Nous représentons sur la figure V.9 l’évolution de la quantité de colorant adsorbée à l’équilibre, Qe, en fonction de Ce Les courbessont obtenues à partir des différentes
suspensions pour différentes tailles de sable et par site afin de comparer l’efficacité des adsorbants de chaque site pour chaque granulométrie.
Figure V.9 Evolution de la quantité de colorant, Qe, en fonction de la concentration
Ce en colorant à l’équilibre dans l’eau pour les sables de granulométries variables
Les résultats d’adsorption obtenus indiquent pour chaque échantillon que la capacité d’adsorption augmente avec la concentration initiale du colorant. Cette augmentation tend vers une limite résultant de la saturation totale des sites d’adsorption des échantillons. Notons que les échelles aux ordonnées sont différentes dans les 4 figures, permettant une meilleure distinction des courbes en fonction du site ou de la granulométrie des sables. Nous remarquons que si l’adsorption du bleu de méthylène a lieu pour tous les sables des différents piézomètres de granulométries (0.2-0.4 ; 0.4-0.6 et 0.6-1mm), elle est supérieure pour les sables du piézomètre 1. Les adsorbances des particules de tailles : 0.2 - 0.4, 0.4 – 0.6; et 0.6 - 1mm sont voisines pour les piézomètres P2, P3, et Oubangui. Par contre, pour les particules de tailles plus élevées (1 – 1.4mm) les adsorbances sont différentes pour tous les sites. L’adsorbance varie selon l’ordre: P1>P2>P3> Oubangui. Les sables du piézomètre 1 se trouvant à l’entrée du dispositif de filtration, ont la possibilité de retenir en plus grande quantité, les substances (matières organiques, et minérales) se trouvant dans l’eau et leur donnant ainsi une capacité d’adsorption plus élevée par rapport aux autres sables dans les piézomètres 2, 3 et 4.
Les capacités d’adsorption du bleu de méthylène. sont donnés pour les différentes tailles par sites dans la Figure V.10
Figure V.10 Evolution de la quantité de colorant, Qe,mg/g en fonction de la
concentration Ce en colorant à l’équilibre dans l’eau pour les sables des différents
sites
Nous remarquons que la capacité d’adsorption augmente si la granulométrie diminue, excepté pour les tailles 0.6-1 et 1-1.4 mm des sables issus du voisinage de P2 et P3 où les capacités sont du même ordre. Il semblerait donc que la capacité d’adsorption ne dépend pas de l’aire spécifique ni du volume poreux, ce qui laisse supposer que l’adsorption se fait à la surface du grain par des adsorbants ne modifiant pas l’aire spécifique. Ce résultat semble en accord avec la coloration plus prononcée des grains de sable.
Les mesures d’adsorption, nous ont permis également de calculer les isothermes de Langmuir et Freundlich comme décrit dans le paragraphe V.4.3.
- V.4.3. Etude des isothermes de Langmuir et Freundlich
o Isotherme de Langmuir
C’est le modèle le plus utilisé pour exploiter les résultats trouvés au cours de l'adsorption des composés minéraux ou organiques. Dans le cas où les données expérimentales suivent les lois de Langmuir, l’adsorption se fait en monocouche et la molécule adsorbée est située sur un site bien défini du matériau adsorbant (adsorption localisée). Chaque site n’est susceptible de fixer qu’une molécule. L’énergie d’adsorption de tous les sites est alors identique et indépendante de la présence de molécules adsorbées sur les sites voisins (surface homogène et pas d’interaction entre les molécules adsorbées). A l’équilibre, l’équation est donnée par (Langmuir, 1915) :
avec Qe la quantité du colorant adsorbée (mg/g) à l’équilibre ; Ce la concentration en
solution à l’équilibre (mg/L) ; Qm la capacité maximale du colorant adsorbé (mg/g) et
KL la constante de Langmuir. Cette équation peut être linéarisée sous la forme :
Le tracé de en fonction de Ce nous permet d’atteindre la constante KL et la quantité
maximale adsorbable Qm.
o Isotherme de Freundlich
D’après Van Bemmelen (1888) et Freundlich(1909), le modèle est basé sur la relation entre la quantité adsorbée Qe à l’équilibre et la concentration dans la solution aqueuse du soluté Ce à l’équilibre :
Qe
= K * C1/navec :
Qe : quantité du soluté adsorbée par unité de masse de l’adsorbant à l’équilibre.
KF : constante de Freundlich associée à la capacité d’adsorption.
n : paramètre énergétique de Freundlich, c’est-à-dire l’affinité du soluté vis-à-vis de l’adsorbant ;
Ce : concentration de l’adsorbat à l’équilibre dans la phase liquide.
Le tracé de log Qe en fonction de log (Ce) permet d’atteindre la constante KF et le
paramètre « n ».
Nous reportons sur la figure V.11 les courbes relatives aux isothermes de Langmuir et Freundlich appliquées à nos différents sables (granulométries comprises entre 0.2 et 0.4 mm) en interaction avec le colorant « bleu de méthylène » dans l’eau.
y = 2,7508x + 1,1614 R² = 0,9978 0 2 4 6 8 10 0 1 2 3 4 C e / Q e (g / l) Ce (mg/l) a) Langmuir piézo3 (0,2-0,4mm) y = 0,1948x - 0,5833 R² = 0,9217 -0,7 -0,6 -0,5 -0,4 -0,3 -0,2 -0,1 0 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 Lo g Q e Log Ce b) Freundlich piézo3 (0,2-0,4mm)
Les coefficients de corrélation R² pour tous les échantillons sont significatifs, ce qui montre que les deux modèles sont représentatifs. Cependant on observe une précision légèrement supérieure en appliquant l’isotherme de Langmuir (R²=0,999- 0,972) Ce dernier semble donc plus représentatif des phénomènes d’adsorption que l’isotherme de Freundlich (R² = 0,999-0,878). Globalement l’exploitation de ces courbes nous a permis d’atteindre les paramètres de Langmuir et Freundlich pour chacun des sables étudiés: c’est-à-dire KF et n pour l’isotherme de Freundlich ; et KL
et Qm pour l’isotherme de Langmuir pour les différents échantillons. Les différents
paramètres sont reportés dans le tableau V.7.
Paramètres de Langmuir Paramètres de Freundlich
Qmax,mg/g KL,L/mg R² KF,mg/g n R² Oubangui 0,2-0,4mm 0,38 3,22 0,9985 0,58 5,14 0,9994 0,4-0,6mm 0,22 2,00 0,9986 0,45 5,88 0,9908 0,6-1mm 0,16 1,43 0,9991 0,38 5,17 0,9952 1-1,4mm 0,11 1,43 0,9942 0,31 5,22 0,9786 >1,4mm 0,10 0,40 0,9999 0,22 1,78 0,9865 Piézomètre1 0,2-0,4mm 0,47 17,66 0,9989 0,70 9,09 0,9726 0,4-0,6mm 0,37 6,65 0,9974 0,59 4,68 0,9778 0,6-1mm 0,32 2,24 0,9975 0,52 4,36 0,9885 1-1,4mm 0,22 1,55 0,9929 0,39 3,01 >1,4mm 0,10 1,46 0,9854 0,29 7,73 0,9548 Piézomètre2 0,2-0,4mm 0,32 3,67 0,9994 0,56 8,13 0,8783 0,4-0,6mm 0,21 2,38 0,9999 0,45 6,82 0,992 0,6-1mm 0,17 1,22 0,9801 0,37 4,71 0,8786 1-1,4mm 0,23 0,51 0,9958 0,33 1,62 0,9906
Figure V.11: Représentation des isothermes de Langmuir et Freundlich des différents
>1,4mm 0,08 1,72 0,9723 0,28 8,30 0,9547 Piézomètre3 0,2-0,4mm 0,36 2,37 0,9978 0,56 5,13 0,9217 0,4-0,6mm 0,31 0,51 0,9749 0,38 2,07 0,9365 0,6-1mm 0,27 0,23 0,989 0,29 1,51 0,9932 1-1,4mm 0,18 0,62 0,9818 0,30 1,77 0,9572 >1,4mm 0,08 2,83 0,9957 0,28 4,71 0,9786
TableauV.7 : Paramètres de Langmuir et Freundlich correspondants à l’adsorption
du bleu de méthylène par les sables de différentes tailles
Nous avons ensuite comparé les valeurs de Qmax, représentant la quantité maximale
adsorbée sur une monocouche à l’équilibre pouvant se fixer sur les particules. Nous remarquons sur l’ensemble des échantillons que la quantité Qmax ainsi que la
constante de Langmuir (KL), diminuent lorsqu’on augmente la taille des particules, ce
qui peut s’interpréter par une diminution de la surface disponible.
Sposito (1980) montre que les isothermes de Freundlich peuvent être utilisées pour caractériser l’hétérogénéité de la surface. Plus le coefficient « n » est proche de 1, plus la surface est homogène. Les valeurs obtenues (entre 2 et 9) révèlent donc une certaine hétérogénéité du matériau.
Pour mieux comparer les résultats, nous avons reporté les valeurs de Qmax des
différents sables dans la figure V.12 en fonction des sites, et en fonction des tailles.
Figure V.12 : Evolution de la quantité Qmax en fonction de l’origine des sables d’une
D’après les résultats illustrés sous la forme d’histogramme sur la figure V.12 (a ; b), nous remarquons pour tous les échantillons que la quantité maximum (Qmax) de bleu
de méthylène adsorbée diminue lorsque la taille des particules augmente. Nous constatons également une forte augmentation de Qmax sur les sables du piézomètre
1 par rapport aux autres, probablement en raison des caractéristiques de ce sable acquise lors du processus de filtration subi par ce matériau durant 1 an et demi (voir chapitre III).
Pour caractériser les sites d’adsorption du bleu de méthylène sur les sables, nous avons testé dans une première étape la possibilité de corrélation entre la quantité maximale fixée Qmax et le fer d’une part, puis entre Qmax et l’aluminium
provenant des argiles d’autre part. Aucune corrélation n’a cependant été détectée entre la quantité maximale (déterminée à partir de l’isotherme de Langmuir), la concentration d’argile et d’hydroxyde de fer fixé
Nous avons dans une seconde étape recherché une possible corrélation entre la quantité maximale du bleu de méthylène adsorbée et le carbone organique provenant à la fois des matières détritiques, acides humiques, etc. (voir Figure V.13)
FigureV.13: Corrélations entre Qmax et la teneur en carbone organique des différents
sables
Comme le montre la figure V.13, nous observons une très bonne corrélation entre la quantité Qmax (relative au bleu de méthylène adsorbée) et le carbone organique
présent dans les sables près des piézomètres 1 et 2 (R² = 0.93 et 0.95). Quoique la quantité de carbone fixée sur les particules du piézomètre1 soit supérieure en raison de sa position à l’entrée du filtre la pente de la droite de corrélation entre Qmax et la teneur en carbone est supérieure pour P2. Ce résultat ne peut s’expliquer qu’en supposant que seule, une partie du carbone déposé sur les sables prélevés au voisinage du piézomètre 1 est active vis-à-vis du bleu de méthylène, contrairement au carbone déposé sur les sables collectés au voisinage du piézomètre 2 qui pourrait provenir d’algues déjà dégradées.
Pour le piézomètre 3, Il n’existe pas de corrélation entre Qmax et le carbone organique. Rappelons que les petites particules que nous avons analysées près des piézomètres P1 et P2, sont issues des eaux de filtration. Au contraire les sables prélevés au voisinage du P3, sont originels. Leur composition granulométrique a peu varié car les particules issues de l’effluent ayant été déjà bloquées dans les deux premiers compartiments du filtre (P1 et 2). Notons aussi que la quantité de bleu de méthylène fixée pour ces sables dépend de la taille des particules.
La corrélation entre les valeurs de Qmax et la teneur en carbone organique des
sables de l’Oubangui est peu significative en raison probablement de la nature hétérogène des composés organiques présents sur les particules de sable de l’Oubangui
En conclusion les sables au voisinage des piézomètres 1 et 2 ont subi des modifications par rapport à ceux de l’Oubangui. Cette transformation induit de meilleures capacités d’adsorption et montre une amélioration du fonctionnement du pilote avec le temps.