Evaluation de la capacité d’adsorption maximale (q max ) lors des interactions physico‐

Les isothermes d’adsorption en systèmes monométalliques, bimétalliques et trimétalliques ont  montré les effets de l’espèce métallique et du mélange sur le comportement chimique des ions Pb²⁺,  Cu²⁺ et Cd²⁺ dans le sol. Les valeurs de la capacité d’adsorption maximale (q_max) obtenues pour  chacun des métaux dans les différents systèmes ont indiqué que plus la quantité d’ions métalliques  augmente en solution, plus leur q_max est réduite.  

L’étude d’adsorption multimétallique reste très complexe du fait que la fixation des ions métalliques   sur un matériau dépend à la fois des caractéristiques de l’adsorbant et de l’adsorbat. Fiol et al (2006)  et Mohan et al (2006), ont mis l’accent sur les complications relatives à l’adsorption des ions  métalliques en système multicomposé. Pour ces auteurs, elles sont liées aux interactions entre  adsorbats et adsorbants, à l’hétérogénéité des adsorbants et au fait que les ions métalliques  présentent des affinités différentes vis‐à‐vis des adsorbants. Les études de Serrano et al (2005) ont  appuyés cette conclusion où ils ont remarqué que la coexistence entre le plomb et le cadmium sur  des sols  acides réduit  leur  tendance  s’adsorber  correctement  sur  ces  sols,  ainsi la  capacité  d’adsorption du cadmium est nettement influencée par la présence des ions Pb²⁺ en solution. Le  même constat a été présenté dans les études de Morera et al (2001) ayant utilisé les isothermes  pour décrire l’adsorption compétitive du Cd, Cu, Ni, Pb et Zn dans quatre (4) sols de propriétés  physicochimiques déférentes. Toutefois, Mohan et Singh (2002), ont examiné les effets réciproques  des ions métalliques sur leur adsorption en système multicomposé en calculant un ratio « r » entre  leur capacité d’adsorption en système multicomposé, qimix, et système monocomposé, qi0, exprimé  selon l’Eq. 60.   

Où q_i⁰ et q_i^mix sont respectivement la quantité de métal adsorbée en systèmes monocomposés et  multicomposés et « r » est le ratio entre leur capacité d’adsorption. Si r > 1, le métal « i » a augmenté  la capacité d’adsorption d’autres cations. Si r < 1, le métal « i » est en compétition avec d’autres  métaux pour les sites d’adsorption. Dans les tous les systèmes étudiés, les valeurs de « r » sont  inférieures à l’unité, traduisant une compétition entre les ions métalliques pour les sites actifs du sol 

Tableau 31 : Évaluation de la capacité d’adsorption des ions Pb²⁺, Cu²⁺ et Cd²⁺ en systèmes mono, bi  et trimétalliques  (q_maxL; q_maxLE ; q_maxJS = mg/g et b_L, b_LE, b_JS, K_F =  L/mg). 

Métaux  Systèmes    Langmuir simple  Freundlich simple    Monométalliques  q_maxL  b_L  R_L²  n  K_F  R_F² 

La réduction de la capacité d’adsorption maximale (q) des ions métalliques peut être également  estimée selon l’expression mathématique décrite ci‐dessous (Cf. Eq. 61). Cette expression définit le  rapport de la différence entre l’adsorption non‐compétitive et l’adsorption compétitive à l’équilibre :  

Les résultats de la réduction de la capacité d’adsorption maximale (q), l’adsorption des ions Pb²⁺, 

Cu²⁺ et Cd²⁺ dans le sol ont subi des effets compétitifs différents (Cf. Tableau 31). Pour le plomb, sa 

capacité d’adsorption a été réduite à 15,10 % contre 18,99 % et 76,64 % en systèmes (Pb²⁺Cd²⁺),  (Pb²⁺Cu²⁺) et (Pb²⁺Cu²⁺Cd²⁺) respectivement. Similairement, la capacité d’adsorption du cuivre,  comparée  à  sa  capacité  d’adsorption  en  système  monométallique,  est  diminuée  de  14,70% 

(Cu²⁺Cd²⁺), de 34,87% (Cu²⁺Pb²⁺) et de 37,89% en système trimétallique. Finalement, pour le  cadmium, sa capacité d’adsorption a été réduite de 26,40 % en système (Cd²⁺Pb²⁺) et de 84,32 % en  système (Cd²⁺Cu²⁺) et de 83,68 % en système (Cd²⁺Pb²⁺Cu²⁺). Toutefois, la réduction de la capacité  d’adsorption du cadmium en systèmes (Cd²⁺Cu²⁺) et (Cd²⁺Pb²⁺Cu²⁺) est très proche. Dans ce cas, il  est supposé que la présence des ions Cu²⁺ en solution gêne la sorption des ions Cd²⁺ plus que les ions  Pb²⁺. La réduction de la capacité d’adsorption maximale (q) en système trimétallique permet de  classer l’influence de la compétition sur l’adsorption individuelle des métaux dans le sol dans l’ordre  Cd²⁺>Pb²⁺>Cu²⁺. Cela signifie, quand les trois métaux optent pour les mêmes sites d’adsorption, les  ions Cd²⁺ pourraient être déplacés à la fois par les ions Pb²⁺ et Cu²⁺. 

En résumé, la réduction de la capacité d’adsorption maximale (q_max) des trois métaux dans le sol, ont  d’espèces en solution augmente. Elle met en évidence les effets du mélange multicomposé sur  l’adsorption d’un métal « M ». Elle décrit donc la quantité de métal « M » fixée sur la matrice solide,  [M²⁺]_fixé, en fonction sa concentration à l’équilibre, [M²⁺] à la fois en systèmes monocomposés et  multicomposés, telle qu’il est illustré à la Figure 50. 

Courbe d’ajustement des données modélisées en système monocomposé

Courbe d’ajustement des données modélisées en système multicomposé

 

Figure 50 : Représentation schématique de la sorption d’un métal « M » sur un matériau naturel de  type sol en mélange monocomposé et multicomposé. 

Les résultats de ce travail et ceux des études antérieures sur des matériaux différents (Mohan et  Singh, 2002 ; Serrano et al., 2005; Arias et al., 2006; Antoniadis et al., 2007; Jalali et Moharrami,  2007; Usman, 2008; Zhi‐rong et al., 2008 ; Joseph, 2009; Vidal et al., 2009), etc.., ont montré que  pour quelque soit le métal « M » considéré, sa capacité d’adsorption maximale (qmax) diminue  systématiquement en mélange multicomposé (Cf. Figure 50). Cependant, l’affinité du métal à se fixer  sur la surface du matériau peut être influencée non seulement par les propriétés chimiques du  métal, mais aussi par les propriétés physiques, chimiques et minéralogiques du matériau, comme  l’ont rapporté Fiol et al (2006) et Mohan et al (2006). On peut toutefois généraliser les quantités de  métal « M »  fixées  sur  le  matériau  à  la  fois  en  systèmes  monocomposés  et  multicomposés  respectivement, sous la forme : 



^{, ,}



Les points P et P^mix sont exprimés en fonction des quantités de métal « M » fixées sur le matériau  ramenée  à  leur  concentration  restant  en  solution  (C_{e i,} ,_{Ce i}^mix_, )  respectivement  en  systèmes  monocomposés et multicomposés. Ils sont représentés sous la forme :  

mix mix mix

i e i e i

Avec    q_{e i,}    Quantité de métal « M » fixée sur le matériau en système monocomposé 

, mix

qe i   Quantité de métal « M » fixée sur le matériau en mélange avec d’autres espèces 

,

C

o i   Concentration initiale du métal « M » mise en équilibre en système monocomposé 

0,i

Cmix  Concentration initiale du métal « M » ajoutée à l’équilibre avec d’autres espèces  

,

Ce i   Concentration après équilibre du métal « M » en système monocomposé 

, e i

Cmix   Concentration après équilibre du métal « M » en système multicomposé  qi

   Pourcentage de réduction de la capacité d’adsorption du métal « M » en système  multicomposé 

V  Volume de solution utilisé  M  Masse de l’échantillon  

Il est possible également de calculer les paramètres des modèles d’adsorption (Langmuir simple,  Freundlich simple, modèle de Jain et Snoeyink, Langmuir Étendu, etc…) en utilisant la méthode des  moindres carrés. Cette méthode est couramment utilisée dans Microsoft Excel à l’aide de la fonction 

« solveur » permettant de minimiser la somme des carrés des différences entre les résultats  expérimentaux et calculés. Les expressions mathématiques proposées ici pour l’estimation de ces  paramètres sont basées sur les calculs effectués sur l’interface de Mathcad 2000 professionnel. Ce  logiciel fonctionne de la même façon que Microsoft Excel mais avec des options plus avancées. Il a  été largement utilisé dans le cadre de cette thèse en complémentarité avec Microsoft Excel.  

Pour  _{exp ,}

i e i

q q  et  _{exp ,}

i e i

C C , on définit une fonction d’ajustement F selon l’expression suivante :  

 

^{2 1, 2...}

x  C

représente  la  courbe  d’ajustement des données modélisées (Cf. Figure 50) décrivant les résultats expérimentaux ( _exp

q

i). 

Cette forme généralisée est également applicable aux cas des résultats expérimentaux obtenus en  mélange bimétallique et trimétallique tout en ayant soin de remplacer  _exp, _,

i e i

qmix. L’estimation des paramètres devient de plus en plus 

compliquée en fonction du modèle utilisé, tel est le cas du modèle de Jain et Snoeyink. 

Dans le document en fr (Page 169-173)