Soutenance mémoire
Il est bien difficile de trouver une définition précise du terme « polluant émergent ». Ce terme assez générique regroupe les polluants d’origine chimique ou biologique. Il s’agit bien souvent de molécules, pas nécessairement d’usage nouveau, mais nouvellement recherchées et pour lesquelles les données sont rares. La plupart de ces substances identifiées dans les eaux sont connues ou suspectées pour avoir des effets néfastes sur les fonctions endocriniennes, la santé et la nature des écosystèmes aquatiques. Parmi les problèmes environnementaux liés à la pollution organique des eaux, ceux qui sont provoqués par des composés organiques tels que les colorants, les perturbateurs endocriniens (PEs) et les médicaments anti inflammatoires non stéroïdiens (AINSs) sont très fréquents. Ces composés synthétiques sont produits en très grandes quantités et ont de très larges utilisations et/ou consommations.
La fixation des colorants sur les fibres est relative et les effluents rejetés sont chargés en colorants. Ces rejets posent des problèmes désastreux pour la chaîne alimentaire aquatique par l’inhibition de la photosynthèse de la flore aquatique. Les colorants synthétiques sont des composés récalcitrants, résistants à la biodégradation et ont des effets mutagènes, tératogènes, cancérigènes et/ou toxiques à la vie aquatique. Les PEs sont très répandus dans les effluents aqueux des usines de plastique et des résines et provoquent des perturbations endocriniennes dans les corps de la faune aquatique. Aussi, les AINSs sont connus pour avoir des risques potentiels pour l’écosystème aquatique tels que des effets perturbateurs endocriniens et des effets secondaires graves, car ils provoquent à l’origine des effets biologiques spécifiques ou parfois ils sont difficiles de prévoir.
Ces dernières années, les influences de plusieurs polluants organiques sur l’environnement sont devenues plus claires et la recherche est continue pour développer des procédés efficaces d’élimination des ces contaminants récalcitrants. Ces polluants sont généralement des produits et/ou des sous-produits industriels. S’ils ne sont pas récupérables, un traitement destructif et/ou élimination appropriée est nécessaire. Les eaux résiduaires industrielles sont traitées avant l’évacuation à l’aide d’une chaîne de traitement primaire, secondaire et parfois tertiaire. La majorité des techniques de traitement avancées utilisées pour l’élimination des polluants organiques solubles dans ces eaux sont basées sur l’adsorption sur charbon actif, l’osmose inverse et la nanofiltration, l’oxydation chimique, biologique et les technologies d’oxydation avancées. Quelques une de ces méthodes possèdent des capacités d’élimination limitées et d’autres ont des coûts d’investissement très élevés, ce qui rend leurs utilisations inadéquates.
Le procédé de séparation par membrane liquide émulsionnée (MLE) est un nouveau procédé membranaire basé sur l’extraction liquide-liquide. Cette technique est principalement utilisée pour l’élimination, la récupération et la concentration de divers polluants ou des solutés de valeur, solubles dans des solutions aqueuses et surtout lorsque le soluté à séparer est présent à faibles concentrations. L’extraction par MLE est un important sujet de recherche du fait de sa grande variété d’application qui couvre la séparation des gaz, des hydrocarbures, la récupération des composés organiques, des ions métalliques et des terres rares, l’élimination des polluants et la séparation de substances radioactives, bioactives et des produits pharmaceutiques. L’objectif principal de ce travail est de déterminer la possibilité de développer deux systèmes de membrane liquide émulsionnée pour l’élimination des colorants anioniques, des PEs et des médicaments AINSs à partir de solutions aqueuses diluées. Deux idées directrices ont servi de point de départ à la conception de cette thèse :
● L’optimisation de la préparation d’une émulsion E/H stabilisée par le Span 80 comme tensioactif nonionique dans de l’hexane comme diluant et une phase aqueuse interne (de réception) de carbonate de sodium. L’émulsion stable produite est utilisée pour l’élimination des colorants anioniques et les AINSs présents à faible concentrations dans des solutions aqueuses.
● La préparation d’une autre émulsion E/H en employant le tensioactif Span 80 dans de l’hexane comme diluant et une phase aqueuse interne d’hydroxyde de sodium. Cette émulsion est utilisée pour extraire les molécules de bisphénol A et de 4-cumylphénol présentes dans des phases aqueuses externes.
Colorants et pollution associés à leurs utilisations
Les colorants, composés chimiques colorés naturels ou synthétiques en général organiques, ont la propriété de colorer durablement le support sur lequel ils sont appliqués dans certaines conditions. Ces composés sont utilisés pour colorer les textiles, les encres, les peintures, les vernis, les produits alimentaires, etc. [1]. Ils ont été utilisés très largement comme médicament anti-infectieux avant la découverte des sulfamides et des antibiotiques [2]. Les colorants synthétiques contiennent des groupes aromatiques substitués et hétéroaromatiques. La couleur des colorants résulte des chaînes ou des noyaux conjugués qui peuvent absorber dans différentes régions de longueur d’onde. Les chromophores des colorants organiques sont composés habituellement de double liaison carbone-carbone, de double liaison azote-azote, de double liaison carbone-azote, de noyaux aromatiques et d’hétérocycliques contenant l’oxygène, l’azote ou le soufre..
On dénombre environ 8 000 colorants synthétiques chimiquement différents, répertoriés dans le « Colour Index » (CI) sous 40000 dénominations commerciales. Les colorants y sont classés dans le CI avec deux systèmes. Le premier est numérique, avec cinq chiffres, par exemple CI 11110. Le deuxième système est un nom de CI indiquant la catégorie chimique, la couleur et un numéro d’identification par exemple C.I. Acid Blue 25 [4,5]. Les colorants peuvent être classés par couleur, utilisation prévue, nom commercial, constitution chimique et domaine d’application.
Colorants anioniques
Les colorants sont des molécules insaturées qui doivent avoir une affinité pour les fibres sur lesquels sont appliquées. Les groupements fonctionnels du colorant (NH2 ou OH) sont physiquement liés à la fibre par une ou plusieurs forces physiques (liaison d’hydrogène, forces ioniques) et dans certains cas chimiquement liés par des liaisons covalentes [8,11]. Dans ce travail, nous nous intéresserons aux colorants contenants des groupes fonctionnels anioniques. Cette catégorie contient les colorants acides, à mordant, métallifères et directs. Certains de ces colorants contient des groupes fonctionnels qui sont les sels de sodium des acides sulfoniques ou carboxyliques. Ces groupes fonctionnels fournissent la solubilité dans l’eau au colorant [8]. Les colorants anioniques sont probablement parmi les types les plus simples et sont appliqués directement sur le tissu avec une large gamme de couleurs. Cependant, ils ont tendance à avoir une mauvaise fixation, engendrant sur les effluents textiles une contamination du fait qu’ils sont cancérigènes et/ou toxiques..
Colorants acides
Les colorants acides ont des masses moléculaires entre 300 et 500 et contiennent un ou plusieurs groupes fonctionnels de sel d’acide sulfonique ou carboxylique (Figure I.1.a). Ils sont appliqués sur les fibres à partir d’une solution acide. La charge positive de la fibre dans les solutions acides agit en tant que force motrice pour la diffusion et la migration du colorant dans la fibre. Seulement les fibres qui développent une charge positive en présence de l’acide, comme la laine, la soie et d’autres fibres de protéine, le nylon et certaines fibres synthétiques modifiées, sont aisément teintées par les colorants acides [8,11,13]. Cette classe de colorants est largement utilisée de nos jours et la palette des nuances réalisables est parmi les plus complètes..
Colorants à mordant
Les colorants à mordant (Figure I.1.b) sont des colorants acides qui ont des sites spéciaux autres que les groupes acides anioniques de sel qui peuvent réagir avec un mordant de sel métallique. Les colorants à mordant sont chélatés avec des ions métalliques pour former un complexe organométallique fort d’une solubilité limitée et de plus grande solidité à la couleur [8]. Ce terme générique a des origines très anciennes : en effet, un grand nombre de colorants naturels ne pouvait se fixer sur les fibres textiles qu’après traitement préalable de ces dernières. Ce traitement, dénommé mordançage, consistait à précipiter dans les fibres textiles des oxydes de certains métaux (Al, Fe, Co, Cr) avec lesquels les colorants pouvaient ensuite former une laque insoluble solidement fixée à la matière textile..
Colorants directs
Le premier colorant de cette série fut le rouge Congo (Figure I.1.e) qui s’avère capable de teindre directement le coton sans intervention d’aucun mordant. Les colorants directs (également appelés substantifs) sont des colorants solubles dans l’eau (présence de groupes sulfonates) et ont des masses moléculaires supérieures à 500 [13]. Ils se distinguent des colorants acides par leur affinité pour les fibres cellulosiques, une affinité en partie due à leur forme linéaire et à la structure coplanaire des noyaux aromatiques entrant dans leur constitution. Les colorants directs contiennent souvent un ou plusieurs groupes azoïques reliant les chromophores aromatiques, fournissant de ce fait une molécule de teinture de chaîne droite. La famille des colorants directs est la deuxième en nombre de représentants (après les colorants acides et métallifères qui ne constituent qu’une seule classe dans le « Colour Index »). Les principaux avantages de ces colorants sont la grande variété des coloris, leur facilité d’application et leur prix modique. Par contre, leur inconvénient principal réside dans leur faible solidité au mouillé .
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Table des matières
INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE I : ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE
I.1. INTRODUCTION
I.2. COLORANTS DANS L’ENVIRONNEMENT : UNE CONTAMINATION PREOCCUPANTE
I.2.1. Colorants et pollution associés à leurs utilisations
I.2.2. Colorants anioniques
I.2.2.1. Colorants acides
I.2.2.2. Colorants à mordant
I.2.2.3. Colorants métallifères
I.2.2.4. Colorants directs
I.2.3. Sources et problèmes des colorants dans l’environnement
I.3. PERTURBATEURS ENDOCRINIENS
I.3.1. Généralités sur les perturbateurs endocriniens
I.3.2. Système endocrinien
I.3.3. Produits chimiques potentiellement des perturbateurs endocriniens
I.3.4. Bisphénol A, utilisations et caractéristiques
I.3.5. Bisphenol A : Un Xénoestrogène Omniprésent
I.3.5.a. Mécanisme d’action du BPA dans les cellules
I.3.5.b. Effets du BPA sur l’environnement
I.4. COMPOSES PHARMACEUTIQUES DANS L’ENVIRONNEMENT
I.4.1 Source et dispersion des médicaments dans les eaux naturelles
I.4.2 Anti-inflammatoires non stéroïdiens
I.4.3 Effets de l’ibuprofène sur l’environnement
I.5. TRAITEMENT AVANCE DES EAUX RESIDUAIRES INDUSTRIELLES
I.5.1. Besoin d’un traitement avancé des eaux résiduaires industrielles
I.5.2. Élimination des contaminants organiques
I.5.3. Comparaison entre les procédés de traitement avancé
I.5.4. Comparaison entre la membrane liquide et les procédés avancés
I.6. GENERALITES SUR LES MEMBRANES LIQUIDES
I.6.1.1. Comparaison entre les différents types de ML
I.6.1.2. Mécanismes de transport dans les MLs
I.6.2. Généralités sur les membranes liquides émulsionnées
I.6.2.1. Mécanismes et force motrice d’extraction
I.6.2.1.1. Système de type I
I.6.2.1.2. Mécanisme de transport dans le système de type I
I.6.2.1.3. Système de type II
I.6.2.1.4. Mécanisme de transport dans le système de type II
I.6.2.2. Applications industrielles de la membrane liquide émulsionnée
I.6.3. Description générale du procédé d’extraction par membrane liquide émulsionnée
I.6.4. Composition et préparation des membranes liquides émulsionnées
I.6.4.1. Composition de l’émulsion
I.6.4.1.1. Phase interne
I.6.4.1.2. Tensioactifs
I.6.4.1.3. Extractants
I.6.4.1.4. Diluants
I.6.4.2. Formation de l’émulsion
I.6.4.3. Extraction et séparation de l’émulsion (décantation)
I.6.4.4. Désémulsification
I.6.4.4.1. Traitement chimique
I.6.4.4.2. Traitements physiques
I.6.4.4.2.1. Traitement thermique
I.6.4.4.2.2. Traitement électrostatique
I.6.4.4.2.3. Traitement acoustique
I.6.4.4.2.4. Traitement membranaire
I.7. CONCLUSION
CHAPITRE II : ENLEVEMENT DES COLORANTS ANIONIQUES PAR MEMBRANE LIQUIDE EMULSIONNEE
II.1. INTRODUCTION
II.2. MATERIEL ET METHODES
II.2.1. Réactifs et matériel
II.2.1.1. Tensioactif (Span 80)
II.2.1.2. Diluants
II.2.1.3. Colorants
II.2.1.4. Autres réactifs
II.2.1.5. Homogénéiseur
II.2.2. Méthodes
II.2.2.1. Préparation de l’émulsion
II.2.2.2. Stabilité de l’émulsion
II.2.2.3. Calcul du taux de rupture de la membrane
II.2.2.4. Méthode analytique
II.2.2.5. Extraction du colorant
II.2.2.6. Désémulsification
II.3. RESULTATS ET DISCUSSION
II.3.1. Étude de la stabilité de l’émulsion
II.3.1.1. Effet du temps d’émulsification
II.3.1.2. Effet de la concentration de la phase interne
II.3.1.3. Effet de la concentration du tensioactif
II.3.1.4. Effet du rapport volumique de la phase interne sur la phase membrane
II.4. ETUDE DE L’EXTRACTION DES COLORANTS ANIONIQUES PAR MEMBRANE LIQUIDE EMULSIONNEE
II.4.1. Effet de la concentration de l’acide sulfurique dans la phase externe
II.4.2. Effet du type d’acide dans la phase externe
II.4.3. Effet de la concentration de la phase interne
II.4.4. Effet du type de la phase interne
II.4.5. Effet de la concentration du tensioactif
II.4.6. Effet de la vitesse d’agitation sur le rendement d’extraction
II.4.7. Effet du rapport volumique de la phase interne sur la phase organique
II.4.8. Effet du rapport volumique de traitement (émulsion/externe)
II.4.9. Effet du type de diluant
II.4.10. Effet de la concentration initiale du colorant dans la phase externe
II.4.11. Effet de la présence de sel sur le rendement d’extraction
II.4.12. Etude de l’extraction de l' »Acid Blue 25″ et du mélange de deux colorants anioniques
II.4.13. Effet de la concentration de la phase interne sur l’efficacité de désextraction
II.4.14. Effet du recyclage de la membrane sur l’efficacité d’extraction
II.5. CONCLUSION
CHAPITRE III : ELIMINATION DES PERUTBATEURS ENDOCRINIENS PAR MEMBRANE LIQUIDE EMULSIONNEE
III.1. INTRODUCTION
III.2. MATERIEL ET METHODES
III.2.1. Réactifs
III.2.2. Préparation des solutions d’alimentation
III.2.3. Préparation de l’émulsion
III.2.4. Stabilité de la membrane
III.2.5. Extraction du BPA
III.2.6. Désémulsification
III.2.7. Méthode analytique
III.3. RESULTATS ET DISCUSSION
III.3.1. Étude de la stabilité de l’émulsion
III.3.1.1. Effet de la concentration du tensioactif
III.3.1.2. Effet du temps d’émulsification
III.3.1.3. Effet de la concentration de la phase interne
III.3.1.4. Effet du rapport volumique de la phase interne sur la phase membrane
III.3.2. Etude de l’extraction du bisphenol A par membrane liquide émulsionnée
III.3.2.1. Effet de la concentration de l’acide sulfurique dans la phase externe
III.3.2.2. Effet du type d’acide dans la phase externe
III.3.2.3. Effet de la concentration de la phase interne
III.3.2.4. Effet du type de la phase interne
III.3.2.5. Effet de la concentration du tensioactif
III.3.2.6. Effet de la vitesse d’agitation
III.3.2.7. Effet du rapport volumique de la phase interne sur la pha se organique
III.3.2.8. Effet du rapport volumique de traitement (émulsion/externe)
III.3.2.9. Effet de la concentration du BPA dans la phase externe
III.3.2.10. Effet du type de diluant
III.3.2.11. Extraction de 4-cumylphénol dans les conditions optimisées
III.3.2.12. Effet de la présence de sel sur le rendement d’extraction
III.3.2.13. Effet de la concentration de la phase interne sur l’efficacité de désextraction
III.4. CONCLUSION
CHAPITRE IV : ELIMINATION DE L’IBUPROFENE ET DU KETOPROFENE PAR MEMBRANE LIQUIDE EMULSIONNEE
IV.1. INTRODUCTION
IV.2. MATERIEL ET METHODES
IV.2.1. Réactifs
IV.2.2. Préparations des solutions d’alimentation et de l’émulsion
IV.2.3. Conditions expérimentales et analytiques
IV.2.4. Mécanismes d’extraction de l’IBU et du KTO par membrane liquide émulsionnée
IV.3. RESULTATS ET DISCUSSION
IV.3.1. Effet de la concentration du tensioactif
IV.3.2. Effet du temps d’émulsification
IV.3.3. Effet de la concentration de l’acide sulfurique dans la phase externe
IV.3.4. Effet du type d’acide dans la phase externe
IV.3.5. Effet de la concentration de la phase interne
IV.3.6 Effet du type de la phase interne
IV.3.7. Effet de la vitesse d’agitation
IV.3.8. Effet du rapport volumique de la phase interne sur la membrane
IV.3.9. Effet du rapport de traitement (émulsion/externe)
IV.3.10. Effet du type de diluant
IV.3.11. Effet de la présence de sel sur le rendement d’extraction
IV.3.12. Extraction de l’IBU à partir des eaux minérale et de mer par MLE
IV.3.13. Extraction du kétoprofène dans les conditions optimales par MLE
IV.4. CONCLUSION
CONCLUSION GENERALE
