L’adsorption

L‟adsorption est un procédé de transfert de matière entre une phase liquide (ou gazeuse) chargée en composés organiques ou inorganiques et une phase solide, l‟adsorbant. Pendant des décennies, les charbons actifs commerciaux ont été les principaux, voire les seuls adsorbants utilisés dans les filières de traitement d‟eaux. En effet, l‟adsorption sur charbons actifs présente de nombreux avantages : elle permet l‟élimination d‟une large gamme de polluants, dont différents types de colorants, mais aussi d‟autres polluants organiques et inorganiques, tels que les phénols, les ions métalliques, les pesticides, les substances humiques, les PCBs, les détergents, ainsi que les composés responsables du gout et de l‟odeur. A l‟inverse de la précipitation, l‟adsorption est plutôt efficace dans le domaine des faibles concentrations. Ses principaux inconvénients résident dans la compétition pour l'adsorption entre molécules de tailles différentes et le prix relativement élevé des matériaux. Car, en raison de sa qualité, le kilogramme de charbon actif commercial peut coûter jusqu‟à 6 € (Kurniawan et al., 2006). Le traitement classique d‟effluents par adsorption sur charbons actifs nécessite un coût d'exploitation estimé entre 0,06 à 0,09 €.m-3

(Laimé, 2003). La mise en place, soutient Eccles (1999), d‟une unité de traitement d‟eaux usées, chargées en polluants métalliques, par adsorption sur charbon actif d‟une capacité de 1000 m3

.j^-1 ou variant de 10 000 à 20 000 m³.j^-1, nécessite un investissement de base de 566 ou 283 €.m-3

respectivement, tandis que les coûts d‟exploitation sont compris entre 0,0022 et 0,0560 €.m-3. Etant donné l‟importance des charbons actifs pour le traitement des eaux, l‟origine, les caractéristiques physicochimiques et la performance de ces matériaux sont étudiées et comparées à celles des biosorbants dans le cadre de cette thèse. Car, les biosorbants sont pressentis pour jouer le rôle de substitut ou complément aux charbons actifs commerciaux. Le Tableau 3, tiré d‟une revue bibliographique

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réalisée par Crini (2006), recense les capacités maximales d‟adsorption de nombreux échantillons de charbons actifs commerciaux vis-à-vis d‟une grande variété de colorants généralement présents dans les eaux usées.

Tableau 3 : Capacité maximale qm (mg.g^-1) d’adsorption des charbons actifs commerciaux vis-à-vis des colorants.

Charbon actif/Fabriquant Colorant qm Référence

Tapei Chemical Corporation (Taïwan) A. yellow 1179 Chern et Wu (2001) Chemviron Carbon (UK) Remazol yellow 1111 Al-Degs et al. (2000) Chemviron Carbon (UK) B. yellow 21 860 Allen et al. (2003) Chemviron Carbon (UK) B. red 22 720 Allen et al. (2003) Filtrasorb Corporation (USA) R. orange 107 714 Aksu et Tezer (2005) Merck Co. (Taïwan) R. red 2 712,3 Chiou et al. (2004) Miloje Zakic (Macédoine) Basic dye 309,2 Meshko et al. (2001)

E. Merck (Inde) B. blue 9 296,3 Kannan et Sundaram (2001)

Filtrasorb Corporation (USA) R. red 5 278 Aksu et Tezer (2005) Merck Co. (Taïwan) D. red 81 240,7 Chiou et al. (2004) Filtrasorb Corporation (USA) A. yellow 117 155,8 Choy et al. (2000) Chemviron Carbon (UK) A. blue 40 133,3 Özacar et Sengil (2002) Filtrasorb Corporation (USA) A. blue 80 112,3 Choy et al. (2000)

Calgon Corporation (USA) A. red 88 109 Venkata Mohan et al. (1999) Chemviron Carbon (UK) B. red 46 106 Martin et al. (2003)

Filtrasorb Corporation (USA) A. red 114 103,5 Choy et al. (2000) Chemviron Carbon (UK) A. yellow 17 57,47 Özacar et Sengil (2002) Calgon Corporation (USA) D. brown 1 7,69 Venkata Mohan et al. (2002)

Globalement, ces données démontrent le caractère polyvalent des charbons actifs, en ce sens que ces matériaux font preuve d‟une bonne efficacité pour l‟élimination de différents types de colorants. Gupta et Suhas (2009) sont parvenus à une conclusion similaire, au terme de la réalisation d‟une synthèse bibliographique portant sur l‟utilisation des charbons actifs commerciaux et de nombreux autres adsorbants pour le traitement d‟effluents colorés. Le Tableau 4 regroupe des capacités d‟adsorption des charbons actifs commerciaux concernant le traitement d‟effluents chargés en métaux lourds. Globalement, ces données montrent que l‟efficacité de ces matériaux dépend à la fois du type de charbon actif et de la nature des ions en solution.

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Tableau 4 : Capacité d’adsorption (mg.g^-1) des charbons actifs commerciaux vis-à-vis des polluants métalliques.

Charbon actif/Fabriquant Métal Capacité d‟adsorption

Référence

Filtrasorb 400 (Calgon, USA) Cd²⁺ 8 Leyva-Ramos et al. (1997) Charbon Actif en Grains type C Zn²⁺ 20 Leyva-Ramos et al. (1997) Charbon Actif en Grains Zn²⁺ 0,29 Bansode et al. (2003) Filtrasorb 200 (Calgon, USA) Cu²⁺ 6,1 Bansode et al. (2003) (Charbon Actif en Grains + HNO3) Cu²⁺ 15,47 Bansode et al. (2003) Norit carbon PK1-3 (Norit, USA) Cu²⁺ 40 McKay (1995)

Charbon Actif Commercial (Inde) Cu²⁺ 2,74 Periasamy et Namasivayam (1994) Charbon Actif Poudre Pb²⁺ 16,6 An et al. (2001)

Charbon Actif en Grains Pb²⁺ 27 An et al. (2001)

A titre d‟exemple, le charbon actif en grains étudié par Leyva-Ramos et al. (1997) présente une capacité d‟adsorption vis-à-vis des ions Zn2+

plus de 60 fois supérieure à la performance de celui utilisé par Bansode et al. (2003). Les charbons actifs en poudre et en grains étudiés par An et al. (2001) présentent des capacités d‟adsorption différentes vis-à-vis des ions Pb²⁺, malgré des conditions expérimentales similaires. Cette différence entre la performance des charbons actifs peut être attribuée en majeure partie à leurs caractéristiques physicochimiques qui sont généralement différentes. Tributaires des procédés de fabrication, les caractéristiques physicochimiques de ces matériaux différent selon les méthodes de préparation.

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I.2.4.1 Présentation et fabrication des charbons actifs commerciaux

Les charbons actifs sont de loin les adsorbants les plus fabriqués et utilisés industriellement. Ils ont diverses applications notamment dans les domaines de la purification de l‟eau, et de l‟air. Le pouvoir d‟adsorption des charbons actifs est attribué à la porosité, la surface spécifique, et les groupements fonctionnels de surface, comme le rapportent Malik et al. (2007). Les caractéristiques des charbons actifs varient en fonction du précurseur (matériau de départ) et de la méthode d‟activation. Ils peuvent être présentés sous trois formes différentes : grain, poudre, ou fibres (pouvant se présenter sous forme de tissus ou de feutre). La différence entre charbons actifs en grain et en poudre est établie sous la base de critères granulométriques : la taille moyenne des particules est inférieure à 0,18 mm pour le charbon actif en poudre et inférieure à 0,6 mm pour le charbon actif en grain. Le cas des fibres ne sera pas abordé dans cette thèse, du fait de leur utilisation limitée dans le domaine du traitement des eaux. De nombreux matériaux carbonés, tels que le bois, les coquilles de noix de coco, le charbon naturel, les résidus pétroliers, le lignite sont utilisés comme précurseurs pour la préparation de charbons actifs commerciaux. Le processus de fabrication de ces adsorbants comporte deux grandes étapes : la carbonisation et l‟activation. Ahmadpour et Do (1996) distinguent l‟activation physique de l‟activation chimique. Cette dernière, notent Malik et al. (2007), permet d‟obtenir un meilleur rendement, une plus grande surface spécifique et un meilleur développement de la structure poreuse du charbon.