les techniques de séparation des mélanges

Dr.BENSAHLA TALET L Université Oran1-Ahmed BENBELLA 2017

Les techniques de séparation des mélanges

M1 Parasitologie 2020

Dr. Lotfi BENSAHLA TALET Université Oran1-Ahmed BENBELLA


Definition

Les techniques de séparation des mélanges servent à isoler ou à séparer certains constituants des mélanges dans lesquels ils se trouvent. il est souvent nécessaire, pour obtenir une substance pure, de la séparer de toutes les autres substances qui l'accompagnent. On peut séparer les mélanges par des moyens physiques. Le choix de la technique varie en fonction du mélange, de la substance que l'on doit séparer du reste du mélange et des phases qui constituent le mélange. Les techniques les plus utilisées sont :


1. L'évaporation

2. La décantation

3. La filtration

4. La distillation

5. Le tamisage

6. La centrifugation

7. Le broyage

8. Les techniques physico-chimiques


1.L'évaporation

L'évaporation est un processus par lequel on élimine la partie liquide d'un mélange en le transformant en gaz. Pour ce faire, on peut laisser le constituant liquide du mélange s'évaporer naturellement à température ambiante, ou on peut accélérer le processus en chauffant le mélange. L'évaporation sert à récupérer la partie solide d'un mélange hétérogène ou encore le soluté solide d'une solution. Elle permet aussi de concentrer le soluté d'une solution dans un plus petit volume de solvant.


2. La décantation C’est un processus qui permet de séparer des liquides non miscibles qui n’ont pas la même masse volumique (densité). On laisse reposer les deux liquides dans une ampoule à décantation. Le liquide qui possède la masse volumique la plus grande se déplace alors vers le fond de l’ampoule. Le liquide qui possède la masse volumique la plus petite quant à lui se déplace vers le haut. Lorsque les deux phases sont bien distinctes, on peut séparer les deux liquides. Cette technique peut être utilisée pour séparer, par exemple, un mélange d’eau et d’huile. L’huile flotte sur l’eau, car l’huile a une masse volumique plus faible que l’eau.

http://www.alloprof.qc.ca/BV/pages/s1017.aspx


3. La filtration

La filtration est une technique qui permet de séparer les

constituants d’un mélange lorsqu’un des constituants est sous la

phase liquide et l’autre, sous la phase solide. Pour ce faire, on

utilise un filtre. Ce filtre permet de retenir les particules solides

qui sont plus grosses que les pores (trous) du filtre. Le liquide qui

passe au travers du filtre est appelé filtrat et le solide que l’on

recueille dans le filtre est appelé résidu.


4. La distillation La distillation est une technique de séparation de deux substances liquides miscibles. En utilisant cette technique, on fait appel à la propriété de point d'ébullition. On chauffe le mélange jusqu’à ce qu'on atteigne le point d’ébullition d’un des constituants. Ce liquide s’évapore alors et les vapeurs sont recueillies et condensées dans un autre récipient. Pendant que le premier liquide s'évapore (distillat), le deuxième n'atteint pas sa température d'évaporation et reste sous forme liquide dans le contenant initial (résidu). Grâce à cette technique, on peut séparer un mélange d’alcool et d’eau. L’alcool a une température d’ébullition plus basse que l’eau, alors il s’évaporera en premier. Les vapeurs d’alcool seront recueillies et refroidies. Cette condensation permettra de récupérer l’alcool (distillat) dans un autre contenant. L’eau (résidu) restera dans le contenant initial.




5. Le tamisage La technique du tamisage consiste à séparer les constituants d’un mélange de substances solides à l’aide d’un tamis. Un tamis, c’est un instrument qui ressemble à un grillage. L’espace entre les fils est plus ou moins grand. On peut séparer par exemple un mélange de sable fin et de cailloux à l’aide d’un tamis. Il suffit de passer tout le mélange à travers le tamis. Ainsi, les cailloux demeureront sur le tamis et le sable fin passera au travers.


6. La centrifugation La centrifugation est une technique de séparation qui, par l’action de la force centrifuge, permet de séparer de deux à trois phases. Le mélange est entraîné dans un mouvement de rotation très rapide. Les particules solides les plus lourdes sont alors poussées vers les parois du récipient sous l'action de la force centrifuge, alors que les particules plus légères et les liquides restent en surface, ce que l'on nomme surnageant. L’appareil qui sert à réaliser une centrifugation est appelé centrifugeuse. À l’aide d’une centrifugeuse, on peut, par exemple, séparer les globules rouges du plasma sanguin.











7. Le broyage Le broyage consiste à réduire en miettes ou à écraser par choc un solide pour en produire des grains ou un liquide. Les instruments souvent utilisés pour faire un broyage sont le mortier et le pilon. Le pilon permet de broyer les plus gros morceaux pour en produire des plus petits, alors que le mortier permet de récupérer tous les constituants de la substance de départ.


Les techniques physico-chimiques


I - La technique de chromatographie

A l’origine, cette technique servait à séparer des substances colorées. La chromatographie est une technique très complète puisque elle permet de séparer et d’identifier les constituants d’un mélange. C’est une méthode physique.

1) - Définition :


Extraction liquide-liquide -La chromatographie

Historique

Système chromatographique idéal

phase stationnaire (propriétés)

phase mobile (propriétés)

volume du système

constante de distribution K

séparation des constituants (A, B, C...)

allure d'un chromatogramme (tr, tm, H, wb)

Principes physiques de séparation

l'adsorption

la partition

l'échange d'ion

exclusion

PRINCIPES DE SÉPARATION


Il existe différents types de chromatographie, la technique de chromatographie sur couche mince, dite CCM. Il existe aussi la chromatographie sur colonne, la chromatographie en phase gazeuse.

2) - Les différents types de chromatographie :


Le mélange est fixé sur un support appelé phase stationnaire (un gel de silice déposé en couche mince sur une plaque d'aluminium). Le mélange est entraîné par un solvant approprié ( phase mobile ou éluant) qui migre par capillarité sur la plaque. Les constituants du mélange se séparent par migration différentielle : chacun d'eux est d'autant plus entraîné par l'éluant qu'il est plus soluble dans celui-ci et moins adsorbé sur la phase stationnaire.

3) - Principe :


Après migration les taches doivent être révélées ; c'est la détection qui peut se faire soit : -Par immersion dans un bain de permanganate de potassium -Par pulvérisation de vapeur de diiode - Par observation à la lumière UV si la plaque de silice comporte un indicateur de fluorescence

4) - Révélation :


La chromatographie en couche mince est caractérisée par un nombre limité de phases stationnaires et de nombreuses phases mobiles. - La chromatographie Liquide-Liquide comme HPLC est caractérisée par un nombre élevé de phases stationnaires et mobiles.

Chromatographie sur couche mince La chromatographie sur couche mince appartient aux chromatographies de partage. Elle est apparue vers 1938. Etant une technique de haute sensibilité, elle est indiquée pour la micro-analyse d'extraits de faible volumes. Un faible volume d'extrait est déposé sur une plaque chromatographique dont la partie inférieure est immergée dans un solvant. Celui ci monte par capillarité le long de la plaque et entraine les composés de l'extrait à des vitesses différentes.

http://www.takween.com/techniques/chromatographie.html#CHROMATO_COUCHE_M


II - Autres techniques d’identification

Qu’est-ce qu’une caractéristique physique ?

C’est une propriété physique que possède une espèce dont on peut donner une valeur, celle-ci lui est propre. Ex : la température d’ébullition de l’eau à pression atmosphérique normale est T eb = 100°C.


Quelles sont les caractéristiques physiques d’une espèce chimique qui peuvent nous permettre de les identifier ?

II - Autres techniques d’identification

1 - température de changement d’état 2 - densité 3 - solubilité 4 - indice de réfraction


Les températures de changements d’états : Le changement d’état est le passage d’un corps d’un état à un autre. Celui-ci se fait à une température qui dépend de la pression et qui est caractéristique de l’espèce chimique. On utilise souvent la température de fusion, (passage de l’état solide à l’état liquide) car cette température ne varie que très peu en fonction de la pression. De plus le contrôle de cette température peut permettre de savoir si un corps est pur ou non. On peut utiliser également la température d’ébullition, (passage de l’état liquide à l’état gazeux). Celle-ci est notée sur les flacons de produit : Eb, E, P.E … C’est la température d’ébullition sous la pression atmosphérique.

1) - température de changement d’état :


Qu’est-ce que la solubilité dans un solvant ?

2) - La solubilité :

On rappelle que la solubilité d’une espèce chimique est la quantité maximale de cette espèce que l’on peut dissoudre dans un litre de solvant. Elle s ‘exprime en g.L-1

Cette grandeur physique dépend de la température.


TECHNIQUES DE CHROMATOGRAPHIE

Aperçu des différentes techniques utilisées

1-La chromatographie sur couche mince (TLC)

-phases stationnaires

-phases mobiles

-instrumentation

-détection

-allure du chromatogramme


Chromatographie en phase gazeuse (CPG):


schéma de l'appareil

principaux constituants

phase stationnaire (types de phases)

phase mobile

colonnes à garnissage et capillaires

allure du chromatogramme

effet de la température

les détecteurs

universels (FID, TCD)

sélectifs (ECD, NPD, FPD)

spécifiques (MS, FT-IR)

indices de rétention

dérivation

applications analytiques

La chromatographie en phase gazeuse (CPG)


Principe

• Le principe de la séparation par C.P.G. consiste à partager l'échantillon à analyser entre deux phases.

• L'une de ces phases est un liquide stationnaire uniformément réparti sous forme d'une pellicule mince sur un solide inerte de grande surface spécifique,

• tandis que l'autre phase est un gaz mobile qui s'écoule à travers l'ensemble stationnaire.


Description d'un chromatographe.


Le chromatographe de la CPG

Un chromatographe est constitué en première approximation de trois organes essentiels :

l'injecteur

la colonne

le détecteur


1.Injecteur:

• Il permet d'introduire un liquide qui doit être vaporisé instantanément avant d'être transféré dans la colonne. Sa température doit être supérieure d'environ 20°C à la température du produit le moins volatil.

• Le gaz porteur, de préférence préchauffé, entre dans une

chambre chauffée, obturée par une pastille d’élastomère, le septum, qui assure l’étanchéité.

• A l’aide d’une seringue hypodermique de petite capacité, on

pique au travers du septum, afin que l’extrémité de l’aiguille arrive au-dessous du niveau de l’arrivée du gaz porteur, puis on pousse le piston pour réaliser l’injection.


Le septum

Il faut que la chambre d’injection ait un volume aussi petit que possible, pour limiter les volumes morts du chromatographe.


2.Colonne: • C'est l'organe principal. Elle est constituée d'un tube généralement métallique de

diamètre intérieur de l'ordre du millimètre.

• Ce tube contient la phase stationnaire constituée par un liquide adsorbant fixé sur un

solide inerte ( ex : brique pilée, alumine etc... soigneusement calibrée)

• On distingue les colonnes à remplissage proprement dit, constituées d’une tubulure en

verre, acier ou autre métal (les plus fréquentes sont en acier inoxydables), dont les

dimensions varient de 2 à 6 mm pour le diamètre intérieur et de 1 à 10 m pour la

longueur.

• Le support remplissant la colonne est constitué de grains dont les dimensions varient de

60 à 70 μm;

• ils sont à base soit de matériau réfractaire soit de silice


2.1.Performances des colonnes

*Une colonne à remplissage bien préparée peut atteindre une efficacité de l’ordre de 1 500 plateaux théoriques par mètre, soit HEPT = 0,66 mm

*Les colonnes capillaires atteignent facilement 2 000 à 10000 plateaux

théoriques par mètre, soit HEPT compris entre 0,5 et 0,1 mm.

On ne doit jamais effectuer d’analyse CPG sans avoir stabilisé l’ensemble

de l’appareil en débit de gaz vecteur et en température pendant au

moins deux heures.

*En dehors des périodes d’utilisation, les colonnes doivent être

bouchées pour éviter l’humidité pouvant se solubiliser dans la phase

stationnaire, ainsi que l’oxydation de celle-ci.


3.Détecteur:

• Il permet de mettre en évidence le passage des différents

gaz séparés par la colonne. La détection peut être basée sur

des techniques de mesures différentes.

• Le détecteur le plus utilisé en CPG est celui à conductibilité

thermique appelé catharomètre. Sa température est

généralement la même que celle de l'injecteur.


3.1.Catharomètre

• Le Catharomètre est un appareil simple et robuste, à réponse universelle, mais

relativement peu sensible.

• Il est fondé sur une comparaison continuelle entre le flux de chaleur emporté

par le gaz vecteur pur et le flux de chaleur emporté par le gaz vecteur chargé des

molécules de soluté.

• Ces flux de chaleurs sont produits par des thermistances, parcourues par un

courant continu de tension fixe, dans une enceinte thermostatée avec précision.


Catharomètre

• En faisant passer le gaz vecteur contenant les

constituants séparés sur la cellule du détecteur

• nous obtiendrons un signal chaque fois que l'un des

constituants se présentera dans la cellule car la

conductibilité thermique du gaz vecteur (qui traverse le

détecteur) varie quand le constituant X traverse le

détecteur.


3.2.Détecteur à ionisation de flamme.

-C’est un détecteur beaucoup plus sensible que le catharomètre, mais

moins universel, car il ne donne de réponse qu’aux composés organiques

-Il a aussi l’inconvénient, contrairement au catharomètre, de détruire le

soluté qui le traverse, car son principe est de brûler, dans une flamme

d’hydrogène, l’effluent apporté par de l’azote (gaz vecteur).

-Sous l’effet d’un champ électrostatique, il se forme des ions carbone de

charge positive qui sont précipités sur une électrode où ils créent un courant

d’ionisation que l’on amplifie grâce à un électromètre amplificateur. Sur un

enregistreur, on obtient par conséquent un signal proportionnel au débit-

masse du soluté dans le détecteur


3.3.Détecteur à capture d’électrons.

Une source telle que le tritium (3H) ou le (63Ni) envoie des électrons

libres dans le détecteur.

Quand ce détecteur est traversé par des substances ayant une affinité pour les électrons libres, il se produit des ions qui, comme pour le détecteur à ionisation de flamme, dans le champ électrostatique existant, sont recueillis par une électrode et forment un courant d’ionisation à amplifier convenablement.


Performances des détecteurs


Choix de la PS

Le choix de la phase stationnaire conditionne

la bonne séparation des constituants. Il

faudra la choisir polaire ou apolaire en

fonction de la nature des substances à

séparer.


Le gaz

• Le gaz employé (phase mobile) est un gaz inerte (hélium ou azote). Le gaz utilisé est l'hélium.

• Ce gaz vecteur ou gaz porteur pousse les constituants à travers la colonne. En chaque point de cette dernière,

• il se produit un équilibre entre la fraction du constituant en phase stationnaire et en phase mobile.

• Il s'agit de chromatographie de partage.


Analyse qualitative en CPG:

Si on injecte un mélange de plusieurs liquides dans la colonne par l'intermédiaire de l'injecteur, ces liquides sont transformés en gaz, lesquels sont entraînés dans la colonne par le gaz vecteur.

La phase stationnaire selon sa constitution, va plus ou moins retenir sélectivement chacun des produits


coefficient de partage K • On appelle coefficient de partage K pour

un constituant X : • K =Masse de constituant X par unité de volume de phase stationnaire

Masse de constituant X par unité de volume de phase mobile

Ce coefficient de partage est un des paramètres qui conditionne la durée de parcours de la

colonne par le constituant. Si les autres paramètres (température, débit gazeux) sont

constants, alors pour un mélange à analyser, la durée de parcours sera différente pour

chaque constituant si leurs coefficients de partage sont différents.

Cette durée est appelée temps de rétention.

Moyennant un étalonnage préalable avec des produits purs, la CPG permet donc l'analyse

qualitative des constituants d'un mélange.


Allure du chromatogramme

• Un chromatogramme correct est composé de pics de forme symétrique, pas trop larges et bien séparés.

• C'est en jouant sur les conditions opératoires que l'on arrive à un tel chromatogramme.

• Les facteurs favorables à une bonne séparation sont :

• • des temps de rétention suffisamment différents (choix de la colonne)

• • des pics peu élargis.


schéma de l'appareil, principaux constituants phase stationnaire (normale, inversée) phase mobile programmation de solvants (gradient d'élution) allure du chromatogramme les détecteurs universels (réfractométrie) sélectifs (uv, fluorescence) spécifiques (MS) dérivation applications analytiques

La chromatographie liquide (HPLC)


HPLC (High Performance Liquid Chromatography)

*La gravité et la pression atmosphérique→ hautes pressions (100 -450 bars)

*Analyses très fines en des temps remarquablement courts.


Chromatographie liquide à haute pression (HPLC)

Mise au point vers 1967 par Huker et Hulsman

Peut séparer pratiquement tous les mélanges

Seuil de détection par rapport à celui de la CPG


Appareillage et matériaux


Principaux solvants:


Les principaux détecteurs utilisés en HPLC sont :

a) Détecteur à absorbance dans l’U.V. et le visible

Son principal inconvénient est qu’il ne détecte que les composés qui ont une absorbance appréciable à la

longueur utilisée.

b) le fluorimétre

c) Détecteur à indice de réfraction

C’est un détecteur universel, son principal inconvénient est sa faible sensibilité. Mesure de l’indice de refraction

(exp glucides, Glu:0.5-5 μg)

d) Electrochimique jusqu’à 10-15 M (REDOX et ddp de -1 à +1 volt)

Q=ne*F*Nm (Q:charge liberée, ne:nbe e-, F: Cst de Faraday, Nm:nbr de molécules transformées)


les détecteurs utilisés en HPLC doivent posséder certaines qualités :

une grande sensibilité.

une réponse linéaire sur une gamme de concentration élevée.

une capacité à détecter le plus de produits possible.


Détecteurs -Sortie de la colonne chromatographique

- Détecter les composés qui sortent de la colonne.

-Le signal est converti en impulsion électrique qui est transmise à l’enregistreur.


b) Ajustement des paramètres: débit d’éluant et pression nature de l’éluant, etc.… c) Injection des échantillons inconnus et des standards. d) Calculs pour l’analyse qualitative et quantitative. e) Interprétation des résultats.


stupéfiants: analyse des drogues (cannabis, héroïne….)

toxicologie: analyse de drug (anti-inflamatoire, analgésique, anti-convulsifs….)

Environnement: analyse de pollutions (deversement…)

Agro-industrie: analyse d’aliments et leurs compositions (molécules, additifs…)


- La chromatographie Solide-Liquide ou chromatographie d'Adsorption utilise des phases solides

comme le charbon actif et la silice. La majorité des adsorbants sont polaires acides (silice) ou basiques

(Alumine). Comme il est le cas pour plusieurs polymères synthétiques, le charbon actif est un adsorbant

non polaire.. Les composés fixés peuvent être élués par des solvants organiques polaires.

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