimie Fondamentale Page 56

Perte au feu

La perte au feu est la perte de masse qui résulte de l'échauffement d'un matériau. Lors du

chauffage, il se produit diverses réactions qui modifient l'échantillon :

- à 100 °C : l'eau libre se vaporise ;

- au-dessus, l'eau liée se libère (par exemple molécules d'eau liées dans l'argile);

- vers 550 °C : sous air ou atmosphère oxydante, la matière organique brûle donnant du

dioxyde de carbone (CO2) ou du graphite (C) ;

- le carbone s'oxyde lentement pour former du CO2 ou du CO ;

- les carbonates se décomposent, par exemple : CaCO3 ? CaO + CO2

- sous air ou atmosphère oxydante, les métaux s'oxydent ;

- les sels volatils se vaporisent.

Un pourcentage « Perte au feu » est définie comme la différence de masse d'un échantillon

à l'état sec (après calcination), et d'un échantillon à l'état humide (avant calcination).

Le pourcentage de la perte au feu est défini par la relation :

Avec :

- M0 : masse d'un échantillon après calcination - M1 : masse d'un échantillon avant calcination

iv) Retrait et dilatation

C'est la diminution ou allongement de longueur d'un matériau sous l'effet de la chaleur.

? Retrait : diminution de volume d'un matériau due à une perte d'eau (retrait hydraulique) ou à une baisse de température (retrait thermique).

Chapitre-III- Partie expérimentale

Année : 2012/2013 PFE - Master - Chimie Fondamentale Page 57

Figure III-5: Retrait par élimination de la porosité

Lors de la cuisson des matériaux céramiques sous l'effet de la température tel que (T < Tfusion), les matériaux diminuent ou allongent leurs volumes par élimination de la porosité selon les types des argiles. La figure III-6, montre le phénomène de retrait et dilatation.

Figure III-6 : Retrait et dilatation d'un matériau Le pourcentage de retrait / dilatation est défini par la relation :

Chapitre-III- Partie expérimentale

Année : 2012/2013 PFE - Master - Chimie Fondamentale Page 58

Chapitre-III- Partie expérimentale

Avec :

- L0 : longueur initial d'un échantillon avant la cuisson ;

- L : longueur final d'un échantillon après la cuisson (L1= retrait, L'1= dilatation).

Les mesures du retrait et de la dilatation avant et après la cuisson des échantillons sont effectuées à l'aide d'un « pied à coulisse » qui permet de déterminer les variations de longueur des échantillons.

v) Absorption d'eau

L'absorption d'eau est liée à la porosité de la matière : une absorption d'eau élevée signifie une porosité élevée, tandis qu'une faible absorption d'eau est associée à une structure compacte et vitrifiée.

On détermine un pourcentage d'absorption d'eau, qui est défini comme le rapport de l'augmentation de la masse de l'échantillon après imbibition par l'eau, à la masse sèche de l'échantillon. Cette imbibition est obtenue par immersion de l'échantillon dans l'eau chaud (jusqu'à l'ébullition de l'eau). Dans ce point on diminue la température (< 100°C) durant deux heures.

Le pourcentage d'absorption d'eau est défini par la relation :

Avec :

- Msec : masse d'un échantillon sèche, après passage à la cuisson (1060 °C) ; - Mabs : masse d'un échantillon imbibé par l'eau (masse absorbante).

V.1. Echantillons à bases d'argile brute

Les échantillons préparés à partir des argiles brutes (sans additifs), suivant la chaîne de fabrication classiquement utilisée en industrie céramique sont soumises à des tests technologiques dont le mode opératoire est celui recommandé par la norme du Labo-technique de la société « Céramica DERSA ». Les résultats de mesures des principaux tests sont présentés dans le tableau III-7.

Année : 2012/2013 PFE - Master - Chimie Fondamentale Page 59

Tableau III-7 : Caractéristiques technologiques des échantillons issues d'argile brute

Concernant les argiles brutes, les pastilles obtenues à partir d'une argile bleu (ARG-B), nettement plus silico-alumineux affichent un retrait à la cuisson légèrement plus faible par rapport d'une argile rouge (ARG-R), mais les pastilles obtenues à partir d'une argile de référence (ARG-T) affichent une dilatation à la cuisson plus faible par rapport à celle affiché dans l'argile jaune (ARG-J).

Les deux argiles (ARG-R) et (ARG-B) ont la responsabilité de convexité de la forme finale des pastilles obtenues.

L'argile rouge (ARG-R) est moins absorbant de l'eau par rapport aux autres types d'argiles, c'est-à-dire possède une faible porosité et plus glus résistance à la flexion. Donc leur structure compacte et vitrifié.

L'existence de la chaux CaO dans l'argile rouge (ARG-R) est faible par rapport aux autres types d'argile brute.

V.2. Echantillons à bases d'argile équilibrée

Des mélanges impliquant 70% des quatre argiles étudiées et 30% d'adjuvants d'origine minérale (Quartz, Sable, Feldspaths, Dolomite et Kaolin) ont été formulés pour obtenir des argiles équilibrées (ARG-Jé_q), (ARG-Ré_q), (ARG-Bé_q) et (ARG-Té_q). Les pastilles cylindriques obtenues en suivant les mêmes conditions de pressage et de cuisson que pour les précédentes ont été caractérisées. Les résultats des testes sont présentés sur le tableau III-8.

Tableau III-8 : Caractéristiques technologiques des échantillons issues d'argile équilibré

Chapitre-III- Partie expérimentale

Année : 2012/2013 PFE - Master - Chimie Fondamentale Page 60

Concernant les argiles équilibrées, les pastilles obtenues à partir des argiles (ARG-Bé_q) et (ARG-Té_q), affichent une dilatation à la cuisson légèrement plus faible par rapport aux argiles (ARG-Ré_q) et (ARG-Jé_q). Toutes les argiles ont la dilatation (aucun retrait), donc on peut déduire que par équilibrant de la composition de ces quatre argiles par l'addition d'adjuvants bien sélectionnés, on a pu réduire sensiblement leur retrait à la cuisson, et de réduire leur taux de CaCO3 dans (ARG-Ré_q) et (ARG-Té_q).

V.3. Echantillons à bases d'argile recyclée

Les systèmes de gestion de l'environnement sont essentiels pour réduire au minimum les incidences environnementales des activités industrielles en général, et certaines mesures sont plus particulièrement importantes pour l'industrie céramique.

Les objectifs visés et les solutions envisagées pour réduire les pertes/déchets du processus de fabrication sont présentés, en ce qui concerne les pertes/déchets solides, et consistent en une optimisation des procédés et en mesures/techniques de recyclage et réutilisation. Ces mesures sont souvent combinées afin de réduire les pertes/déchets du processus de fabrication. Le tableau III-9 présente des mesures d'une argile nommé (ARG-E) obtenu par recyclage des chamottes (pertes/déchets), équilibré avec l'argile de référence (ARG-T) et avec une argile vert nommé (ARG-V) a une taux de CaCO3 presque nul. L'équilibrage comprend :

? ARG-T : 70 % ,

? ARG-V : 15 % ,

? Pertes four cuisson : 5 % ,

? Pertes four email : 5 % ,

? Pertes emails : 5 %.

Tableau III-9 : Caractéristiques technologiques des échantillons issues d'argile recyclé

Les pastilles obtenues par recyclages des chamottes leur retrait et leur dilatation sont nulle. On peut déduire que la deuxième cuisson de pertes céramiques réutilisées n'a aucun effet sur le volume de pastilles préparées.

Année : 2012/2013 PFE - Master - Chimie Fondamentale Page 61

Conclusion générale

Conclusion générale

Ce travail s'inscrit dans le cadre d'une étude générale portant sur la caractérisation physico-chimique des argiles de la société « Céramica DERSA».

L'étude bibliographique réalisée nous a permis de passer en revue les divers types des argiles susceptibles d'exister et d'identifier leurs principaux constituants minéralogiques tout en mettant l'accent sur leur structure. Certaines applications induites par les propriétés caractéristiques de ces matériaux ont été signalées.

La présente étude est portée sur la détermination du pourcentage du taux d'humidité de l'argile en chaque station de l'usine, l'humidité fluctué selon le chemin de la poudre de 2% jusqu'à 6,3% selon la norme du labo-technique.

En plus l'analyse granulométrique concerne des particules argileuses de petites dimensions, ce qui impose deux opérations préalables. La première est le tri des matériaux de grandes dimensions, la seconde, l'obtention de particules solides minérales. Ces opérations sont effectuées sur un matériau séché à l'étuve.

La résistance mécanique des carreaux céramiques dépend la mode de cuisson. À une température de cuisson élevée les carreaux céramiques durent et résistent à la flexion à trois points.

Les résultats obtenus après les essais concernant les argiles brutes, les argiles équilibrés et l'argile recyclée leurs compositions très fluctuantes.

Parmi les argiles brutes étudiées, l'argile rouge (ARG-R) et l'argile bleu (ARG-B) présentent le problème de déformation de produit final à cause de leur retrait négative. Dans le cas des argiles équilibré toutes les pastilles allongent leurs diamètres (aucun retrait), ce qui signifie l'importance des additifs sur la modification des compositions des argiles. Dans le cas des pertes recyclés aucun effet de la cuisson sur le volume des pastilles.

Année : 2012/2013 PFE - Master - Chimie Fondamentale Page 62

Références bibliographiques

Références bibliographiques

[1] Grim, 1968. Caillère et al, 1982. Le Sol: Constitution, structure. Phénomènes aux interfaces. 457 pages.

[2] F. Valencia. Caractérisations des particules fines d'un matériau granulaire de fondation par l'essai au bleu de méthylène. Rapport GCT-2008-0, Département de génie civil faculté des sciences et de génie, Université LAVAL (Canada), 2008.

[3] L. Comparon. Étude expérimentale des propriétés électriques et diélectriques des matériaux argileux consolidés. Thèse de doctorat. Institut de Physique du Globe de Paris (2005), 398 pages.

[4] M. Gautier. Interactions entre argile ammonie et molécules organiques dans le contexte du stockage des déchets. Thèse de doctorat. Université d'Orléans (2008), 276 pages.

[5] F. Hubert. Modélisation des diffractogrammes de minéraux argileux en assemblages complexes dans deux sols de climat tempère. Implications minéralogique et pédologique. Thèse de doctorat, Université de Poitiers (2008), 223 pages.

[6] M. Rautureau. Conférence "Les plantes de la racine à la fleur, le rôle des argiles" (Grasse - Symposium International d'aromathérapie et de plantes médicinales). Docteur d'Etat ès Sciences Physiques, membre du GFA. 1^er avril 2011.

[7] L. Bouna. Fonctionnalisation des mineraux argileux d'origine marocaine par Tio2 en vue de l'élimination par photocatalyse de micropolluants organiques des milieux aqueux. Thèse de doctorat. Université de Toulouse (2012), 298 pages.

[8] A. Benchabane. Etude du comportement rhéologique de mélanges argiles -polymères. Effets de l'ajout de polymères. Thèse de doctorat. Université Louis Pasteur - Strasbourg I (2006), 228 pages.

[9] N. Jozja. Étude de matériaux argileux albanais. Caractérisation « multi-échelle » d'une bentonite magnésienne. Impact de l'interaction avec le nitrate de plomb sur la perméabilité. Thèse de doctorat. Université d'Orléans(2003), 293 pages.

[10] A. Assifaoui. Étude de la stabilité de barbotines a base d'argiles locales. Application aux formulations céramiques industrielles. Thèse de doctorat. Université Hassan II Ain-Chock (2002), 229 pages.

[11] L.J. Poppe, V.F. Paskevich, J.C. Hathaway, and D.S. Blackwood. A Laboratory Manual for X-Ray Powder Diffraction. U. S. Geological Survey Open-File Report 01-041. http://www.usgs.gov.

[12] Bonneau M. et Souchier B., Ed. Masson, 1979. Pédologie 2. Constituants et propriétés du sol. Université libre de Bruxelles.

Année : 2012/2013 PFE - Master - Chimie Fondamentale Page 63

Références bibliographiques

[13] M. Ibn Ghazala. Synthèse des complexes organo et inorgano-pyrophyllite et leur application dans le traitement des eaux chargées en métaux lourds. Thèse de doctorat. Université Mohammed V - Agdal (2009), 127 pages.

[14] D. Rousset. Etude de la fraction argileuse de séquences sédimentaires de la Meuse et du Gard. Reconstitution de l'histoire diagénétique et des caractéristiques physico-chimiques des cibles. Aspects minéralogiques, géochimiques et isotopiques. Thèse de doctorat, Université Louis Pasteur de Strasbourg (2006), 281 pages.

[15] K. L. Konan. Interactions entre des matériaux argileux et un milieu basique riche en calcium. Thèse de doctorat. Université de limoges (2006),144 pages.

[16] Schroeder P.A., (2002). Infrared Spectroscopy in Clay Science. In Teaching Clay Science. (ed.) Steve.

[17] E. Errais. Réactivité de surface d'argiles naturelles. Etude de l'adsorption de colorants anioniques. Thèse de doctorat. Université de Strasbourg (2011), 210 pages.

[18] P. Leroy, Transport ionique dans les argiles. Influence de La microstructure et des effets d'interface. Application aux argilites du site de bure (Meuse/haute marne). Thèse de doctorat, université Paul Cézanne, France (2005), 216 pages

[19] N. Célini. Traitement des argiles par plasma froid pour leur utilisation comme charges de nanocomposites argile-polymère. Thèse de doctorat. Université du Maine (2004), 233 pages.

[20] B. Velde. Chapter 2: Composition and Mineralogy of Clay Minerals, in "Origin and Mineralogy of Clays, Clays and Environment" Ed Springer, (1995), 8 - 41p.

[21] E. Eslinger, D. Peaver, Clay minerals for petroleum geologist and engineers, SEPM Short course Notes N° 22. Soc. Economic paleontologists and mineralogists, Tulsa, USA (1988).

[22] R. Morel (1996). Les sols cultivés. 2^ème Edition : Lavoisier Tec et Doc Paris, 389 pages.

[23] F. Salles. Hydratation des argiles gonflantes : Séquence d'hydratation multi-échelle. Détermination des énergies macroscopiques à partir des propriétés microscopiques. Thèse de doctorat. Université Paris VI- Pierre et Marie Curie (2006), 327 pages.

[24] L. Le Pluart. Nanocomposites Epoxyde/amine/montmorillonite : Rôle des interactions sur la formation, la morphologie aux différents niveaux d'échelle et les propriétés mécaniques des réseaux. Thèse de doctorat de L'Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (2002), 254 pages.

[25] Luckham, P. F. and S. Rossi, Colloidal and rheological properties of bentonite suspensions. Adv. Colloid Interface Sci (1999). 82, 43-92 pages.

[26] J. Israelachvili. Intermolecular and surface forces. London Academic Press, 1991,450 pages.

Année : 2012/2013 PFE - Master - Chimie Fondamentale Page 64

Références bibliographiques

[27] O. Cuisset. Le potentiel électrocinétique des argiles Influence de la salinité, Thésard Département de géotechnique Laboratoire central, 20 pages.

[28] J. P. Jolivet. De la solution à l'oxyde: Condensation des cations en solution aqueuse, chimie de surface des oxides, Savoirs actuels, Inter. Editions/CNRS, Edition Paris, (1994), 68111 pages.

[29] Yang M., Neubauer C.M., Jennings H.M., Interparticle Potential and Sedimentation Behavior of Cement Suspensions; Review and Results from Paste. Adv. Cem. Based Mater., (1997), 5, 1, 1-7 pages.

[30] E. White Robert. Principles and Practice of Soil Science : The Soil as a Natural Resource (2004) ; 348 pages

Année : 2012/2013 PFE - Master - Chimie Fondamentale Page 65

Annexes

Annexes

Annexe 1: Body composition Ceramica DERSA versus typical red body fast firing recipe

? Teneur en _Al2O3 et SiO2 :

- Analyse % 2003 : Al2O3/SiO2 = 0,348 - Analyse % 2006 : Al2O3/SiO2 = 0,303

Année : 2012/2013 PFE - Master - Chimie Fondamentale Page 66

Annexes

Annexe 2 : Les matériels utilisés à la société « Céramica DERSA »

Année : 2012/2013 PFE - Master - Chimie Fondamentale Page 67

Annexes

Année : 2012/2013 PFE - Master - Chimie Fondamentale Page 68

Annexes