Caractérisation chimique des feutres de carbone

2.2.1 Montage expérimental

Dans ce chapitre, les propriétés de sorption des différents feutres sont évaluées en mode opératoire du type « batch ». Dans ce cas, la solution circule en circuit fermé avec une boucle de recirculation. Le montage expérimental est présenté à la Figure 35. Il consiste à placer deux disques de feutre de 25 mm de diamètre, 2 mm d’épaisseur (chacun) et de masse totale définie (environ 0,15 g) dans un porte-feutre en polypropylène (SWINNEX®

25MM). Une pompe péristaltique ISMATEC^® et des tuyaux en PVC (Tygon^®) permettent la circulation de la solution au travers des feutres à un débit de 0,33 L.h^-1.

Figure 35 – Montage expérimental pour les essais en « batch ». a) Assemblage porte-feutre et feutres de carbone ; b) Assemblage porte-feutre et flacon réactionnel ; c) Assemblage avec pompe péristaltique multicanaux.

Préalablement aux tests de caractérisation chimique (cinétiques et isothermes), les feutres de carbone sont lavés (en circuit ouvert) par 0,2 L (pour les feutres non greffés) ou 0,3 L (pour les feutres greffés) d’acide nitrique à 10-2 mol.L^-1 puis 0,2 L de soude à 5.10^-4 mol.L^-1. Ceci est complété par un rinçage à l’eau osmosée (environ 0,3 L) jusqu'à ce qu'il n'y ait plus de différence entre le pH de l'eau issue du rinçage et celui de l’eau osmosée.

Toutes les expériences de sorption ont été réalisées avec des solutions synthétiques, non désaérés et préparées avec de l’eau Milli Q (15 MΩ) et réactifs issus de Sigma-Aldrich (pureté ACS « reagent grade »). Le pH initial des solutions est ajusté en fonction de l’expérience, mais en aucun cas n’est supérieur à 8. L’objectif est d’éviter la précipitation du Co²⁺ et du Ni²⁺ sous la forme d’hydroxydes.

Afin de vérifier qu’il n’y avait pas de limitation convective, le fonctionnement du montage expérimental a été vérifié par deux expériences effectuées en conditions identiques avec deux montages différents. L’une a utilisé le montage porte feutre et l’autre un montage où le feutre de carbone a été mis en suspension sous forme broyée et agité en permanence (batch en agitation par barreau aimanté). L’obtention de résultats similaires (voir Figure 36) signale l’absence de problèmes hydrodynamiques dans le montage porte-feutre.

Figure 36 – Comparaison des résultats de cinétique pour le montage porte feutre () et batch en agitation ().

2.2.2 Cinétique

Les tests de cinétique (§ 3.2.1) sont réalisés sur des échantillons des quatre types de feutres de carbone, avec 50 mL de solution de concentration initiale en Co²⁺ de 80 ou 5 mg.L^-1 (soit 1,43x10^-3 M et 7,8x10^-5 M) et une concentration fixe en nitrate de sodium de 0,2 M. Le pH initial est de 5,8. Les expériences de cinétique sont effectuées en mode batch et arrêtées à des temps différents, de 5 minutes à 3 h. L’utilisation de la pompe multicanaux permet de retirer les flacons un à un aux temps désirés sans que les autres ne soient perturbés. Après contact avec le feutre, la solution est prélevée et analysée par ICP-AES.

La détermination de la concentration de la solution avant et après contact avec le feutre permet de déterminer la quantité de l’espèce adsorbée par le matériau (Q) suivant l’équation III.1. La variation de Q en fonction du temps est étudiée par les modèles de pseudo-ordre et de diffusion intra-particulaire décrits en § 1.2.

2.2.3 Isothermes de sorption

Les isothermes de sorption non compétitives (§ 3.2.2) ont été étudiées sur chacun des quatre types de feutres de carbone. Le mode opératoire consiste à faire circuler (en mode batch) 50 mL d’une solution à pH naturel, composée d’une matrice de NaNO₃ à 0,2 mol.L^-1 et un cation métallique M²⁺ (M²⁺ = Co²⁺, Ni²⁺ ou Sr²⁺) en concentrations initiales variables entre 1,5x10^-5 mol.L^-1 et 3,0 x10^-3 mol.L^-1 (1 à 250 mg.L^-1). Le montage porte-feutre sur pompe multicanaux a été utilisé, pendant une durée de 2 heures à température ambiante (environ 25°C). Les essais de sorption du Co²⁺ en fonction du pH ainsi que les isothermes de sorption de cet ion à pH 2 et pH 7 ont été obtenus pour le feutre de carbone du type FNG

suivant le mode opératoire décrit précédemment. L’ajustement du pH des solutions est fait avec du HNO₃ ou du NaOH.

Les isothermes de sorption compétitives ont été obtenues pour les feutres de carbone du type FNG et FC 2. La matrice de base contient du NaNO₃ à 0,2 mol.L^-1.et des mélanges équimolaires de Co²⁺, Ni²⁺ et Sr²⁺ ou Co²⁺ et Ni²⁺ en concentrations initiales variables entre 1,5x10^-5 mol.L^-1 et 3,0 x10^-3 mol.L^-1. La durée de l’expérience a été également fixée à 2 heures.

Dans tous les essais, le pH des solutions a été mesuré initialement ainsi qu’en fin d’expérience. Les concentrations initiales et finales en cations métalliques en solution ont été déterminées par ICP-AES (les solutions de concentration supérieure à 80 mg.L^-1 ont été filtrées avant d’être analysées) et les quantités de cations sorbés sur le feutre ont été calculées à partir de l’équation III.1. Les résultats des essais de sorption non compétitive et compétitive sont respectivement interprétés par les modèles de Langmuir/Freundlich et SRS présentés en §1.3.

2.2.4 Analyses

Les analyses ICP-AES ont été réalisées sur un spectromètre ICP Thermo Scientific iCAP 6000 Series. La valeur de la concentration de chaque échantillon est issue d’une moyenne de trois répétitions effectuées à chaque analyse. L’étalonnage de l’appareil est fait sur 5 points (0 ; 2,5 ; 5 ; 7,5 et 10 mg.L^-1) dans une matrice identique à celle des échantillons. Les étalons sont réalisés avec des solutions étalons pour ICP, Fluka Analytical, Cobalt/Nickel/Strontium Standard for ICP 1000 mg.L^-1 ± 2 mg.L^-1, Sigma-Aldrich. Les raies analysées pour la mesure des concentrations en cobalt, nickel et strontium sont les raies Co2286, Ni2216 et Sr3464. Ces raies ne présentent aucune interférence avec d’autres éléments en solution^iv. L’analyse par ICP permet la mesure de concentrations cationiques comprises entre 0 et 10 mg.L^-1, avec une précision de 0,01 mg.L^-1. Pour des concentrations supérieures, l’échantillon est dilué avant analyse.

Le pHmètre (Mettler-Toledo AG) est étalonné régulièrement par des solutions destinées à cette fin. La balance (Explorer Pro OHAUS) permet la pesée des sels à 0,1 mg près.

3. Résultats et discussion