Synthèse de l'alun de potassium

7/25/2019 Synthse de l'alun de potassium

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Alun de

PotassiumUE Chimie industrielle

MAZET Estelle et TIXIER Julie

Universit BLAISE PASCAL

Anne scolaire 2015-2016


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Sommaire

Introduction

I-

Chimie industrielle : la cosmtologiea. Le march de la cosmtologie

b. Les produits inorganiques en cosmtologie

II- La synthse de lalun de potassiuma. Les ractions chimiques

b. Le schma synoptique

c. Autres utilisation du produit

III-

Caractrisation du produita. Lanalyse thermogravimtrique

b. Le dosage de laluminium

c. La diffraction des rayons X

d. Linfrarouge

IV- La production industrielle de laluna. Dfinition des normes environnementales

b. Evaluation des risques chimiques et environnementaux

c.

Recyclage du produit

d. Intermdiaire ractionnel le plus coteux

e. Innovation dance ce domaine dapplication

f. Avenir du procd par rapport lvolution des normes environnementales

Conclusion

Annexes


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Introduction

Par affinit, nous avons choisi de nous intresser au domaine de la cosmtologie, notre choix

de sujet sest ensuite port sur lalun de potassium.

Lalun de potassium est un sel double de formule chimique KAl(SO4)2.12 H2O. Il se prsentesous forme de cristaux blancs qui sont ensuite utiliss tels quels dans lindustrie ou taill sous forme

de stick pour un usage cosmtologique. On trouve ce minral dans diffrentes rgions du monde

sous sa forme naturelle mais nous pouvons aussi le synthtiser. Il va avoir plusieurs applications :

cosmtologiques, industrie du papier, industrie du textile,

Au cours de cette UE nous avons pu synthtiser cet alun de potassium puis le caractriser

grce diffrentes mthodes de caractrisation dtailles dans ce rapport.


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I- Chimie industrielle : la cosmtologiea. Le march de la cosmtologie

Un produit cosmtique est une substance ou un mlange destin tre mis en contact

avec les parties superficielles du corps humain ou avec les dents et les muqueuses buccales, en

vue, exclusivement ou principalement, de les nettoyer, de les parfumer, den modifier laspect,

de les protger, de les maintenir en bon tat ou de corriger les odeurs corporelles .

Le march mondial de la cosmtique est estim

environ 425 millions deuros. Les principaux

consommateurs en 2011 taient : lEurope, les Etats-Unis

et le Japon. Le leader mondial de ce secteur est lindustrie

europenne avec 3 000 PME fabricantes de cosmtiques.

Dans le top 10 des marques mondiales, on compte en

numro 1 LOral (France), en numro 3 Unilever (Grande

Bretagne), en numro 7 Beiersdorf (Allemagne), en

numro 10 LVMH et numro 11 Chanel (France).

En France, le secteur de la cosmtique est le quatrime

secteur de lconomie franaise. La France est le leader

mondial de ce secteur avec 25 % des parts du march

mondial. Ce secteur regroupe la parfumerie, les produits

de toilette et dhygine, produits capillaires et

cosmtiques. Au niveau national, la cosmtique reprsente

1 500 entreprises avec 150 000 employs et un chiffre

daffaire de 25 milliards deuros. De plus, il se place en

deuxime position au niveau des exportations en Francederrire les produits de construction de laronautique. Ce

secteur ne connat aucune dlocalisation.

Les entreprises sont majoritairement prsentes dans la

Cosmetic Valley, qui reprsente 800 entreprises et 70 000

emplois, avec un chiffre daffaire de 18 millions deuros. Ce

territoire stend sur trois rgions: Centre, Haute

Normandie et Ile-De-France. En 2005, la Cosmetic Valley a

t reconnu ple de comptitivit. Il constitue le premier

centre de ressource mondial. Au niveau du secteur de la

parfumerie, il reprsente 18 % de leffectif des entreprisesfranaises, 28 % de leffectif salaris franais et 53 % du

chiffre daffaires national. A la fin de lanne 2013, environ

100 projets de recherches et dveloppement avaient t

labelliss par le ple pour 200 millions deuros. Les

diffrents mtiers prsents dans cette rgion sont les

mtiers lis lemballage, aux tests et analyses, aux

matires premires, aux machines et outils ainsi que tous

les mtiers lis la production des produits mais aussi la

conception


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b. Les produits inorganiques en cosmtologie

Lun des composs inorganiques le plus prsent dans les produits cosm tiques est le silicone. Il est

utilis dans les crmes ou fond de teint pour donner une bonne glisse , mais aussi dans les

shampoings et le maquillage. Des pigments inorganiques sont aussi utiliss dans la cosmtologie.

Des filtres inorganiques sont utiliss dans les crmes solaires, ce sont des pigments blancs qui

nabsorbent pas la lumire mais la diffusent (ex : ZnO, TiO2)


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II- La synthse de lalun de potassiuma. Les ractions chimiques

La synthse de lalun ne ncessite que trois ractifs : de laluminium, de lhydroxyde de

potassium et de lacide sulfurique.

Voici le protocole exprimental :

Peser 2g daluminium et le placer dans un erlenmeyer.

Ajouter 100 mL dhydroxyde de potassium 1,4 mol.L-1. Faire chauffer cette solution pendant 20 min

80C.

2Al + KOH + 6H2O2KAl(OH)4 + 3H2

Qui est le rsultat de la raction doxydo-rduction :

AlAl3+ + 3e- x2

2H2O + 2e-H2 + 2 OH- x3

2Al + 6H2O2 Al3+ + 3H2 + 6OH-

Laluminium est oxyd, il passe alors dun DO de 0 +III tandis que lhydrogne de leau est rduit, il

passe dun DO de +1 0 dans H2. Cette raction se passe en milieu basique.

Nous devons laisser la solution se refroidir, puis ajouter rapidement 18 mL dacide sulfurique 9

mol.L-1.

Avant que tout lacide ne ragisse nous avons :

2Kal(OH)4 + H2SO42Al(OH)3 + 2H2O +K2SO4

Les ions H+ neutralisent la base Al(OH)4- pour donner le prcipit Al(OH)3. Ce prcipit forme des

cristaux blancs.

Al(OH)4- + H+Al(OH)3 + H2O

Lajout de tout lacide et le chauffage de la solution dissous ce prcipit pour former :

Al2(SO4)3 +K

Nous laissons notre solution dans un bain de glace pendant 20 min afin que des cristaux se forment.

Nous filtrons sous vide ces cristaux grce un Bchner et les rinons avec un mlange eau/thanol(50/50).

Voici lquation finale de la synthse de lalun de potassium:

2Al

Donnes exprimentales :

Aluminium = 2,00 g

KOH = 7,8680 g dans 100 mL deau distill donc =

=

7,868

56,56,= 1,402 .

H2SO4 = 20 mL de H2SO4 18 mol.L-1 + 20 mL deau40 mL de H2SO4 9 mol.L-1. Nous avons prlev

18 mL de cette solution.


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Mlange eau/thanol = 35 mL

Cristallisoir vide = 51,0224 g

Cristallisoir plein = 72,9178 g

Masse fiole vide vide = 278,18 g

Masse fiole vide pleine = 421,60 g

Rendement thorique :


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b. Schma synoptique


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c. Autres utilisation du produit

Nous nous sommes tout dabord intress lalun de potassium pour ses proprits

cosmtiques. Cette pierre a des proprits astringentes, qui rgulent la sudation et des proprits

bactricides, qui tuent les bactries, cest pourquoi elle est souvent utilise comme dodorant

naturel. Elle a aussi des proprits hmostatiques, qui stoppent les saignements, donc trs utilecomme aprs-rasage.

Cependant, ce minral est majoritairement utilis comme mordant par les teinturiers. Le

mordanage est une tape pralable la teinture vgtale, ncessaire dans la plupart des cas pour

que la teinture se fixe et soit solide aux lavages et la lumire. Il cre un pont chimique entre la fibre

et la teinture, car la teinture seule nest pas toujours apte se fixer sur la fibre. Lalun est souvent

utilis car il est neutre, il ne modifie pas la couleur. Il est aussi utilis pour le tannage des cuirs afin de

les rendre imputrescible et de les assouplir.

L'industrie du papier utilise l'alun dans le lissage et l'encollage du papier qui ont pour but d'en

obturer les pores par dpt de rsinate d'alumine.

Il est aussi utilis comme coagulant dans le traitement des eaux potables ainsi que la fabrication

de plasticine.


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III- Caractrisation du produita. Lanalyse thermogravimtrique(ATG)

Principe :

LATG est une technique danalyse qui consiste mesurer la variation de masse dunchantillon laide dune thermo-balance en fonction de la temprature ou du temps dans

une atmosphre contrle. Elle est souvent employe pour dterminer les caractristiques

des matriaux tels que les polymres, pour estimer la cintique doxydation en corrosion

haute temprature, pour dterminer les tempratures de dgradation, lhumidit absorbe

par le matriau, la quantit en composs organiques et inorganiques dun matriau, le point

de dcomposition dun explosif et des rsidus de solvants.

Intrt dans la caractrisation de lalun:

Lalun a pour formule KAl(SO4)2.12H2O, donc port haute temprature lalun devrait se

dshydrat et donc perdre des molcules deau. LATG devrait donc nous permettre de

calculer le nombre de molcules deau vapores.

Rsultats :

Daprs la courbe dATG (annexe) de 50C 200C, lchantillon perd environ 3,6% de

son poids de dpart.

MKAl(SO4)2.12H2O = 474,3834 g.mol-1

MH2O= 18 g.mol-1

474,3834x3,6% = 17,07 g.mol-1

Lchantillon a donc perdu une molcule deau. Ce rsultat nest donc pas celui attendu

car en thorie nous aurions d en perdre 12 daprs la formule de lalun.

Daprs larticle sur la dshydratation de lalun en annexe, il faut le chauffer 5 6h

75C pour quil perde environ 30% de son eau, puis 2 3h 300C pour le dshydrater

totalement. Hors, nous avons chauff de 50C 900C en augmentant la temprature de

20C par min. On peut supposer que cest cette diffrence de processus qui a seulement fait

perdre une molcule deau notre chantillon.

Conclusion de lexprience:

Cette exprience nous a seulement permis de dire que notre alun de potassium ntait

pas anhydre.


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b. Dosage de laluminium


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c. Diffraction des rayons X (DRX)

Principe :

La DRX consiste envoyer des rayons X sur lchantillon et analyser les rayons renvoys par cet

chantillon, cest--dire langle 2 form entre le faiseau de rayons X envoy sur lchantillon et le

faiseau rflchi par lchantillon. Pour cette mthode de caractrisation, nous avons plac une

certaine quantit de notre produit dans lappareil de mesure. Puis nous avons effectu lacquisition

des donnes et obtenue un diffractogramme pour chacun de nos produits (alun industriel et alun

naturel).


Nous avons utilis cette mthode danalyse pour nous permettre de vrifier la structure de notre

produit grce la comparaison de nos diffractogrammes et du diffractogrammes de rfrences de

lalun de potassium.

Rsultats :

Voir diffractogrammes en annexes

Conclusion de lexprience:

Daprs la comparaison des spectres obtenus nous pouvons en conclure que la formule brute de

notre produit est bien KAl(SO4)2.12H2O car nos trois diffractogrammes sont quasiment identiques. Ils

prsentes les mmes pics de diffraction.


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d. Linfrarouge (IR)

Principe :

La spectroscopie infrarouge est un moyen de diagnostic permettant de dterminer la

nature des liaisons chimiques prsentes dans une molcule. La spectroscopie IR est base sur

linteraction de la lumire IR avec le nuage lectronique des liaisons chimiques. Dans les molcules,

les liaisons vibrent une frquence bien dtermine qui dpend des atomes de la liaison mais aussi

de l'environnement de la liaison. Pour une frquence donne, ces liaisons rentrent en rsonance :

l'nergie apporte est alors consomme : les molcules absorbent et la transmission diminue. On

peut ainsi dterminer les liaisons prsentes dans la molcule.


Nous avons utilis cette mthode pour pouvoir confirmer la prsence deau et du groupement

SO4, ainsi que pour pouvoir comparer le spectre de notre produit avec celui de lalun naturel.

Rsultats :

Voir spectres en annexes.

Daprs ce tableau de valeurs caractristiques les pics de 3400 cm-1 3000 cm-1 sont les pics

correspondant leau dhydratation de lalun et les pics 1000 cm-1 et 500 cm-1 sont ceux

reprsentant SO42-.

Conclusion de cette exprience :

Nos deux spectres sont quasiment identiques et presentent les mmes pics dabsorption

caractriques. On peut donc en conclure que nous avons bien synthtis de lalun de potassium et

que de plus il semble trs pur.


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V- La production industrielle de laluna. Dfinition des normes environnementales

Les normes environnementales sont les normes ISO 14001. Ces

normes ont pour objectif dinciter les organismes mettre en place unsystme de management pour amliorer durablement leurs pratiques

environnementales. Cette norme a t tabli au niveau international,

elle aide les entreprises amliorer leur performance

environnementale grce une utilisation plus rationnelle des

ressources et la rduction des dchets. Plus de 300 000 certifications

ISO 14001 ont t dlivres dans 171 pays. Elle a t rvis en 2015, en

prenant compte lvolution des marchs et les attentes de la socit.

Dautres normes de la famille ISO14001 existent, il sagit des normes ISO 14004 qui donne des

lignes directives concernant ltablissement, la mise en uvre, la mise jour et lamlioration dun

systme de management environnemental, en indiquant comment le coordonner aux autressystmes de management. La norme 14006 qui est destine tre utilise par les organismes qui ont

mis en uvre un systme de management environnemental conformment ISO 14001 mais peut

galement aider intgrer lco-conception au sein dautres systmes de management. Et la norme

ISO 14064-1 qui spcifie les principes et les exigences, au niveau des organismes, pour la

quantification et la rdaction de rapports sur les missions de gaz leffet de serre et leur

suppression.

b. Evalution des risques chimiques et environnementaux

Les produits cosmtiques sont soumis une valuation de la scurit selon le rglement (CE)n1223/2009 mis en place au niveau europen. Lvaluation des risques chimiques repose sur

lanalyse des dangers des agents chimiques, des proprits physico-chimiques (tat physique,

volatilit ), des conditions de mise en uvre (type de procd, temprature ), et des moyens de

prvention (ventillation ). Cette valuation comprend aussi les effets sur la sant, les incendies et

explosions et les impacts environnementaux.

Pour lalun de potassium, il nexiste pas de risques environnementaux (au niveau de la pollution

des eaux) et cest une substance sans danger selon les rglements en vigueur.

c.

Fabrication industrielle du produit

Lalun de potassium nest que rarement synthtis, par contre il est extrait sous forme dalunite

qui est une espce minrale de formule KAl3(SO4)2(OH)6. On trouve de nombreux gisements dans le

monde. Pour obtenir de lalun de potassium partir dalumine, le procd se fait en 5 tapes :

calcination, efflorescence, lixiviation, filtration et cristallisation.

La calcination permet la dcomposition de lalunite.

KAl3(SO4)2(OH)6KAl(SO4)2+ Al2O3+ 3H2O

Le minral dcompos est ensuite expos lair libre permettant lefflorescence (transformation

de certains sels qui perdent par dshydratation une partie de leur eau de cristallisation). La lixiviationest ensuite utilise. Cest une mthode dextraction par circulation dun solvant sous lgre pression.


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Cest un processus simple dextraction par dissolution bas sur le fait que tous les lments ont

des coefficients de dissolution diffrents et peuvent donc se retrouver sparer par la circulation dun

solvant. Elle permet de dissoudre la pte argileuse obtenue et ainsi spar lalun KAl(SO4)2.12 H2O

des autres composs minraux de lalunite. On filtre ensuite cette solution puis on cristallise par

refroidissement.

Il faut cependant tre vigilant car un autre alun est synthtis, il sagit de lalun dammonium de

formule (NH4)Al(SO4)2. Il est fabriqu partir de sels d'ammonium, rsidus de l'industrie chimique

lourde asiatique (sous-produit du caprolactame, en provenance des industries de fabrication du

nylon notamment) qui sont ragglomrs avant d'tre vendus sous cette dnomination. C'est donc

une pierre entirement synthtique dont l'aluminium qui la compose n'est pas hydrat et peu se

fixer sur la peau. Il est utilis dans certains dodorants, mais sa toxicit na pas t tablie.

On peut trouver lalun de potassium en vente directe en grandes surfaces, parapharmacies,

pharmacies. Ce produit connait un certain engouement car cest un produit naturel et efficace qui

gagne donc face au scandale de laluminium en grande quantit dans les dodorants synthtiques et

donc potentiellement trs dangereux.

Nous navons pas de donn sur le prix d import de lalun de potassium mais nous savons quen

France en 2014, le prix moyen de lalumine la tonne l'import tait de 310 .

d. Recyclage des coproduits

Daprs le paragraphe prcdent, suite la calcination de lalunite nous obtenons Al2O3 qui est

spar par lixiviation mais nest pas rutilis dans ce processus car nous nous navons pas une

lixiviation basique (voir paragraphe suivant). Cependant cette alumine peut ensuite par exemple tre

utilis comme isolant lctrique.

e. Intermdiaire ractionnel le plus coteux

Prix approximatif des ractifs :

KOH (1kg) : 45

H2SO4(1L) : 70

Al (1kg) : 200

Nous constatons donc que le ractif le plus coteux est laluminium car nous trouvons rarement

de laluminium sous sa forme pure Al. Il est majoritairement extrait sous forme de bauxite, roche

avec une trs forte teneur en Al2O3(alumine).

Synthse partir dalumine:

Lextraction dalumine tant trs importante, la synthse de lalun de potassium est moins

coteuse partir dalumine que daluminium pure.

La mthode de la lixiviation est utilise. Lors du traitement de la bauxite en milieu basique (KOH)

et sous pression, les hydroxydes daluminium passent en solution.Le traitement lacide sulfurique

permet par la suite dobtenir lalun de potassium.

f. Innovation dans ce domaine dapplication


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La lixiviation est une innovation dans lextraction de mtaux lourds dans les rsidus dsaliniss.

Elle a deux intrts majeurs :

Environnementales : depuis le 1erjuillet 2002, il est interdit de mettre en dcharge des

dchets pouvant tre traits, seuls les dchets ultimes peuvent emprunter cette voiedlimination.

Economiques : depuis la hausse du prix de certains mtaux, le recyclage des dchets

contenant des mtaux est trs intressant.

Les mtaux vont alors tre solubiliss dans la soude puis par une succession de processus nous

lobtenons pur.

En cosmtologie, cette mthode est innovatrice car elle permet dextraire des substances dune

plante en faisant circuler de leau sous lgre pression travers celle-ci, sans chauffage ni macration

pour ne pas altrer les substances extraites. Par exemple, le laboratoire PHYTOMER grce au procd

de la lixiviation obtient des extraits liquides dalgues et de plantes marines ultra-concentres en

actifs.

Linnovation en cosmtologie vise se passer des produits chimiques afin davoir des produits

les plus naturels possibles. Par exemple, les laboratoires Dermatherm utilisent la strilisation UHT

pour produire leurs cosmtiques bio sans aucun conservateur. Lea Nature dermo-cosmtique, pour

sa gamme de produits leauthermale de Jonzac, a dvelopp le complexe Protect 3C, alliance de


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trois conservateurs autoriss en bio, mais garantis hypoallergniques et assurant un haut niveau de

prservation des formules.

g. Avenir du procd par rapport lvolution des normes environnementales

Le procd de synthse de lalun de potassium ne devrait pas tre affect par lvolution des

normes environnementales car comme nous avons pu le voir il repose sur des procds qui ne

polluent pas (lixiviation, filtration). Cependant, lalun dammonium est fabriqu partir de sels

d'ammonium, rsidus de l'industrie chimique lourde asiatique. On peut donc penser que la

rglementation de cette industrie trs polluante va se durcir tant donn le contexte actuel de

rchauffement climatique.


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Conclusion

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