C OURBES DE PERCEE ET PRINCIPE

L'adsorption en lit fixe est un processus dépendant du temps et de la distance à parcourir. Pendant l’adsorption, les particules d’adsorbant dans la colonne accumulent du polluant de la solution selon l’un des trois modes d’adsorption, tant que l’adsorbant n’est pas saturé. Ce processus d’équilibre se déploie successivement, couche par couche, de l'entrée de la colonne à la sortie du lit. Cependant, comme la cinétique n’est pas instantanée, il n'y a pas une limite claire entre les couches d’adsorbants saturées et non saturées. En fait, l’équilibre se réalise dans une zone plus ou moins large de la colonne, nommée zone de transfert de masse (MTZ) présentée aux figures 8 et 9 [28].

L’adsorption du polluant sur un lit fixe d’adsorbant est un processus de transfert de masse entre le liquide et la phase solide. La concentration du polluant dans les deux phases est fonction du temps et de la localisation dans le lit. Pour une adsorption simple (un seul polluant), le polluant est retiré de l’eau continuellement et s’accumule à la surface du solide. Tant que le solide n’a pas atteint sa saturation (équilibre), la colonne continuera de capter du polluant [33].

Au fur et à mesure que l’eau est traitée, les polluants s’adsorbent sur l’adsorbant qui se sature, soit la fin de la durée d’utilisation de la colonne [33]. Lorsque l’adsorbant devient moins efficace, c’est qu’il est temps de régénérer la colonne. La désorption doit s’effectuer sans perdre les propriétés de la colonne initiale. Un processus efficace doit restaurer la

séquestration le plus près de son efficacité initiale. Tout de même, après la concentration du polluant, il faut se demander comment récupérer le polluant concentré. Il n’y a pas beaucoup de documentation à ce sujet dans la littérature [4].

Plus spécifiquement, le comportement d’une courbe de percée (BTC) est démontré aux figures 8 et 9. Le suivi du polluant se fait en sortie du lit fixe et est visualisé par une BTC en fonction du temps. Plusieurs paramètres peuvent influencer l’allure d’une BTC, soit le type de composé adsorbé et d’adsorbant, le dimensionnement du procédé, les conditions opératoires, la concentration en entrée, etc.

Figure 8. Schéma du principe d’adsorption dynamique d’un séquestrant dans un lit fixe [55]

À la figure 8, il est possible de voir un schéma de l’adsorption dynamique dans un lit fixe en fonction du temps. En gris, la zone saturée de polluant et en blanc, la zone d’adsorbant fraîche, sont représentées. Entre les deux, il y a la zone nommée MTZ. Au début, la concentration de polluants à la sortie est de zéro, mais plus la MTZ s’approche de la fin de la colonne, la concentration de sortie commence à augmenter et ce phénomène est représenté par le début de la partie sigmoïde sur la BTC de la figure 9 [56]. L’adsorption se fait dans la MTZ et se déplace dans le lit avec le temps. Le point de percée (point qui dénote le début de la montée de la courbe de percée) et la forme de la BTC (degré de

Figure 9. Courbe de percée théorique pour l’adsorption d’un polluant dans un lit fixe [55]

concavité) sont influencées par plusieurs paramètres dont l’isotherme d’adsorption et le taux de transfert de masse [33]. Lorsque la concentration de sortie est égale à la concentration initiale, alors la colonne est totalement saturée. En regardant la figure 9, à 0,05 de la concentration initiale (C0), il y a le point de percée et lorsque 0,90 de C0 est atteint, la limite d’opération de la colonne est atteinte et finalement, si Ct=C0 alors, c’est la saturation complète. La détermination des paramètres décrivant la BTC est effectuée à partir des données expérimentales entre 0,05 et 0,90 de C0. Ensuite, en linéarisant cette partie, une nouvelle courbe est obtenue d’où il est possible d’isoler les paramètres recherchés algébriquement [56]. Les points 0,05 et 0,9 peuvent être sujet à changement pour certaines expériences et pour des considérations spécifiques des limites de rejets dans l’environnement, mais ces nombres mentionnés sont les plus utilisés dans la littérature.

L’adsorption en lit fixe démontre certains avantages comme sa facilité d’opération, sa grande efficacité, son coût minime, sa régénération possible et sa possibilité de concentrer le métal [54]. Il existe deux avantages importants aux lits fixes comparativement à l’adsorption en mode batch. Premièrement, pour le mode batch, dû au transfert de masse et sa force d'entraînement, le taux d’adsorption diminue pendant la séquestration, car la concentration diminue dans le milieu, alors qu’en lit fixe, la concentration initiale est toujours la même. Deuxièmement, il est impossible d’atteindre des concentrations résiduelles très faibles, car il faudrait des doses très élevées d’adsorbant, alors qu’en lit fixe, la concentration sera près de zéro tant que le point de percée n’est pas atteint [33].

Si le processus n’est constitué que d’un lit fixe, le processus sera en semi-continu, car lors de l’atteinte du point de percée, il faut arrêter le système pour régénérer la colonne. Comme il est préférable (indispensable même) d’avoir un système en continu pour le traitement des eaux, le système le plus simple est de connecter les colonnes d’adsorption en série. Pendant que la séquestration a lieu, une des colonnes sera régénérée sans nuire au reste du système. Il est beaucoup plus rapide de régénérer une colonne que de la saturer en polluant. Par exemple, la figure 10 montre un système en série où le processus est séparé en quatre colonnes d’adsorption. Seulement trois colonnes sont opérationnelles, puisque l'une est hors service pour en régénérer l'adsorbant [28].

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Figure 10. Système de colonnes en série pour l'adsorption en lits fixes [28] Réservoir d’eau contaminée

Ainsi, pour dimensionner ou gérer de la meilleure façon possible la colonne d’adsorption afin d’avoir une eau de qualité et pour obtenir une longévité de la colonne d’adsorption et d’abaisser le coût du traitement, il est important d’être capable de prévoir la concentration à la sortie tout au long de l’utilisation du lit fixe en modélisant les BTC.