Chapitre IV : adsorption de l’uranium aqueux en conditions
IV. 2.1) Courbes de percées
L’adsorption de U(VI) a été étudiée en conditions dynamiques sur les matériaux SBA-15-N2C1, Si-rod-N2C1 et AR6200 comme le montre la figure IV.3 avec des conditions expérimentales reportées dans le tableau IV.2.
Figure IV.3. Colonnes utilisées pour l’adsorption de U(VI) en conditions dynamiques, avant
adsorption : A) SBA-15-N2C1 B) AR6200 C) Si-rod-N2C1 non broyé (non grinded).
Tableau IV.2. Conditions expérimentales et données issues de l’adsorption de U(VI) à partir
de l’eau de Bellezane en condition dynamique.
Matériaux [U]i (mg.L-1) Masse d’adsorbant (mg) Diamètre lit (cm) Hauteur lit (cm) Volume lit (cm3) SBA-15-N2C1 0.35 500 0.7 4 1.5 Si-rod-N2C1 non broyé (non grinded) 0.16 5000 1.5 10.3 18.2 Si-rod-N2C1 broyé (grinded) 0,34 900 0,7 8,5 3,3 AR6200 0.24 900 0.7 7 2.7
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Les courbes de percées obtenues lors des expériences d’adsorption de U(VI) en conditions dynamiques sur les différents matériaux à partir de l’eau de Bellezane, réalisées à pH = 6, sont présentées dans la figure IV.4.A. Ces courbes de percées présentent à la fois les points expérimentaux et les points issus de la modélisation (voir méthode : section II.5.3) (trait en tirets). Compte tenu des fortes différences de capacités massiques d’adsorption des différents matériaux, de la faible concentration en uranium des eaux analysées, les conditions expérimentales ont dues être ajustées pour chaque matériau. Ainsi, les masses d’adsorbant utilisées et par conséquent les longueurs de colonne, de même que la concentration initiale en uranium varient d’une expérience à une autre. Seul le débit dans la colonne reste constant et est égal à 0,8 mL/min. Les courbes de percées présentées dans la figure IV.4.A, présentent le rapport de la concentration mesurée en U(VI) aqueux divisée par la concentration aqueuse initiale en U(VI) (C/C0), en fonction du volume de solution élué (v). Notons que ces courbes sont difficilement comparables compte tenu des différences dans les conditions expérimentales. Aussi, les résultats ont été normalisés par rapport à la masse d’uranium engagé par gramme d’adsorbant. Les courbes obtenues ainsi que les données issues de la modélisation des courbes de percées compte tenu de cette normalisation sont présentées dans la figure IV.4.B et le tableau IV.4.
L’adsorption de U(VI) a été réalisée sur Si-rod-N2C1 à la fois sous forme d’extrudés non broyés (Si-rod-N2C1 (non grinded)) et sous forme broyés (Si-rod-N2C1 (grinded)). En effet, la capacité d’adsorption obtenue avec Si-rod-N2C1 non broyé (non grinded) est beaucoup plus faible par rapport aux autres solides car le perçage est très rapide. La valeur observée de μ1 (moment où C/C0 = 0,5) pour Si-rod-N2C1 non broyé (non grinded) est sensiblement plus faible que celles de tous les autres matériaux testés. Cette faible capacité d’adsorption est sans doute due à la présence importante de vide dans la colonne liée à la trop grande taille des extrudés pour le diamètre de colonne utilisé, qui n’est visiblement pas adaptée à l’utilisation de ces extrudés (figure IV.3). Le broyage et tamisage des échantillons entre 0,2-0,4 mm vont permettre de s’affranchir des problèmes de dimensionnement sans pour autant modifier les caractéristiques d’adsorption de l’échantillon. Ainsi, après broyage et tamisage, la courbe de percée de l’échantillon Si-rod-N2C1 broyé (grinded) devient comparable aux autres montrant que le vide entre les extrudés est bien responsable de la plus faible capacité d’adsorption observée pour l’échantillon Si-rod-N2C1 non broyé (non grinded). Les courbes expérimentales obtenues sont correctement reproduites par le modèle cinétique décrit dans la partie expérimentale. Les capacités d’adsorption déterminées par intégration des courbes de percée (partie II.5.3) et les temps de percée à C/C0 = 0,05 sont reportées dans le tableau IV.3.
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Figure IV.4. Courbes de percées obtenues pour l’adsorption de U(VI) à partir de l’eau de
Bellezane à pH 6 sur les différents adsorbants en condition dynamique. A) C/C0 en fonction du volume élué. B) C/C0 en fonction du rapport de la masse en uranium engagée sur la masse d’adsorbant. Conditions : pH = 6, débit : 0,8 mL.min-1, diamètre colonne : SBA-15-N2C1/Si-rod-N2C1 broyé (grinded)/AR6200 = 0,7 cm – Si-rod-N2C1 non broyé (non grinded) = 1,5 cm ; masse adsorbants : mSBA-15-N2C1 = 500 mg - mSi-rod-N2C1 broyé(grinded) = 900 mg - mAR6200
= 900 mg – mSi-rod-N2C1 non broyé(non grinded) = 5000 mg.
Les capacités d’adsorption obtenues pour AR6200 et Si-rod-N2C1 broyé sont relativement proches. Néanmoins, le temps de percée est beaucoup plus grand pour Si-rod-N2C1 broyé que pour la résine AR6200, comme le montre à la fois la plus forte valeur de μ1
observée pour Si-rod-N2C1 broyé (grinded) mais également la plus grande masse d’uranium engagée par masse d’adsorbant lorsque C/C0 = 0,05 (paramètre caractérisant le moment du début du perçage). En comparant les valeurs de σ² des échantillons Si-rod-N2C1 broyé (grinded) et AR6200, qui est une donnée relative à l’étalement du front de percée (pente de la courbe verticale), il est observé que le front de percée est beaucoup plus étalé pour AR6200, avec une valeur de σ² plus forte, que pour Si-rod-N2C1 broyé (grinded). Ceci montre que le perçage s’étend sur des temps plus longs après C/C0 = 0,05 pour AR6200, signifiant
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une plus grande dispersion des espèces uranyles dans la colonne, et donc une adsorption de U(VI) moins favorable par la résine par rapport à Si-rod-N2C1 broyé (grinded). Enfin, la capacité d’adsorption et le temps de percée les plus élevés sont obtenus pour l’échantillon SBA-15-N2C1. La plus forte capacité d’adsorption de U(VI) pour SBA-15-N2C1 par rapport à Si-rod-N2C1 est certainement liée à la plus grande proportion de fonctions greffées sur la SBA-15-N2C1. Pour vérifier cette hypothèse, les données des courbes de percées des solides SBA-15-N2C1 et Si-rod-N2C1 ont été normalisées par rapport à la masse d’uranium engagée, la masse d’adsorbant et la teneur de fonctions –NH2 greffées, étant donné que les deux matériaux ne possèdent pas la même surface spécifique à l’origine. Ces données sont présentées dans la figure IV.5. Les courbes obtenues sont très proches, démontrant que la teneur de fonctions greffées –NH2 influe fortement sur l’adsorption de U(VI) pour ces deux matériaux. De ce fait, il est sans doute possible d’obtenir des capacités d’adsorption similaires pour ces deux matériaux si le même nombre de fonctions –NH2 sont mis en jeu. De plus, les profils des deux courbes de percée sont néanmoins différents. En effet, l’échantillon Si-rod-N2C1 présente un front de percée beaucoup moins étalé par une valeur σ² de plus faible, par rapport à la SBA-15-N2C1, indiquant une moins grande dispersion des espèces uranyles dans la colonne.
Tableau IV.3. Paramètres expérimentaux issues de la modélisation des courbes de percées
de l’adsorption de U(VI) sur différents matériaux à partir de l’eau de Bellezane en condition dynamique. Matériaux μ1 (mg U engagé / mg adsorbant) σ² mU engagé / m adsorbant à C/C0 = 0,05 (mgU.mg-1) Capacités d’adsorption (mg U.g-1) SBA-15-N2C1 6,27.10-3 3,06.106 4,1.10-3 6.1 Si-rod-N2C1 non broyé (non grinded) 1,71.10-4 2,89.106 7,3.10-5 0.2 Si-rod-N2C1 broyé (grinded) 2,9.10-3 6,4.105 2,4.10-3 2,9 AR6200 3,6.10-3 2,025.107 1,5.10-3 2,8
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Figure IV.5. Courbes de percées obtenues lors de l’adsorption de U(VI) à partir de l’eau de
Bellezane à pH = 6, sur SBA-15-N2C1 et Si-rod-N2C1 broyé (grinded) en condition dynamique. Ces courbes sont normalisées en fonction de la masse d’uranium engagée, la masse d’adsorbant et la teneur de fonctions –NH2 greffées.