Ce travail a eu pour thème central les charbons actifs, un adsorbant jouant un rôle fondamental dans l’élimination en solution aqueuse des cations Mn (II) et Al (III), puis des substances humiques. Dans le souci de valoriser les déchets des coques de noix de coula edulis (noisetier d’Afrique), la première phase de cette étude a été consacrée à la préparation et à la caractérisation physico-chimique des charbons actifs. Les propriétés surfaciques étudiées à l'aide de l’Infrarouge à Transmission de Fourier (IRTF), titrage de Boehm, la détermination du pHPCN et l'évaluation des surfaces spécifiques par adsorption de l'iode, le bleu de méthylène et/ou l'acide acétique.
Les résultats des spectres infrarouges ont montré respectivement la présence des groupements -C-C-, -C-O-, -C = C- et -C = O. La titration de Boehm a prouvé que l'acidité totale était supérieure à basicité totale. Les valeurs de pH de charge zéro ont été inclus entre 2 et 3,5. Les surfaces spécifiques obtenues par adsorption diminué dans l'ordre de l'iode, l'acide acétique et le bleu de méthylène classant par ordre de prépondérance les micro, méso et macro pores sur leurs surfaces. Enfin l utilisation des charbons actifs obtenus pour éliminer les cations Mn (II) et Al (III), puis les substances humiques en solution aqueuse en mode batch en faisant varier les paramètres tels que le pH, la concentration initiale, le temps de contact, la température, la masse du charbon actif et sa granulométrie.
Ces résultats ont révélé que l'adsorption des ions Mn (II), Al (III) et des substances humiques est fortement dépendante du pH. Les données expérimentales ont montré que l’adsorption des ions Mn (II) est suivie par les isothermes de Langmuir et de Freundlich et celle des ions Al (III) et des substances humiques par l’isotherme de Langmuir. L’étude cinétique a montré que les réactions d’adsorption des ions Mn (II) et Al (III) sont suivies par le modèle du pseudo-second ordre, alors que celle des substances humiques est suivie par le modèle du pseudo-premier ordre et caractérisée par un mécanisme de transfert de masse externe. L’étude thermodynamique a montré que l’adsorption des ions Mn (II) et des substances humiques est spontanée, l’adsorption des ions manganèse est endothermique sur le charbon actif, CAo, et exothermique sur les charbons actifs, CAH et CAZ, alors que celle des substances humique est endothermique à la surface de chaque charbon actif.
Table des Matières
INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE I: REVUE BIBLIOGRAPHIQUE
I.1. Phénomène de la pollution des eaux
I.1.1. Les différents type de pollution
I.1.1.1. Pollution d’origine naturelle
I.1.1.2. Pollution d’origine anthropique
I.1.2. Les principaux types de polluants
a. Les Matières organiques fermentescibles
b. Les éléments fertilisants agricoles
c. Les Cations Métalliques
I.1.3. Les effets de la pollution
a. Les conséquences sanitaires
b. Les conséquences écologiques
c. Les conséquences économiques
I.2. Caractéristiques des polluants étudiés
I.2.1. Le Manganèse
a. Spéciation du Manganèse
b. Fiche technique du Manganèse
I.2.2. L’Aluminium
a. Spéciation de l’aluminium
b. Fiche technique de l’Aluminium
I.3. Les Substances Humiques
I.3.1. Formation des Substances Humiques
I.3.2. Les Sources de Substances Humiques
a. Les Substances Humiques Naturelles
b. Les Substances Humiques Artificielles
c. Les Substances Humiques dans les eaux de surface
I.3.3. Adsorption des Substances Humiques sur les Charbons Actifs
I.4. Les Méthodes d’élimination des polluants présents dans les eaux
I.4.1. Le traitement par des Procédés Biologiques
a. Utilisation des bio ressources dans le traitement métallique des eaux
a. Bioaccumulation
b. Bio-sorption
I.4.2. Le traitement par des Procédés Physico-Chimiques
I.4.2.1. Procédés Chimiques
a. La précipitation chimique
b. Coagulation-Floculation
c. L’osmose inverse
d. L’échange d’ions par utilisation de résines.
I.4.2.2. Procédés Electrochimiques
a. L’électrolyse
b. L’électrodéposition
c. L’électrocoagulation
d. L’électrodialyse
I.4.2.3. Autres Procédés
a. L’extraction liquide-liquide
b. La microfiltration
c. L’ultrafiltration
I.5. L’Adsorption
a. L’Adsorption Physique
b. L’Adsorption Chimique
I.6. Modélisations Mathématiques de l’adsorption
I.6.1. Cinétique d’adsorption
a. Modèle du pseudo-premier ordre
b. Modèle du pseudo-second ordre
c. Transfert de masse externe
d. Transfert de masse intra particulaire
I.6.2. Les conditions d’équilibre (Leclerc, 1995)
a. Modèle de Freundlich (Freundlich et al., 1906)
b. Modèle de Langmuir (Langmuir, 1918)
I.6.3. Thermodynamique d’adsorption
I.6.4. Influence des facteurs liés au phénomène d’adsorption
a. Les facteurs liés à l’adsorbant
b. Les facteurs liés à l’adsorbat
c. Les facteurs extérieurs
I.7 Les Charbons Actifs
I.7.1. Préparation des Charbons Actifs
I.7.2. Carbonisation (ou pyrolyse)
I.7.3. Activation
I.7.4. Caractéristiques des Charbons Actifs
I.7.5. Classification selon la porosité
I.7.6. Les formes des charbons actifs
a. Les charbons actifs en poudre (CAP)
b. Les charbons actifs en grain (CAG), en bille ou en bâtonnet
c. Les charbons actifs en tissu (CAT)
I.7.7. Les applications du charbon actif
I.7.8. Autres Matériaux adsorbants utilisés
a. Les Zéolites
b. Gels de silices
c. Alumines activées
d. Argiles activées
e. Adsorbants à base de polymères
CHAPITRE II: MATERIELS ET METHODES EXPERIMENTALES
II.1. Préparation des Charbons Actifs
II.2. Caractérisation des Charbons actifs
II.2.1. Taux de cendre
II.2.2. Composition chimique de la cendre
II.2.3. Densité apparente
II.2.4. pH au point de charge nulle (pHPCN)
II.2.5. Acidités de surface
II.2.6. Spectroscopie Infrarouge
II.2.7. Détermination des Indices d’iode
II.2.8. Détermination des Surfaces spécifiques
a. Surfaces spécifiques par adsorption de l’iode
b. Surfaces spécifiques par adsorption de l’acide acétique
c. Surfaces spécifiques par adsorption du Bleu de Méthylène
II.3. Dépollution par adsorption sur charbon actif
II.3.1. Adsorption des ions métalliques
II.3.2. Description de la technique Batch
II.3.3. Facteur influençant l’adsorption
a. Effet du pH initial de la solution métallique
b. Effet de la concentration initiale de la solution métallique
c. Effet du temps de contact
d. Effet de la température
e. Présentation de la cinétique d’adsorption des ions métalliques
II.4. Extraction des Substances Humiques
II.4.1. Principe
a. Prétraitement à l’eau déminéralisée
b. Traitement à la soude
II.4.2. Préparation des solutions pour le dosage du carbone
a. Solution d’acide chlorhydrique (0,1N)
b. Solution de soude (0,1N)
c. Solution de bichromate de potassium 1N
d. Solution de ferroine
e. Solution sulfate ferreux (0,5N)
II.4.3. Adsorption des substances humiques par la méthode batch
II.4.4. Détermination de la concentration des substances humiques en solution
a. Détermination de l’étape limitante dans la cinétique d’adsorption des substances humiques
CHAPITRE III: RESULTATS ET DISCUSSION
III.1. Propriétés physico-chimiques des charbons actifs
III.1.1. Taux de cendre
III.1.2. Densité apparente
III.1.3. Composition chimique minérale
III.1.4. Acidité à la surface des Charbons Actifs
III.1.5. pH au point de charge nulle (pHPCN)
III.1.6. Indices d’iode
III.1.7. Analyse par infrarouge à transformée de Fourier
III.1.8. Les surfaces spécifiques
III.2. Adsorption des cations : Mn (II) et Al (III)
a. Influence du pH
b. Influence de la concentration initiale et de la température
III.3. Etude des isothermes d’adsorption des ions métalliques
III.3.1 Isotherme d’adsorption des ions manganèse (II)
a. Isotherme de Langmuir de l’adsorption des ions manganèse (II)
b. Isotherme de Freundlich relative à l’adsorption des ions Mn (II)
III.3.2. Isotherme de Langmuir et de Freundlich de l’adsorption des ions aluminium (III)
III.3.3. Etude de la cinétique d’adsorption des ions métalliques
III.3.3.1. Influence du temps de contact d’adsorption des ions Mn (II)
III.3.3.2. Détermination de l’ordre de la réaction d’adsorption des ions Mn (II) sur les charbons actifs
a. Cinétique du pseudo-premier ordre de l’adsorption des ions Mn (II)
b. Cinétique du pseudo-second ordre de l’adsorption des ions Mn (II)
III.3.3.3. Influence du temps de contact d’adsorption des ions Al (III)
a. Cinétique du pseudo-premier ordre de l’adsorption des ions Al (III)
b. Cinétique du pseudo-second ordre de l’adsorption des ions Al (III)
III.4. Etude thermodynamique de l’adsorption des ions métalliques
III.4.1. Enthalpie, Entropie et Enthalpie libre d’adsorption des ions Mn (II)
III.4.2. Enthalpie, Entropie et Enthalpie libre d’adsorption des ions Al (III)
III.5. Adsorption des substances humiques sur les charbons actifs
a. Influence du pH
b. Influence de la masse des charbons actifs
c. Influence de la taille des particules
d. Influence de la concentration initiale
III.5.1. Etude des isothermes d’adsorption des substances humiques
III.5.2. Etude de la cinétique d’adsorption des substances humiques
III.5.2.1. Influence du temps de contact charbon actif-substances humiques
III.5.2.2. Détermination de l’ordre de la réaction d’adsorption substances humiques
III.5.2.3. Mécanismes d’adsorption substances humiques
a. Transport externe par le modèle de Weber et Mathews
b. Transport intra particulaire par le modèle de Weber et Morris
c. Evolution des constantes de vitesse de diffusion
III.6. Etude thermodynamique des réactions d’adsorption des substances humiques
Objectifs et thèmes de recherche
Cette thèse vise à valoriser les déchets issus des coques de noix de Coula edulis en préparant et caractérisant des charbons actifs pour l'élimination des ions manganèse (Mn II), aluminium (Al III) et des substances humiques dans les eaux, en étudiant les mécanismes cinétiques et thermodynamiques d'adsorption.
- Valorisation de la biomasse locale (Coula edulis) comme adsorbant
- Caractérisation physico-chimique détaillée des charbons actifs produits
- Optimisation du traitement des eaux polluées par des ions métalliques et substances humiques
- Modélisation mathématique des isothermes et de la cinétique d'adsorption
- Étude thermodynamique des processus de fixation
Auszug aus dem Buch
I.1. Phénomène de la pollution des eaux
Les ressources en eau douce propre sont indispensables à différentes activités humaines telles que boire, cuisiner, se laver, irriguer les terre, alimenter l’industriel, mais aussi à la survie des plantes et des animaux. A cause de la surconsommation d’eau par une population mondiale en hausse, de l’industrialisation, des activités volcaniques, de l’emploi des produits purement chimiques dans l’agriculture, des rejets des eaux usées non traitées, de la dégradation des écosystèmes, les réserves d’eau douce, les nappes phréatiques, les réservoirs d’eau et les rivières subissent de sévères pressions environnementales. C’est pourquoi l’eau perd progressivement sa nature et devient contaminée ou polluée.
En effet, les rejets liquides industriels et urbains en plus la présence des éléments chimiques dans l’air et dans les terres agricoles qui arrivent dans les eaux par différents procédés, c’est ce que nous appelons dégradations ou pollutions des eaux, changeant ainsi la nature de celles-ci (Canizares et al., 2008).
Cette notion de dégradation est très importante, puisqu'en l'absence de conséquences négatives pour le milieu, nous ne pouvons pas parler de pollution (Toufik et al., 2009).
L’intensité d’une pollution sera plus ou moins élevée, pour une même substance, en fonction des quantités déversées dans le milieu et de la capacité de ce milieu à l'éliminer naturellement. Les milieux aqueux potentiellement sujets à la pollution sont les cours d'eau, les nappes souterraines, les mers, les lacs, les retenues d'eau, etc.
Résumé des chapitres
CHAPITRE I: REVUE BIBLIOGRAPHIQUE : Ce chapitre présente une revue de la littérature sur la pollution des eaux, ainsi qu'une étude détaillée sur les caractéristiques physico-chimiques du manganèse, de l'aluminium et des substances humiques étudiés.
CHAPITRE II: MATERIELS ET METHODES EXPERIMENTALES : Ce chapitre détaille les méthodes de préparation et de caractérisation des charbons actifs ainsi que les méthodologies analytiques utilisées pour les essais d'adsorption.
CHAPITRE III: RESULTATS ET DISCUSSION : Ce chapitre expose les résultats expérimentaux obtenus concernant les propriétés des charbons, l'adsorption des métaux et des substances humiques, suivis de leurs interprétations et discussions.
Mots-clés
Coula edulis, Charbon actif, Manganèse (II), Aluminium (III), Substance humique, Adsorption, Pollution des eaux, Isothermes de Langmuir, Isothermes de Freundlich, Cinétique, Thermodynamique, Traitement des eaux, Traitement physico-chimique, Valorisation de la biomasse.
Foire aux questions (FAQ)
Quel est le sujet principal de cette thèse ?
La thèse porte sur la préparation et la caractérisation de charbons actifs à partir des coques de noix de Coula edulis pour l'élimination des ions Mn (II), Al (III) et des substances humiques dans l'eau.
Quels sont les enjeux de cette étude ?
L'étude vise à valoriser une ressource locale (déchets de noix) pour traiter des pollutions hydriques, répondant ainsi à des besoins de protection de la santé publique et de l'environnement.
Quelle est la problématique centrale ?
La problématique concerne la présence de métaux lourds (manganèse, aluminium) et de substances organiques dans les eaux industrielles et naturelles, et la recherche d'une méthode de traitement efficace et économiquement abordable.
Quelle est la démarche expérimentale ?
L'auteur a procédé par carbonisation et activation chimique des coques, suivi d'une série de tests d'adsorption en mode batch en faisant varier divers paramètres comme le pH, la concentration, le temps et la température.
Que traite le troisième chapitre ?
Le troisième chapitre présente les résultats expérimentaux complets, incluant les isothermes d'adsorption et les études cinétiques, ainsi que les discussions sur l'efficacité des différents types de charbons produits.
Quels modèles sont utilisés pour l'adsorption ?
La thèse utilise les modèles de Langmuir et de Freundlich pour modéliser les isothermes d'adsorption, et des modèles cinétiques du pseudo-premier et pseudo-second ordre.
Comment la température influence-t-elle l'adsorption du manganèse sur CAo ?
L'adsorption du manganèse sur le charbon CAo s'est révélée être un processus endothermique, ce qui signifie que sa capacité d'adsorption augmente lorsque la température augmente.
Quelle est la conclusion sur les mécanismes de transport ?
L'étude des mécanismes de transport, utilisant les modèles de Weber et Mathews, démontre que la diffusion externe et la diffusion intra-particulaire contribuent toutes deux au processus d'adsorption, bien que l'étape limitante soit souvent le transport de masse externe.
- Citation du texte
- Mexent Zue Mve (Auteur), 2016, Préparation et caractérisation des charbons actifs obtenus à partir des coques de noix de Coula edulis, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/419433
