SORPTION DES ANIONS PHOSPHATE PAR DES

(1)

S ^ORPTION ^DES ^ANIONS ^PHOSPHATE ^PAR ^DES

GÉOMATÉRIAUX DE C ^ÔTE ^D ’I VOIRE ( ^SCHISTE ^ARDOISIER ,

GRÈS , ^LATÉRITE )

Laboratoire d’Environnement et Biologie Aquatique

(LEBA) , Côte d’Ivoire

Dan B. Eude KPANNIEU

Dr. M. Mallet, Pr. L. Coulibaly, Dr. M.Abdelmoula, Pr. C. Ruby

Laboratoire de Chimie Physique et Microbiologie pour l’Environnement

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 Abidjan, plus 5 millions d’habitants (INS*, 2010)

 200 000 m³d’eaux usées collectées non traitées (Adingra et Kouassi, 2011, F. Tech. & Doc. Vulg. 48-53 )

 Lagune Ebrié réceptacle de toutes les eaux d’Abidjan

2/21

INTRODUCTION

CONTEXTE DE L’ÉTUDE

Vue de la lagune Ebrié

Eutrophisation de la lagune

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INTRODUCTION

• Production de méthane (gaz à effet de serre)

• Disparition de certaines espèces halieutiques

• Diminution du taux d’oxygène

• Prolifération des végétaux aquatiques

Directive Européenne 91 /271 CEE du 21 mai 1991

Eutrophisation = enrichissement en nutriments des eaux de surface

Prolifération d’« algues vertes » La plage de la baie de Saint Michel

en Grèves (Côtes d’Armor)

Taux de phosphate < 1-2 mg.L^-1P-PO₄ (sorties de station d’épuration)

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Techniques conventionnelles de déphosphatation (biologique, précipitation chimique…)

INTRODUCTION

 Sous produits de l’industrie (scories d’acier, boues rouges d’aluminerie, cendres volantes, schiste bitumineux….)

 Produits manufacturés (ferrihydrite, rouille verte ferrique….)

 Matériaux naturels (apatite, schiste, latérite, grès, zéolite….)

Déphosphatation sur lit de massif filtrant (systèmes à capture passive) Complexité de mise en œuvre, méthodes coûteuses

Non applicables aux pays en voie de développement

Boues activées Filtre planté de roseaux (FPR)

(5)

Evaluer la capacité de trois roches communes en Côte d’Ivoire, (schiste ardoisier, grès et latérite) à éliminer les anions phosphate des eaux usées.

• Composition chimique (Fe, Al, Ca, Mg) intéressante vis- à-vis de la sorption des ions PO₄

• Géomatériaux sans intérêt minier

• Ubiquité et abondance

OBJECTIFS DE L’ÉTUDE :

Bloc de schiste Bloc de grès Bloc de latérite

INTRODUCTION

(6)

PLAN DE L’EXPOSÉ :

I. Echantillonnage

II. Caractérisation des géomatériaux par DRX et par spectrométrie Mössbauer

• Schiste ardoisier

• Grès

• Latérite

III. Etude de l’adsorption des ions phosphate en réacteur batch

• Influence de la dose des matériaux

• Cinétiques d’adsorption IV. Conclusion et perspectives

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PLAN DE L’EXPOSÉ :

• Grès

• Latérite

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I. Echantillonnage

• Concassage grossier au marteau

• Broyage

• Lavage et séchage

• Tamisage puis sélection de la taille de grains : ɸ ≤ 400µm

Schiste ardoisier Latérite

Grès

 Zones géographiques de prélèvement des géomatériaux

 Préparation des échantillons

(9)

PLAN DE L’EXPOSÉ :

• Grès

• Latérite

(10)

 Schiste ardoisier

0 10000 20000 30000 40000 50000 60000

0 20 40 60 80 100

Intensité (ua)

2Theta (radian)

C

Q Q+A

Q Q Q

M

C Q M

A

C M Q

Q: Quartz-SiO₂

A: Albite Calcian-(Na, Ca)Al(Si, Al)₃O₈ M: Muscovite-KAl₂(Si, Al)₄O₁₀(OH)₂ C: Clinochlore (Mg₅Al)(Si, Al)₄O₁₀(OH)₈

Présence de quartz et de plusieurs minéraux silicatés

Pas de composé cristallisé à base de fer (cf analyse élémentaire du matériau)

SiO2 Al2O3 Fe2O3 MnO MgO CaO Na2O K2O TiO2 P2O5 LoI*

56.8 17.5 10.2 0.6 2.1 0.4 0.9 2.4 1 0.1 8.7

Analyse élémentaire du schiste ardoisier

II. Caractérisation des géomatériaux par DRX et par spectrométrie Mössbauer

(11)

(12)

Spectre Mössbauer du ⁵⁷Fe à 12K

 Présence de doublets ferrique et ferreux (~70%) en accord avec la substitution de Al[III] par Fe[III] et Mg[II] par Fe[II] dans des

phases argileuses (notamment la chlorite)

 Présence de goethite (~30%)

Phase à 12 K δ

(mm.s^-1)

∆ ou Ԑ (mm.s^-1)

H (kOe)

A.R %

D1(Fe III) 0,470 0,836 55

D2 (Fe II) 1,272 2,71 14

S1(Goethite) 0,60 -0,2 480 23

S2 (Goethite 0,56 -0,08 500 8

-10 0 10

1550000 1560000 1570000 1580000 1590000

Coups

V(mm/s) Fe³⁺

Fe²⁺

Goethite

12 K

 Schiste ardoisier

12/21 II. Caractérisation des géomatériaux par DRX et par spectrométrie Mössbauer

Spectre Mössbauer du ⁵⁷Fe à 12 K

(13)

-10 0 10 4.52x10⁵

4.54x10⁵ 4.56x10⁵ 4.58x10⁵ 4.60x10⁵ 4.62x10⁵

Coups

V (mm/s)

Goethite SP hématite

Goethite

Grès 300 K

 Grès

Pas ou peu de fer en substitution dans les phases argileuses Fer engagé dans des phases minérales (goethite et hématite)

Phase à 9K δ (mm.s^-1)

∆ ou Ԑ (mm.s^-1)

H (kOe)

A.R %

Goethite 0,48 -0,12 497 51

Hematite 0,48 -0,08 532 49

-10 0 10

1.82x10⁶ 1.84x10⁶ 1.86x10⁶ 1.88x10⁶

Coups

V (mm/s)

hématite goethite

Grès 9 K

T= 9 K

(14)

 Latérite

Pas ou peu de fer en substitution dans les phases argileuses

Importante contribution superparamagnétique de la goethite à 300K Fer engagé dans des phases minérales (Goethite et hématite)

Phase à 9K δ (mm.s^-1)

∆ ou Ԑ (mm.s^-1)

H (kOe)

A.R %

Goethite 0,46

0,46

- 0,12

502

487

28

32

Hematite 0,46 - 0,09 532 40

-10 0 10

2.00x10⁶ 2.01x10⁶ 2.02x10⁶ 2.03x10⁶ 2.04x10⁶

Coups

v (mm/s)

hématite goethite

latérite 9 K

T = 9 K

(15)

Schiste Grès

latérite

Caractérisation par spectrométrie Mössbauer des géomatériaux : conclusion

 Statut du fer différent dans les 3 géomatériaux

 Quel impact sur la sorption des ions phosphate?

-10 0 10

1550000 1560000 1570000 1580000 1590000

Coups

V(mm/s) Fe³⁺

Fe²⁺

Goethite

12 K

-10 0 10

2.00x10⁶ 2.01x10⁶ 2.02x10⁶ 2.03x10⁶ 2.04x10⁶

Coups

v (mm/s)

hématite goethite

latérite 9 K

-10 0 10

1.82x10⁶ 1.84x10⁶ 1.86x10⁶ 1.88x10⁶

Coups

V (mm/s)

hématite goethite

Grès 9 K

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PLAN DE L’EXPOSÉ :

• Grès

• Latérite

(17)

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

qe (mg.g-1)

Dose de matériaux (g.L^-1)

Latérite Grès Schiste

[PO₄^3-]=25 mg.L^-1 ; t_agitation = 24h

R = 100% pour une dose de 20 g.L^-1 (latérite) et 40 g.L^-1 (grès) R 100% pour le schiste (sur la gamme étudiée)

R augmente avec la dose de matériau qui augmente mais q_e diminue jusqu’à

~ 0,2 mg.g^-1 pour le schiste et ~ 0,5 mg.g^-1 pour la latérite et le grès.

q_e Latérite  Grès  Schiste vis-à-vis de l’élimination des ions phosphate aux faibles doses ; q_e Latérite ~ Grès  Schiste aux fortes doses

 Influence de la concentration en géomatériaux

0 20 40 60 80 100 120

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110

R (%)

Dose de matériaux (g.L^-1)

Laterite Grès Schiste

(18)

 Cinétique d’adsorption

0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

qt (mg.g-1)

Temps (min)

Latérite Grès

2 étapes :

- Cinétique rapide (~ 2h ) (Adsorption)

- Cinétique lente (t_éq.~ 1800 min (Schiste), t_éq.~1440min (Grès et Latérite) (Diffusion à l’intérieur des pores)

La latérite est plus efficace que le grès et le schiste en termes de capacité d’adsorption.

[PO₄^3-] = 25 mg.L^-1

[schiste] : 80 g.L^-1; [latérite] et [grès] : 8 g.L^-1 pH~ 6,5-7

t_éq 0,1

0,12 0,14 0,16 0,18 0,2 0,22 0,24

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 qt (mg.g-1)

Temps (min) Schiste

t_éq

q_maxS~ 0,2 mg.g^-1 q_maxG ~ 2,8 mg.g^-1 q_maxL ~ 3,2 mg.g^-1

(19)

PLAN DE L’EXPOSÉ :

• Grès

• Latérite

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IV. Conclusion et perspectives

 Le fer est majoritairement en substitution dans des phases argileuses dans le schiste et sous forme d’oxydes ferriques de type hématite et goethite dans le grès et la latérite (en proportions identiques).

 Le fer serait ainsi « moins disponible » dans le schiste vis-à-vis de la sorption des ions phosphate?

 Forte influence de la concentration en géomatériaux sur l’élimination des ions phosphate :

q_e Latérite  Grès  Schiste vis-à-vis de l’élimination des ions phosphate aux faibles doses ; q_e Latérite ~ Grès  Schiste

aux fortes doses

 Adsorption des ions phosphate (schiste, grès et latérite) en réacteur colonne

 Essais sur pilote de marais artificiel planté de panicum maximum et garni de schiste ardoisier

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SORPTION DES ANIONS PHOSPHATE PAR DES