Soutenance mémoire
Notre planète est en grande partie recouverte d’un liquide qui fait son originalité : l’eau. Les réserves aquatiques terrestres se chiffrent à environ 14.10¹⁷ m3 , dont 97,2 % sont contenus dans les mers et les océans. L’eau douce ne représente qu’une faible part de ce total (2,8%), on estime que la terre en contient environ 39 10¹⁵ m3 répartis dans les glaciers, les lacs, les rivières, les réserves souterraines et l’atmosphère [1]. Plusieurs types d’industries utilisent les colorants synthétiques pour teindre leurs produits y compris l’industrie textile. Annuellement, plus de 7 x 10⁵ tonnes de ces colorants sont produits à l’échelle mondiale. Il est estime que 10 a 15 % de ces composes chimiques sont décharges dans les effluents de l’industrie textile [2]. [3] Ces rejets font partis des eaux usées les plus mal traitées et sont caractérisés par de fortes colorations, de fortes variations de pH, de fortes demandes chimiques en oxygène (DCO) et biotoxicité accrue à l’égard des bactéries [4,5]. La pollution par les déchets organiques toxiques est plus insidieuse qu’une pollution directe (odeur, couleur, trouble) car moins remarquable. La santé des organismes vivants se détériore lentement, leur vie est raccourcie, leur descendance pourra être atteinte de malformations, leur probabilité d’être atteint par un cancer augmentera… La faune aquatique n’est pas la seule concernée. Nous ingurgitons ces mêmes polluants toxiques sans le savoir, par le biais de la chaîne alimentaire, en consommant la chair de ces organismes vivants, végétaux, fruits, légumes….
LES COLORANTS: CLASSIFICATIONS, TOXICITES ET DANGER ENIRONNEMENTAL
Les colorants synthétiques représentent aujourd’hui un groupe relativement large de composés chimiques organiques rencontrés dans pratiquement toutes les sphères de notre vie quotidienne. La production mondiale est estimée à 700 000 tonnes/ an, dont 140 000 sont rejetées dans les effluents au cours des différentes étapes d’application et de confection [1,2]. Ces rejets, composés de surfactants, composés biocides, suspensions solides, agents de dispersion et de mouillage, colorants et métaux traces, sont toxiques pour la plupart des organismes vivants.
COLORANTS
Historique des colorants
Les colorants sont apparus il a y plus 4000 ans afin de teindre des pièces d’art confectionnées à cette époque. Très tôt, les colorants naturels sont obtenus à partir d’extraits de plantes ou d’animaux, par exemple, de fruits, de mûres, de fleurs, de racines et bien d’autres. Une des premières teintures qui fut utilisée est l’indigo. Une découverte importante est survenue en 1856, alors qu’un jeune chimiste anglais du nom de william Perkin réalise la première synthèse d’un colorant. Le colorant qu’il synthétisa devint célèbre sous l’appellation de mauve. Aujourd’hui, plus de 5000 colorants synthétiques ont été crées donnant ainsi naissance à une industrie de plusieurs milliards de dollars. Les colorants synthétiques sont plus populaires que les colorants naturels, car les premiers ont une plus grande durabilité et plus grande brillance. Même si presque chacun de nous a déjà été en contact avec des colorants, le principe de la teinture n’est pas si simple. En effet, ce ne sont pas tous les colorants qui peuvent être utilisés pour teindre les tissus. De plus, il ne faut pas seulement que le tissu soit coloré, mais aussi qu’il le demeure. Le tissu coloré doit donc résister aux agents destructeurs (lavage, soleil, blanchissage, vapeur, etc.) auxquels il sera exposé.
Par exemple, les colorants utilisés pour teindre les vêtements de sport doivent résister au lavage, aux rayons de soleil et à la transpiration.
Nature des colorants
Il excite deux grandes classes de colorants, soit les naturels et les synthétiques. En général de nature organique, les colorants ont la propriété de colorer de façon durable la matière sur laquelle ils sont appliqués, et ce, dans certaines conditions. Il existe seulement une dizaine de colorants naturels, mais plusieurs milliers de colorants synthétiques ont été fabriqués par le marché industriel. Les colorants naturels sont extraits des plantes, des fruits, des arbres, des lichens, des insectes ou des mollusques par des procèdes simples comme chauffage ou le broyage. Le jaune est le colorant naturel le plus répandu, mais l’indigo et le pourpre sont aussi présents en grande quantité.
Quant aux colorants synthétiques, ce sont des composés ayant comme matières premières des molécules telles que le benzène, issu de la distillation de la houille. A partir des matières premières, c’est grâce à une série de procédés chimiques, qui correspondent en général au remplacement d’un ou plusieurs atomes d’hydrogène du produit de départ par des éléments ou des radicaux particuliers, que sont fabriqués les intermédiaires. Ces intermédiaires serviront à la fabrication du colorant final.
Définition d’un colorant
C’est un produit capable de teindre une substance ou un ensemble de substances d’une manière durable. Il doit donc posséder des groupements qui lui confèrent la couleur: groupements chromophores et des groupements qui permettent une fixation permanente sur la substance à teindre: ce sont les groupements auxochromes (ce sont des groupements salifiables qui se présentent dans la solution de colorant sous forme de sels de sodium ou de calcium, ou de chlorures ou de sulfates).
Les composés organiques contenant un chromophore sont des chromogènes. Il n’y a qu’un petit nombre de groupements chromophores responsables du caractère coloré des colorants biologiques usuels, les principaux sont:
• Les groupes azo
• Les groupes azine
• Les groupe de type indamine ou thiazine
• le groupe nitro .
• et le noyau aromatique sous forme quinonique
Utilisation des colorants
L’industrie des colorants constitue un marché économique considérable car de nombreux produits industriels peuvent être colorés, principalement:
• Dans l’industrie textile, fourrure, cuir (textiles a usage vestimentaire, de décoration, du bâtiment, du transport, textiles a usage médical…).
• Dans l’industrie des matières plastiques (pigments).
• Dans l’industrie du bâtiment : peintures (pigments), matériaux de construction, céramiques….
• Dans l’imprimerie (encres, papier).
• Dans l’industrie pharmaceutique (colorants).
• Dans l’industrie des cosmétiques (dont les colorations capillaires).
• Dans l’industrie agroalimentaire (colorants alimentaires).
• Dans diverses industries, utilisés pour des carburants et des huiles.
Classification des colorants
Les principes de classification les plus couramment rencontrés dans les industries textiles, sont basés sur les structures chimiques des colorants synthétiques et sur les méthodes d’application aux différents substrats (textiles, papier, matières plastiques, …etc.).
Classification chimique
Le classement des colorants selon leur structure chimique se fonde sur la nature du groupe chromophore .
Colorants azoïques
Dès 1834, Mitscherlich a découvert l’azobenzène C6H5 – N=N – C6H5, mais c’est Peter Griess qui effectua, à partir de 1858, les premiers travaux systématiques. Les colorants azoïques constituent la famille la plus importante tant sur le plan de l’application, puisque plus de la moitié des 2 500 colorants commerciaux actuels sont des azoïques. Leur importance économique, en volume et en valeur, représente aussi la moitié du marché mondial des colorants [5]. Les colorants azoïques se répartissent en plusieurs catégories : les colorants basiques, acides, directs et réactifs solubles dans l’eau, les azoïques dispersés et à mordant nonioniques insolubles dans l’eau. Il est estimé que 10-15 % des quantités initiales sont perdues durant les procédures de teinture et sont évacués sans traitement préalable dans les effluents [6]. Or ces composés organiques cancérigènes sont réfractaires aux procédés de traitements habituellement mis en oeuvre et sont très résistants à la biodégradation .
❖ Propriétés physico-chimiques
On nomme « azoïques » les composés organiques caractérisés par le groupe fonctionnel azo- (- N=N -) unissant deux radicaux alkyle ou aryle identiques ou non (azoïques symétriques et dissymétriques). Le groupe azo- peut être répété dans une même molécule : on a affaire à des disazoïques, des trisazoïques et plus généralement à des polysazoïques. À côté des colorants azoïques, dérivés des séries aromatiques et hétérocycliques, les azoïques aliphatiques sont des réactifs parfois utiles, mais leur importance est sans commune mesure avec celle des colorants azoïques [5]. L’introduction de groupes azo entre deux noyaux aromatiques déplace le spectre d’absorption du benzène vers les grandes longueurs d’onde de telle sorte que la couleur apparaît (effet bathochrome). Le plus simple des azoïques, l’azobenzène, est jaune-orangé. L’introduction de groupes amine ou phénol a également un effet bathochrome, de même que la multiplication des groupes azoïques (exemple de colorant diazoïque , aussi peut-on obtenir presque toutes les nuances du spectre. La présence dans un tel édifice de substituants sulfonés, nitrés ou halogénés, donneurs d’électrons sur l’un des cycles aromatiques et accepteurs sur les seconds cycles, permet d’augmenter le phénomène de résonance. C’est ainsi que l’on peut jouer sur la couleur et sur les qualités de teinture. En général plus le système de la molécule est conjugué, plus la longueur d’onde qu’il absorbera sera grande. Cependant la complexité des molécules diminue la vivacité des nuances [8].
❖ Toxicité
La toxicité des azoïques par exposition aux colorants et à leurs métabolites n’est pas un fait nouveau. Dès 1895, l’augmentation du nombre de cancers de la vessie observés chez des ouvriers de l’industrie textile, est reliée à leur exposition prolongée aux colorants azoïques [9]. Depuis, les travaux effectués sur ces colorants ont démontré que ces composés chimiques présentaient des effets cancérigènes pour l’homme et l’animal [10, 11, 12, 14]. Les effets cancérigènes des composés azoïques s’expriment indirectement par leurs dérivés amines [10]. La liaison azo est la portion la plus labile de ces molécules et peut facilement se rompre sous l’action enzymatique [1] des organismes mammifères incluant l’homme, pour se transformer en composé amino cancérigène .
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Table des matières
INTRODUCTION GENERALE
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
CHAPITRE I LES COLORANTS: CLASSIFICATIONS, TOXICITES ET DANGER ENIRONNEMENTAL
INTRODUCTION
I-1- COLORANTS
I-1-1-Historique des colorants
I-1-2-Nature des colorants
I-1-3-Définition d’un colorant
I-1-4-Utilisation des colorants
I-1-5-Classification des colorants
I-1-5-1-Classification chimique
I-1-5-1-1-Colorants azoïques
I-1-5-1-2-Colorants anthraquinoniques
I-1-5-1-3-Colorants de triphénylméthane
I-1-5-1-4-Colorants indigoïdes
I-1-5-1-5- Colorants phtalocyanines
I-1-5-1-6-Colorants xanthène
I-1-5-1-7-Colorants nitrés et nitrosés
I-1-5-1-8-Mélanines
I-1-5-2-Classification tinctoriale
I-1-5-2-1-Colorants réactifs
I-1-5-2-2-Colorants directs
I-1-5-2-3-Colorants de cuve
I-1-5-2-4-Colorants à mordant
I-1-5-2-5-Colorants cationiques ou basiques
I-1-5-2-6-Colorants acides
I-1-5-2-7-Colorants métallifères
I-1-5-2-8- Colorants au soufre
I-1-5-2-9-Colorants développés ou azoïques insolubles
I-1-6-Toxicité et danger environnemental
I-1-6- 1-Dangers évidents
I-1-6- 1-1-Eutrophisation
I-1-6- 1-2-Sous-oxygénation
I-1-6- 1-3-Couleur, turbidité, odeur
I-1-6- 2-Dangers à long terme
I-1-6-2-1-Persistance
I-1-6- 2-2-Bio-accumulation
I-1-6- 2-3-Cancer
I-1-6- 2-4-Sous produits de chloration
I-2-ELIMINATION DES COLORANTS
I-2-1-Méthodes physiques
I-2-1- 1-Filtration sur membrane
I-2-1- 2-Adsorption (sur charbon actif)
I-2-1- 3-Méthode physico-chimique : coagulation – floculation
I-2-2-Méthodes chimiques
I-2-3-Méthodes biologiques
I-2-3-1-Traitement aérobie
I-2-3-2-Traitement anaérobie
I-3-CONCLUSION
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
CHAPITRE II TECHNIQUES D’OXYDAION AVANCEE (TOA)
INTRODUCTION
II-1- TECHNIQUES D’OXYDATION AVANCEE (TOA)
II-1-1- Principe de fonctionnement des principales techniques d’oxydation avancée
II-1-1-1-Procédé de fenton
II-1-1-2- Procédé photo fenton
II-1-1-3-Procédé UV/Fe3+oxalate/H2O2
II-1-1-4-H2O2/UV
II-1-1-5-Ozonation
II-1-1-6-O3/UV
II-2- PHOTOCATALYSE HETEROGENE
II-2-1-Catalyse, Catalyse hétérogène, Photocatalyse : Définition
II-2-2-Adsorption à la surface d’un matériau poreux
II-2-2-1-Transfert de masse et adsorption sur un solide
II-2-2-2- Phénomène d’adsorption
II-2-3- Dioxyde de titane (TiO2)
II-2-3-1-Généralités sur les oxydes semi- conducteurs a propriétés photocatalytiques
II-2-3-2-Formes cristallines de TiO2
II-2-3-3-Utilisation photocatalytique du TiO2dans le visible
II-2-4- Principe de la photocatalyse hétérogène
II-2-5-Paramétres influençant l’activité photocatalytique
II-2-5-1-photolyse directe
II-2-5-2-Effet de la surface spécifique
II-2-5-3-Influence du pH
II-2-5-4-Influence de la concentration initiale en polluant modèle de Langmuir-Hinshelwood
II-2-5-5-Influence du flux lumineux
II-2-5-6-Influence de la température
II-2-5-7-Influance de la concentration en catalyseur
II-2-5-8-Influence de rendement quantique
II-2-5-9-Influence de la cristallinité du catalyseur
II-2-6- Composés organiques traités par photocatalyse
II-2-6-1-Acides carboxyliques
II-2-6-2-Phénols, Acide benzoïque et dérives (composés aromatiques)
II-2-6-3-Composés chlorés
II-2-6-4-Composés azotés
II-2-6-5-Composés soufrés
II-2-6-6-Substances humiques
II-2-6-7-Pesicides
II-2-6-8-Huiles
II-2-6-9-Colorants
II-2-7-Application du dioxyde de Titane
II-2-7-1-Traitement anti-buée
II-2-7-2-Tentes et carrelage autonettoyants
II-2-7-3-Eclairage autonettoyant dans les tunnels
II-2-7-4-Carrelage bactéricide et autiviral
II-2-7-5-Purification de l’eau et de l’air
II-3-CONCLUSION
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
CHAPITRE III DEGRADATION PHOTOCATALYTIQUE DU METHYLE ORANGE EN PHASE AQUEUSE PAR L’OXYDE DE TITANE (TiO2)
INTRODUCTION
III-1-MATERIEL ET METHODES
III-1-1-Réactifs
III-1-2-Matériau
III-1-3-Appareillage analytique
III-1-3-1-Spectromètre UV- Visible
III-1-3-2-pH-métre
III-1-4-Photoréacteur
III-1-5-Méthodes
III-2-RESULTATS ET DISCUSION
III-2-1-Elaboration de dioxyde de titane par la méthode sol-gel
III-2-2-Techniques de caractérisation de TiO2
III-2-2-1- Microscopie Electronique
III-2-2-2- Spectroscopie Raman
III-2-2-3- Adsorption de nitrogène à 77,350 K (B.E.T)
III-2-3-Caractéristiques spectrophotométriques du méthyle orange
III-2-4- Etude de l’équilibre d’adsorption
III-2-5-Cinétique de photodégradation du méthyle orange
III-2-5-1-Effet de la concentration en TiO2
III-2-5-2-Effet de la concentration initiale du MeO
III-2-5-3-Effet du pH
III-2-5-4-Effet du NaCl
III-2-5-5-Effet du peroxyde d’hydrogène
III-2-6-Photodégradation direct et catalysée par les procédés TiO2/UV, H2O2/UV et TiO2/UV/H2O2 du méthyle orange
III-2-6-1-Photolyse directe à 365 nm
III-2-6-2-Dégradation de MeO par le processus H2O2/UV
III-2-6-3-Dégradation photocatalytique de méthyle orange (TiO2/UV)
III-2-6-4-Photodégradation de MeO par le procédé TiO2/ UV/H2O2
III-3- CONCLUSION
CONCLUSION GENERALE
