Technique expérimentale

Deux unités expérimentales (No. 1 et No. 2) ont été utilisées pour le traitement d’effluents contaminés en HAP. La première utilise la cellule parallélépipédique R1 et fonctionne en mode batch (en mode statique) où le mélange dans la cellule est assuré par une agitation mécanique; la deuxième utilise soit la cellule cylindrique R2 ou R3 et fonctionne en mode dynamique où l’agitation est assurée par une recirculation de l’effluent en circuit fermé.

1.5.3.1 Unité expérimentale No. 1

Figure 1.12 Montage expérimental No. 1

Le montage expérimental No. 1 (Figure 1.12) fonctionne en mode batch avec un volume utile de 1.5 L. L’agitation dans le réacteur R1 est assurée par un agitateur magnétique placé au fond de la cuve. Des intensités de courant variant entre 1.0A et 4.0A ont été imposées pendant une période temps variant entre 10 et 180 min. L’ajustement préalable du pH (pH variant entre 2 et 9) de

l’effluent a été effectué à l’aide d’une solution d’acide sulfurique (H2SO4, 5N) ou d’hydroxyde de sodium (NaOH, 2N). Un apport en électrolyte Na2SO4 (Laboratoire MAT, Beauport, Québec, Canada) dans des concentrations variant entre 0.5 à 4 g L-1 a également été testé. De plus, des essais de traitement ont également été réalisés à 4 et 35°C. À la fin de chaque essai, le pH, la température et la conductivité ont été mesurés et l’effluent traité est par la suite transvidé dans un bécher de 2 L où un volume de 1 L d’échantillon a été récupéré pour des mesures de concentrations résiduelles de HAP. Des essais contrôles (effluent agité dans la cellule sans imposition de courant électrique) ont été également effectués. Ces essais contrôles ont servi comme base de comparaison avec l’effluent traité par voie électrochimique. Il est important de noter que, entre deux essais, les électrodes ont été rincées à l’eau et frottées avec une brosse douce pour éliminer les résidus organiques et inorganiques déposés sur les électrodes. Une fois la période de rinçage terminée, elles ont été nettoyées par trempage dans un bain d’acide nitrique à 5% (v v-1) pendant environ 10 min. La cellule électrolytique en plexiglas a également été lavée à l’eau savonneuse.

1.5.3.2 Unité expérimentale No. 2 L’unité expérimentale No. 2 (

Figure 1.13) fonctionne en circuit fermé. Les réacteurs R2 et R3 sont les deux cellules électrolytiques spécialement conçues pour être utilisées dans ce montage expérimental. Une pompe centrifuge (6) à débit variable (Drive pump 75211, Cole Parmer Instrument Co., USA) assure la recirculation de l’eau. Un débitmètre (13) à eau permet de mesurer le débit de

recirculation. Le dispositif prévoit éventuellement une injection d’air ou d’oxygène dans la boucle de recirculation en vue de saturer l’effluent à traiter en oxygène. Une telle injection peut favoriser la formation d’espèces radicalaires (OH•, HO2•) ou d’oxydants chimiques (H2O2 ou O3) très efficaces pour l’oxydation des polluants organiques. Le débit d’oxygène ou d’air injecté est mesuré à l’aide d’un débitmètre (7). Une sonde à oxygène (9) connecté à un oxymètre installé dans le circuit hydraulique permet de suivre la concentration en oxygène dissous au cours de l’électrolyse. L’excès d’oxygène est rejeté à l’extérieur du système grâce à un évent fixé sur un cylindrique en PVC (4) installé dans le circuit hydraulique. Un manomètre (2) précédé d’un robinet de pointeau (3) permet de mesurer et de contrôler la pression hydrostatique à l’intérieur de la cellule électrolytique. Au début de chaque essai, l’effluent à traiter est injecté dans l’unité expérimentale par le biais d’un entonnoir (14) précédé d’une valve (15) et installé dans le circuit hydraulique (partie supérieure du circuit). Pour ce faire, une pompe péristaltique est reliée à l’entonnoir et permet d’injecter un volume utile de 4.5 L dans l’unité expérimentale. Un apport en électrolyte Na2SO4 (0.5 g L-1_{) est ajouté à l’effluent à traiter afin d’améliorer la conductivité} de celui-ci. Des intensités de courant variant entre 0.5 et 5.0A ont été imposées pendant une période de temps de 90 min. Quand le système fonctionne en mode continu, la valve 15 reste fermée tandis que les valves (11) et (12) sont ouvertes et permettent respectivement l’entrée d’effluent et la sortie d’effluent traité. Cependant, quand le système fonctionne en circuit fermé, les valves (11), (12) et (15) sont fermées. Les techniques d’échantillonnage et de mesures analytiques permettant de mesurer l’efficacité du système électrolytique sont identiques à ceux mentionnés précédemment lors de l’utilisation de l’unité expérimentale No. 1.

Figure 1.13 Montage expérimental No. 2

(1) : cellule d'électro-oxydation (2) : manomètre (0-5 bars)

(3) : robinet de pointeau (4) : conduite cylindre

(5) : trompe à eau (système de refoulement d'eau) (6) : pompe de recirculation (pompe centrifuge)

(7) : débimètre à air

(8) : bouteille d'oxygène

(9) : oxymètre

(10) : évent

(11) : valve (sortie d'eau : alimentation du système en continu)

(12) : valve (entrée d'eau : alimentation du sytème en continu ) (13) : débimètre à eau (1) (2) (3) (8) O 2 (5) (6) (7) (9) O₂ (11) (13) sortie d'eau (4) (10) entrée d'eau (12) (14)

(14) : entonnoir de remplissage d'effluent dans le système

(15)

1.5.3.3 Comparative avec réactif de Fenton Préparation des réactifs Fenton

Les solutions mères de fer ferreux sont préparées dans une fiole jaugée par dissolution d’une masse appropriée de sulfate de fer heptahydraté (FeSO4, 7H2O) avec de l’eau milli-Q à pH 2 pour éviter l’hydrolyse des ions ferreux ou ferriques (ces derniers pouvant être présents sous forme de traces) qui se produit au dessus de pH 7 et 3,5 respectivement. Cependant, ces solutions n’étant pas stables, elles ne sont pas conservées au-delà d’une heure. Par conséquent, les solutions mères de fer ferreux sont préparées juste avant le début de chaque expérience.

Les solutions mères de peroxyde d’hydrogène sont préparées dans une fiole jaugée ambrée par dilution d’un volume approprié de H2O2 à 30% (m/m) avec de l’eau milli-Q. Il est nécessaire d’utiliser des récipients ambrés car le peroxyde d’hydrogène se décompose rapidement sous l’action de la lumière. D’autre part, les solutions diluées de peroxyde d’hydrogène étant instables, les solutions sont préparées juste avant leur utilisation pour la réaction de Fenton (la durée de stockage inférieure à 10 min).

Montage des essais

Toutes les expériences ont été menées à température ambiante dans des erlenmeyers de 500 mL en verre, protégés de la lumière par du papier aluminium. Deux répétitions ont été réalisées pour chaque expérience. Un même volume de la solution créosote de 250 mL a été ajouté dans les erlenmeyers. Le processus d’agitation est réalisé pendant une période temps de 60 min à l’aide des agitateurs magnétiques. Des essais contrôles (effluent agité dans l’erlenmeyers sans ajout des réactifs) ont été également effectués. Le meilleur le ratio H2O2/Fe2+ a été gardé pour des essais de

changement du pH. L’ajustement préalable du pH (pH variant entre 2 et 9) de l’effluent a été effectué à l’aide d’une solution d’acide sulfurique (H2SO4, 5N) ou d’hydroxyde de sodium (NaOH, 2N) au début de processus de réaction. Dans ce cas, à chaque pH examiné, nous avons réalisé un essai sans ajout de Fe2+. La concentration de H2O2 est maintenu constante.

1.5.3.4 Étude des sous-produits d’électro-oxydation formés

L’évaluation des sous-produits générés lors de l’oxydation électrochimique a été réalisée en utilisant l’unité expérimentale No. 1 à l’aide de solutions de NAP et PYR en présence de CAS pour la mise en solution.

Les sous-produits ont été identifiés à l’aide de l’appareil GC-MS et de la bande des données founie par NIST (National Institute of Standards and Technology).

Préparation des solutions de HAP

Des solutions de HAP ont été préparées à partir de réactifs de grade analytique (sous forme poudre). Les réactifs utilisés pour la préparation des solutions synthétiques étaient le NAP et le PYR (Laboratoire Mat, QC, Canada). Une quantité de 0.1 g de NAP et PYR individuel est ajoutée à l’erlenmeyer de 500 mL en présence 2 g de CAS et 300 ml d’eau. L’ensemble est placé sous agitateur orbital (Lab-line model 3520) à 250 tours/min pendant 24 h. Par la suite, la solution filtrée (papier de Whatman No.5) est transvasée dans une fiole de 2 L et diluée avec de l’eau mili-Q.

1.5.3.5 Application de l’électro-oxydation sur des concentrés de décontamination de sol et de déchet

Les concentrés de mousse ont été obtenus lors de la décontamination des déchets d’aluminerie et de sols pollués, par lavage au surfactant suivi d’une étape de flottation. Après l’étape de la mise en solution, les concentrés de mousse ont été dégradés par électro-oxydation à l’aide de l’unité expérimental No. 1.

Lavage au surfactant suivie d’une étape de flottation

Le déchet d’aluminerie et différents types de sol ont été conservés au laboratoire dans des chaudières, au sein desquelles les contaminants organiques de type HAP sont distribués de façon très hétérogène. Afin de diminuer les incertitudes relatives à l’échantillonnage, les recherches ont été réalisées sur les particules de moins de 2 mm de diamètre (la partie qui est le plus concentré en HAP).

Les essais ont été réalisés en laboratoire sur 400 g de sol (ou déchet d’aluminerie) dans une cellule de flottation (Denver), d’un volume de 4 L en présence de 0.8 g de surfactant CAS (Chemron Co., Ohio, États-Unis), sous des séquences d’agitation de 15 min à 1800 tours/min, et de flottation de 10 min à un débit d’injection d’air de 1 L/min. La mousse retirée a été séchée à 55oC.

Préparation de la solution de concentré de mousse

Des échantillons de concentré de mousse (20 g - 40 g) ont été placés dans des erlenmeyers de 500 mL en présence d’eau (300 mL). Les solutions ont été agitées pendant 24 h à l’aide

d’agitateur à 250 tours/min, à température ambiante. Par la suite, la solution a été diluée à 2 L avant l’électro-oxydation.