Le problème de la pollution de l’environnement reste toujours d’actualité car de nombreuses activités industrielles continuent à générer des polluants divers, notamment des substances organiques et des métaux lourds, susceptibles de créer des nuisances importantes. Face à des réglementations de plus en plus restrictives, les industries doivent obligatoirement traiter leurs effluents avant de les réintroduire dans le milieu naturel. Dans ce but, diverses techniques de purification sont utilisées: Parmi celles-ci, nous trouvons l’extraction par membrane émulsionnée [1], la coagulation-floculation [2], l’électrolyse [3], l’extraction par solvant [4], l’osmose inverse [5], et l’adsorption sur charbon actif [6]. L’utilisation du charbon actif qui est considéré comme un traitement de choix, reste freinée par le prix élevé du matériau adsorbant.
Les principaux types de polluants
La pollution des ressources en eau peut avoir de multiples origines. Il y a, bien sûr, toutes les formes de pollutions consécutives aux activités humaines, qu’il s’agisse des pollutions domestiques et urbaines, industrielles ou agricoles. Mais, il existe aussi des pollutions naturelles de l’eau, qui rendent celle-ci impropre à la consommation par l’homme.
Les matières organiques fermentescibles
Les matières organiques fermentescibles (MOF) constituent, de loin, la première cause de pollution des ressources en eaux. Ces matières organiques (déjections animales et humaines, graisses, etc.) sont notamment issues des effluents domestiques, mais également des rejets industriels (industries agro-alimentaires, en particulier). La première conséquence de cette pollution réside dans l’appauvrissement en oxygène des milieux aquatiques, avec des effets bien compréhensibles sur la survie de la faune [8]. D’après Serge H et al [9], les matières organiques présentent dans les eaux sont influencées par plusieurs variables environnementales, principalement l’oxygène dissous, la température et le pH du milieu. Ces espèces qui peuvent jouer un rôle important dans les milieux aquatiques dulcicoles, se sont avérées potentiellement indicatrices de la qualité des eaux.
Les éléments minéraux nutritifs
Les éléments minéraux nutritifs (nitrates et phosphates), provenant pour l’essentiel de l’agriculture et des effluents domestiques, mobilisent également l’attention des acteurs impliqués dans la gestion de l’eau. Ils posent en effet des problèmes, tant au niveau de la dégradation de l’environnement résultant d’un envahissement par les végétaux, que des complications qu’ils engendrent lors de la production de l’eau potable. L’exemple flagrant et l’emploi abusif d’engrais minéraux qui conduit automatiquement à une contamination des nappes phréatiques par les nitrates [10].
Les cations métalliques
La pollution des eaux par des cations métalliques peut être provoquée par différents métaux telle que le chrome, l’arsenic, le manganèse, l’aluminium, le nickel, le cobalt, le cuivre, le molybdène, le zinc… ou encore à des métaux lourds comme le cadmium, le mercure ou le plomb, plus toxiques que les précédents. Cette contamination est certainement le cas le plus intéressant parmi les problèmes posés par la pollution de l’environnement [11]. De multiples activités humaines en sont responsables. Cette pollution provient en effet essentiellement :
● des rejets d’usines, notamment de tanneries (cadmium, chrome), de papeteries (mercure), d’usines de fabrication de chlore (mercure) et d’usines métallurgiques,
● des épandages sur les sols agricoles d’oligo-élément ou de boues résiduelles de stations d’épuration,
● des rejets sidérurgiques (fer, manganèse, chrome,..),
● des retombées des poussières atmosphériques émises lors de l’incinération de déchets (mercure), de la combustion d’essence automobile (plomb) et des poussières de minerais de fer (fer, manganèse),
● des rejets domestiques (nickel),
● du ruissellement des eaux de pluie sur les toitures et les routes (zinc, cuivre, plomb).
Cette pollution représente un problème particulier, car les métaux ne sont pas biodégradables. En outre, tout au long de la chaîne alimentaire, certains se concentrent dans les organismes vivants. Ils peuvent ainsi atteindre des taux très élevés dans certaines espèces consommées par l’homme, comme les poissons. Cette bioaccumulation explique leur danger [12]. Même de petites (mesurées en µg/L) sont souvent compensées par un effet de volume, compte tenu de l’importance des débits d’eau [13]. Il est donc fondamental de s’efforcer de réduire la concentration des polluants métalliques. L’accident de Minamata (Japon) constitue un cas tristement célèbre d’intoxication au diméthylmercure. Il a en effet entraîné la mort de plusieurs dizaines de personnes et de graves séquelles pour de nombreux enfants ayant consommé des poissons contaminés.
La pollution des eaux par les composés organiques
La pollution des eaux par les composés organiques de synthèse s’est accrue au cours des dernières décennies, notamment sous l’effet du développement de l’activité agricole. La présence de concentrations trop élevées de pesticides dans certaines ressources complique, comme dans le cas des nitrates, les processus de production de l’eau potable. Par ailleurs, ces substances peuvent s’accumuler au fil de la chaîne alimentaire. Le cas le plus fréquent dans la contamination des eaux par des substances organiques est la décharge non contrôlée [14].
Les hydrocarbures
Cette pollution est très dangereuse pour l’homme et son environnement, vu la diversité et la toxicité des éléments appartenant à cette grande famille d’hydrocarbure. Durant la guerre du golf 90/91, la pollution par des hydrocarbures a engendré une énorme catastrophe environnementale dans la zone désertique du Koweït, par la formation des lacs de pétrole. Ce bouleversement environnemental a provoqué la contamination non seulement des eaux mais aussi des sédiments [15]. Dans le même contexte M. Jarjoui et al. [16], ont montré que la présence des hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP), possédant une activité cancérigène dans les eaux souterraines au nord de la France. Ce constat a permis aux autorités adéquates de prendre en charge cette contamination. Heureusement pour l’humanité que des investigations et des études environnementales sont en cour de réalisation.
|
Table des matières
Introduction générale
Chapitre 1 : partie bibliographique
1. Etude bibliographique
1.1 L’eau et la pollution
1.1.1 Les principaux types de polluants
1.1.1.1 Les matières organiques fermentescibles
1.1.1.2 Les éléments minéraux nutritifs
1.1.1.3 Les cations métalliques
1.1.1.4 La pollution des eaux par les composés organiques
1.1.1.5 Les hydrocarbures
1.1.2 Les différents types de pollution
1.1.2.1 La pollution domestique et urbaine
1.1.2.2 La pollution industrielle
1.1.2.3 La pollution d’origine agricole
1.1.2.4 La pollution naturelle
1.1.2.5 La pollution d’origine atmosphérique
1.1.3 Les effets de la pollution
1.1.3.1 Les conséquences sanitaires
1.1.3.2 Les conséquences écologiques
1.1.3.3 Les conséquences économiques
1.2 Les métaux lourds
1.2.2 Nickel
1.2.2.1 Fiche technique
1.2.2.2 Impact sur la santé
1.2.2.3 Impact sur l’environnement
1.2.3 Manganèse
1.2.3.1 Fiche technique
1.2.3.2 Effets sur la santé
1.2.3.3 Impact sur l’environnement
1.2.4 Plomb
1.2.4.1 Fiche technique
1.2.4.2 Effet du plomb sur la santé
1.2.4.3 Effets du plomb sur l’environnement
1.3 La dépollution des eaux chargées en métaux toxiques
1.3.2 La précipitation chimique
1.3.3 Coagulation-floculation
1.3.4 L’osmose inverse
1.3.5 L’échange d’ions
1.3.6 L’électrolyse
1.3.7 L’électrodéposition
1.3.8 L’électrocoagulation
1.3.9 L’extraction liquide -liquide
1.3.10 La microfiltration
1.3.11 L’ultrafiltration
1.3.12 l’électrodialyse
1.4 l’adsorption
1.4.2 L’adsorption chimique
1.4.3 L’adsorption physique
1.4.4 L’adsorbant : structure poreuse et surface spécifique
1.4.4.1 Micropores, mésopores et macropores
1.4.4.2 La surface spécifique des adsorbants
1.4.4.3 Les différents processus de transport dans les adsorbants
1.4.4.4 Transfert de masse externe (diffusion externe)
1.4.4.5 Transfert de masse interne dans les pores (diffusion interne)
1.4.4.5.1 Système gaz
1.4.4.5.2 Un système liquide
1.4.4.6 Diffusion de surface
1.4.4.6.1 Transfert externe est dominant
1.4.4.6.2 Diffusion de surface est dominante
1.4.4.6.3 Diffusion dans les pores est dominante
1.4.5 Les principaux adsorbants
1.4.5.1 Charbons actifs
1.4.5.2 Zéolites
1.4.5.3 Gels de silice
1.4.5.4 Alumines activées
1.4.5.5 Adsorbants à base de polymères
1.5 Les techniques d’étude de l’élimination des cations métalliques
1.5.2 Les études cinétiques en réacteur discontinu
1.5.3 Les isothermes de sorption
1.5.3.1 Représentation graphique d’une isotherme d’adsorption
1.5.3.2 Modèles mathématiques en corps pur
1.5.3.2.1 Le modèle de Freundlich
1.5.3.2.2 Le modèle de Langmuir
1.5.3.2.3 Isothermes d’adsorption en mélange
1.5.3.2.4 Types d’isothermes en mélange
1.5.3.2.5 Modèles mono-soluté étendus en modèles multi-solutés
1.5.3.2.5.1 Modèle de FREUNDLICH étendu
1.5.3.2.5.2 Modèle de LANGMUIR généralisé
1.5.3.2.5.3 Modèles étendus pour toutes isothermes
1.5.3.2.5.4 Modèles pour l’adsorption compétitive « IAST »
1.6 Les argiles
1.6.2 Etude microstructurale
1.6.3 Structure des argiles
1.6.3.1 Les Kaolinites
1.6.3.2 Les Illites
1.6.3.3 Les Smectites
1.6.4 Texture des argiles
1.6.5 Capacité d’échange cationique
1.7 Le kaolin
1.7.2 Structure minéralogique de la kaolinite
1.7.2.1 Morphologie
1.7.2.2 Composition chimique
1.7.3 Nature des liaisons
1.7.3.1 La liaison covalente ou liaison par électrons partagés
1.7.3.2 La liaison ionique
1.7.3.3 La liaison à caractère ionique partielle ou covalente polarisée
1.7.3.4 L’électronégativité
1.7.4 Défauts et cristallinité
1.7.4.1 Les défauts
1.7.4.2 La cristallinité
1.7.5 Propriétés acido/basiques des surfaces
1.8 Conclusion
Références bibliographiques
Chapitre II : partie expérimentale
2.1 Préparation de l’adsorbant
2.1.1 Etape préliminaire
2.1.2 Purification
2.1.3 Séchage
2.1.4 Préparation de l’échantillon
2.2 Méthodes de caractérisation du solide
2.2.1 Caractérisation par fluorescence X (FRX)
2.2.1.1 Préparation de l’échantillon 67
2.2.1.2 Analyse par fluorescence X (FRX)
2.2.2 Caractérisation par diffraction X (DRX)
2.2.2.1 Préparation de l’échantillon
2.2.2.2 Analyse par diffraction des rayons X (DRX)
2.2.3 Caractérisation par infrarouge
2.2.3.1 Préparation de l’échantillon
2.2.3.2 Analyse par infrarouge
2.2.4 Analyse thermique différentielle
2.2.5 Surface spécifique B.E.T.
2.3 Dosage des cations métalliques
2.3.1 Spectrométrie d’adsorption atomique
2.3.1.1 Dosage des métaux lourds
2.3.1.1.1 Principe
2.3.1.1.2 Réactifs
2.3.1.2 Appareillages
2.3.1.3 Appareillages
2.3.1.4 Mode opératoire
2.3.1.4.1 Préparation des solutions d’étalonnage
2.3.1.4.2 Mesures
2.3.1.4.3 Essais de contrôle
2.4 Protocoles expérimentaux
2.4.1 Dispositif expérimental
2.4.2 Cinétique d’adsorption
2.4.3 Isothermes d’adsorption
2.4.4 L’adsorption du mélange binaire sur le kaolin
Références bibliographiques
Chapitre III : traitement de résultats
3.1 Introduction
3.2 Caractérisation du solide
3.2.1 Composition chimique
3.2.2 Analyse thermique différentielle
3.2.3 Analyse par infra-rouge
3.2.4 Caractérisation par microscope à balayage électronique MEB
3.2.5 Caractérisation par diffraction x
3.2.6 Surface spécifique BET
3.2.7 Composition approchée du kaolin
3.2.8 Détermination du point de charge zéro
3.3 Procédé d’élimination du nickel, manganèse et plomb
3.3.1 Détermination du temps d’équilibre
3.3.2 Optimisation des paramètres influençant
3.3.2.1 Influence de la vitesse d’agitation
3.3.2.1.1 Adsorption du nickel
3.3.2.1.2 Adsorption de manganèse
3.3.2.1.3 Adsorption du plomb
3.3.2.2 Influence du pH
3.3.2.2.1 Adsorption du nickel
3.3.2.2.2 Adsorption du manganèse
3.3.2.2.3 Adsorption du plomb
3.3.2.3 Influence de la température
3.3.2.3.1 Adsorption du nickel
3.3.2.3.2 Adsorption du manganèse
3.3.2.3.3 Adsorption du plomb
3.3.2.4 Influence de la granulométrie
3.3.2.4.1 Adsorption du nickel
3.3.2.4.2 Adsorption du manganèse
3.3.2.4.3 Adsorption du plomb
3.3.2.5 Effet de l’activation chimique du kaolin
3.3.3 Détermination de la capacité maximale
3.3.4 Isothermes d’adsorption
3.3.4.1 Modélisation
3.3.4.1.1 Cas du nickel
3.3.4.1.2 Cas du manganèse
3.3.4.1.3 Cas du plomb
3.3.4.2 Les isothermes d’adsorptions
3.3.4.3 Détermination de la qualité de l’adsorption
3.3.5 Cinétique de sorption : Détermination de l’ordre de la réaction
3.3.5.1 Pseudo premier ordre
3.3.5.2 Pseudo second ordre
3.3.6 Détermination des étapes limitantes
3.3.6.1 Transport externe
3.3.6.2 Transport interne
3.3.7 Détermination des domaines limités par la diffusion
3.3.7.1 Diffusion externe
3.3.7.1.1 Domaine de régime cinétique
3.3.7.1.2 Domaine de régime diffusionnel
3.3.7.2 Diffusion interne
3.3.8 Détermination de l’énergie d’activation
3.4 Étude thermodynamique
3.4.1 Détermination des constantes thermodynamiques (b) de l’équation de Langmuir première version à différentes températures
3.4.1.1 Effet de la concentration initiale à 30 et 40°C
3.4.1.2 Présentation du modèle de Langmuir à 30 et 40°C
3.4.1.2.1 Cas de l’adsorption du nickel
3.4.1.2.2 Cas de l’adsorption du manganèse
3.4.1.2.3 Cas de l’adsorption du plomb
3.4.2 Détermination des paramètres thermodynamiques
3.5 Adsorption du mélange a proportion égale sur le kaolin
3.5.1 Etude cinétique et mesure du temps d’équilibre
3.5.2 Effet de la concertation initiale pour un mélange binaire
3.5.3 Isotherme d’adsorption du mélange binaire
3.5.4 Modélisation des isothermes d’adsorption du mélange binaire
3.5.4.1 Modèle de Langmuir généralisé
3.5.4.2 Théorie de la solution adsorbée idéale (I.A.S.T.)
3.6 Conclusion
Référence bibliographique
Conclusion générale
Annexes
