Chapitre 2 : Matériels et méthodes
2.3. Les composés anioniques 1. Nature des anions
2.4.1 Adsorption en batch
2.4.1.1. Cinétique d’adsorption
Protocole
Les expériences sur la cinétique d’adsorption ont été réalisées à température ambiante pour différents anions et le pH est fixé par l’ajout d’une solution de NaOH (0,1 M) ou d’HCl (0,5 M). Une quantité fixée de l’adsorbant choisi (0,10 ± 0,01 g de matériaux brut ou 2,0 ± 0,1 g des billes humides) est ajoutée dans la solution d’anions. La solution est agitée à 200 coups.min-1 sur une table d’agitation, et les mesures sont effectuées après filtration à 0,45 μm à différents temps de contact : 5 min, 15 min, 30 min, 1 h, 2 h, 4 h, 6 h, 8 h, 10 h et 24 h.
Les différentes conditions pour l’étude cinétique d’adsorption des différents anions sont détaillées dans le Tableau 2.2.
Chapitre 2 : Matériels et méthodes
57 Tableau 2.2 : Conditions générale de la cinétique d’adsorption des anions différents sur les
matériaux à base d’HDL et/ou ferrihydrite (Fh).
Anion Base d’adsorbants Concentration (mg.L-1) Concentration (mmol.L-1) pH initial MO HDL 200 0,61 5,5±0,2 Fh 0.61 ASA HDL 200 1,44 7,0±0,2 Fh 4,5±0,2 Phosphate HDL 100 mgP.L-1 3,23 mmolP.L-1 7,0±0,2 Fh 4,5±0,2 Chromate Fh 53 mgCr.L-1 1,02 mmolCr.L-1 4,5±0,2
Arséniate Fh 72 mgAs.L-1 0,96 mmolAs.L-1 4,5±0,2
Effet de quelques paramètres sur la cinétique
Les effets de différents paramètres sur la cinétique d’adsorption du MO sont effectués en utilisant une concentration du MO de 200 mg.L-1.
L'influence du diamètre des billes a été réalisées sur deux diamètres différents de billes HDL (BNENHDL,2,9-Ca et BNENHDL,4,9-Ca). L’effet des ions réticulant (Ca2+ et Ba2+) est étudié sur les billes HDL (BNENHDL-Ca, BNENHDL-Ba) et ferrihydrite (BNENFh-Ca et BNENHDL-Ba).
L’effet du pH sur la quantité d’adsorption du phosphate, chromate et l’arséniate a été évalué sur la ferrihydrite. Le domaine du pH effectué est entre 2 à 9.
2.4.1.2. Isotherme d’adsorption Protocole
Les isothermes d’adsorption décrivent la quantité de polluant adsorbée à l’équilibre sur l’adsorbant (qe : mg.g-1) en fonction de la concentration résidue du polluant dans la solution (Ce : mg.L-1). Les études concernant les isothermes d’adsorption des différents
Chapitre 2 : Matériels et méthodes
58 anions ont été réalisées à température ambiante. Un volume de 100 ml de solution du polluant de concentration différente est introduit dans une série de flacon en plastique de 250 ml. Une masse de 2,0 ± 0,1 g de billes humides ou 0,10 ± 0,01 g des matériaux brut est ajoutée à chaque solution anionique. Les flacons fermés sont placés sur une table d’agitation et agités à 200 coups.min-1 pendant un temps de contact nécessaire à l’équilibre. Après 24 h d’adsorption, les solutions sont ensuite filtrées à 0.45 μm et analysés par spectroscopie UV.
Les différentes conditions expérimentales des isothermes d’adsorption de chaque anion sur l’HDL et/ou ferrihydrite sont précisées dans le Tableau 2.3.
Tableau 2.3 : Conditions d’adsorption de différents polluants
Polluant Adsorbants Concentration (mg.L-1) Concentration (mmol.L-1) pH MO HDL 0-1000 0-3,1 5,5±0,2 Fh 0-500 0-1,5 ASA HDL 0-800 0-5,8 7,0±0,5 Fh 4,5±0,5 Phosphate HDL 0-500 mgP.L-1 0-16,1 mmolP.L-1 7,0±0,5 Fh 4,5±0,5 Chromate Fh 0-180 mgCr.L-1 0-3,5 mmolCr.L-1 4,5±0,5
Arséniate Fh 0-120 mgAs.L-1 0-1,6 mmolAs.L-1 4,5±0,5
Effets de quelques paramètres
Comme les études de cinétique, les différentes conditions d’adsorption des anions sur chaque matériau sont assemblées dans le Tableau 2.3. Les différents facteurs sont étudiés sur des matériaux et des anions différents le Tableau 2.4 regoupe les conditions retenues.
Chapitre 2 : Matériels et méthodes
59 Tableau 2.4 : Récapitulatif des paramètres étudiés
Base de matériau Effet étudié Adsorbants utilisés Anions utilisés
HDL
Rapport Mg/Al L1 à L4
MO
Calcination L3 ; CHDL
Rapport HDL/AS Billes HDL/AS de 1 à 4 Macroporosité BNENHDL-Ba ; BPSIHDL-Ba
Réticulant BNENHDL-Ca ; BNENHDL-Ba
HDL et Fh Matériau brut HDL ; Ferrihydrite ASA ; phosphate
Fh
Réticulant BNENFh-Ca ; BNENFh-Ba MO
pH Ferrihydrite Phosphate ; chromate ; arséniate
Macroporosité BNENFh-Ba ; BPENFh-Ba
MO ; ASA ; phosphate ; chromate ; arséniate Mode de synthèse BN/BPENFh-Ba ; BN/BPSIFh-Ba
2.4.1.3. Calcul des quantités adsorbées
Toutes les valeurs de quantités adsorbées seront représentées en mg.g-1 de matériau contenu dans le gel (Equation 2.1):
qe = (𝐶0−𝐶𝑒).𝑉𝑠𝑜𝑙
𝑚𝑎𝑑𝑠𝑜𝑟𝑏𝑎𝑛𝑡𝑑𝑎𝑛𝑠𝑙𝑒𝑔𝑒𝑙 Eq 2.1
2.4.1.4. Adsorption multicomposés
Les isothermes d’adsorption en mélange ont été effectuées pour différents rapports entre deux anions organiques ou inorganiques. Les deux anions organiques utilisés sont le méthyl orange et l’acide salicylique, avec des rapports massiques de MO/ASA en 1/1, 2/1 et 1/2 qui correspondent à des rapports molaires de 2,3, 4,7 et 1,2. Les deux anions inorganiques choisis sont les anions chromates et arséniates avec des rapports molaires Cr/As de 1/1, 2/1.
Chapitre 2 : Matériels et méthodes
60 2.4.2. Mise en œuvre en réacteur ouvert
L’adsorption du méthyl orange en dynamique est réalisée dans une colonne filtrante. Les colonnes utilisées sont de forme cylindrique avec un diamètre interne de 2,5 cm. La solution est introduite en flux ascendant. La colonne est préalablement remplie de billes sur une hauteur (H) de 15 ou 30 cm. Les parties restantes sont complétées par des billes en verre. Les débits d'alimentation sont réglés et maintenus constants pendant toute la durée de l’expérience à l’aide d’une pompe péristaltique. Les solutions sont récupérées périodiquement à la sortie de la colonne à l’aide d’un collecteur à des intervalles de temps constants. Les échantillons sont ensuite analysés par spectrophotomérie UV-visible à une longueur d’onde λmax= 465 nm. Le montage expérimental utilisé est présenté sur la Figure 2.5.
Figure 2.5 : Montage expérimental de l’adsorption dynamique du méthyl orange sur un réacteur fixe à base de billes gélifiées.
Dans cette partie, l’influence de la vitesse d’alimentation, la hauteur du lit et la concentration initiale a été étudiée selon le même protocole. Trois valeurs différentes sont utilisées pour l’étude de chaque paramètre. Les débits d’alimentation (Q) choisis sont 0,015 ; 0,025 et 0,05 L.h-1, soit une vitesse (v) de 0,03 ; 0,05 et 0,1 m.h-1. Les différentes hauteurs utilisées sont 15 ; 20 et 30 cm et la concentration initiale (C0) est de 5 ; 7,5 et 10 mg.L-1 pour les billes HDL/alginate et de 10 ; 15 et 20 mg.L-1 pour les billes ferrihydrite/alginate. La porosité du lit a été estimée par ajout d’eau dans la colonne contenant les billes, et le volume de l’eau ajouté est considéré comme le volume de pores (Vp). La porosité (Vp/VT) est ensuite déterminée (VT = volume total du réacteur).
Chapitre 2 : Matériels et méthodes
61 2.4.3. Réversibilité de l’adsorption du MO sur BPENFh-Ba
La désorption du MO avec de l’eau ou une solution de NH4Cl (500 mg.L-1) a été étudiée sur les matériaux BPENFh-Ba ayant préalablement adsorbé du méthyl orange. La concentration initiale en MO utilisé pour charger BPENFh-Ba est de 100, 150, 200, 300 et 400 mg.L-1. Les BPENFh-Ba après l’étape d’adsorption sont filtrées et lavées avant de passer à l’étape de désorption. La solution de désorption a été prélevée et analysée par spectroscopie visible pour des temps de réaction compris entre 0 à 1440 min afin d’obtenir la cinétique de désorption du MO.
Les adsorbants après l’étape de la désorption sont récupérés et réutilisés pour une nouvelle étape d’adsorption. La concentration du MO utilisé est toujours de 100, 150, 200, 300 et 400 mg.L-1. Le cycle désorption/réadorption est ensuite répété 3 fois avec les mêmes conditions expérimentales (Figure 2.6).
Figure 2.6 : Démarche de la désorption du MO sur BPENFh-Ba.