Désorption du cuivre et régénération de la sciure de bois

Généralités sur le cuivre

Le Canada compte parmi les principaux producteurs de cuivre. En 1981, le Canada venait au quatrième rang, avec 8,33 pour cent de la production totale (Santé Canada, 1992). C’est la Colombie Britannique et l’Ontario qui sont les deux provinces qui produisent le plus de cuivre (Ressources naturelles Canada, 2012). Les diverses propriétés du cuivre, qui sont abordés en détails plus loin, font de ce métal l’un des métaux les plus utiles. Le cuivre se trouve non seulement dans la croûte terrestre, mais également dans tous les animaux et les plantes sous formes d’oligo-éléments qui sont indispensables à la vie, mais ils peuvent devenir toxiques à des concentrations élevées (Santé Canada, 1992).

Propriétés physicochimiques du cuivre

Le cuivre est un élément chimique de symbole Cu. C’est un métal de couleur rougeâtre. Son numéro atomique est égal à 29 et sa masse molaire est de 63,57 g.mol-1. Il possède une haute conductivité thermique et électrique, à température ambiante. Le cuivre résiste à la corrosion de l’air et de l’eau. Mais il est attaqué par les acides (Sigg, Behra et Stumm, 2006).
Les modèles pour les eaux naturelles montrent que le cuivre est sous forme de Cu2+ jusqu’à un pH de 6. Entre pH 7 et 8, il sous trouve sous forme de Cu(OH)+ et Cu(CO)3. À pH au dessus de 8, il y a formation du complexe Cu(OH)2 (Sigg, Behra et Stumm, 2006).

Utilisations

Le cuivre est le deuxième élément le plus utilisé, après le fer (Santé Canada, 1992). Du fait de la grande conductivité métallique, le cuivre est utilisé pour la production de fil électrique et dans la fabrication d’alliages comme le laiton et le bronze. Ses vertus bactéricides et antifongiques et sa résistance à la corrosion justifient son utilisation dans les tuyaux et d’appareillages de plomberie. Il est utilisé dans la fabrication des peintures marines, des ustensiles de cuisine et dans les préparations de pesticides comme fongicide et comme agent antimicrobien (Lenoir, 2011 ; Santé Canada, 1992).

Impact sur la santé humaine et l’environnement

Le cuivre, à très faible dose est un élément essentiel pour le métabolisme humain. Il est nécessaire à de nombreuses réactions enzymatiques, à la synthèse de l’hémoglobine et la fonction immunitaire (Lenoir, 2011 ; Santé Canada, 1992). Toutefois, sa carence entraîne divers troubles cliniques, notamment des problèmes de croissance et des anomalies des tissus chez les nourrissons, ayant souffert d’un manque de cuivre durant la grossesse. Par contre, une absorption trop forte de cuivre provoque une intoxication pouvant causer la détérioration des globules rouges, des poumons, du foie et des fonctions pancréatiques. L’ingestion de plus de 15 mg de cuivre s’est révélée toxique pour les humains. Les symptômes d’une intoxication au cuivre se présentent sous forme de nausées et des vomissements, suivis du coma et, éventuellement, de la mort. L’Organisation mondiale recommande un apport quotidien de 30 µg/kg poids corporel par jour (ou 2,1 mg/jour) dans le cas d’un homme adulte et de 80 µg/kg poids corporel par jour pour les nourrissons (Santé Canada, 1992).

Généralités sur l’adsorption et la désorption

L’adsorption est un phénomène naturel qui se traduit par l’accumulation des molécules d’un fluide (gaz ou liquide) à l’interface d’un solide adsorbant via des interactions plus ou moins fortes. L’adsorbât se fixe sur les sites dits « actifs » de l’adsorbant. Parmi les adsorbants les plus courants il est possible de citer : les charbons actifs, les zéolithes, les gels de silice, les alumines activées, les adsorbants à base de polymères et les bioadsorbants. Le phénomène inverse d’adsorption est appelé désorption. Selon la nature des forces attractives mises en jeu, il existe deux types d’adsorption : la chimisorption et la physisorption (Edeline, 1985).

Adsorption et désorption

Selon Weber, «Tout solide est un adsorbant potentiel». Le phénomène d’adsorption est serait ainsi pour toutes les surfaces. Dès qu’un liquide ou un gaz est mis en contact d’un solide, il y a une adsorption d’une façon spontanée (Edeline, 1985).
«L’adsorption est le processus au cours duquel des molécules d’un fluide (gaz ou liquide), appelé un adsorbât, viennent se fixer sur la surface d’un solide, appelé un adsorbant. Par la surface du solide, on sous-entend les surfaces externes et internes engendrées par le réseau de pores et cavités à l’intérieur de l’adsorbant» (Sun et Meunier, 2003).
L’adsorption est un phénomène de surface, qu’il ne faut pas confondre avec l’absorption. L’absorption est l’incorporation des molécules de gaz ou liquide dans la totalité du volume du matériau solide (absorbant). L’adsorption et l’absorption peuvent être regroupées dans le terme sorption. La désorption est la transformation inverse de la sorption, par laquelle les molécules sobres se détachent de l’adsorbant (McNaught et Wilkinson, 1997).
L’adsorption est une fixation d’une molécule sur la surface du solide, à l’encontre de l’échange ionique qui engendre la libération d’un ion par le solide appelé échangeur d’ions. Cet ion sera remplacé par un autre présent dans le milieu aqueux (Desjardins, 1997).

Cinétique d’adsorption du cuivre sur la sciure de bois

Temps d’équilibre

Dans les études présentées dans la littérature, les rendements d’adsorption maximaux du cuivre sur la sciure de bois sont, généralement, obtenus après un temps de contact assez court, allant de 5 min à 3 h. Les travaux Larous et al. (2005) sur l’adsorption du cuivre par la sciure de bois (essence d’arbre non identifié), ont montré que 5 min sont suffisantes pour que l’équilibre soit atteint (capacité d’adsorption maximale est de 1,5 mg/g). Lors de leurs études d’adsorption du cuivre sur la sciure de tilleul, hêtre et peuplier, Božić et al. (2009) ont montré que l’adsorption maximale (7-8 mg/g) est obtenue après 20 min de temps de contact pour les trois types d’arbres (Bozić et al., 2009). De même, Witek-Krowiak (2013) ont montré qu’un temps de contact de 20 min est nécessaire pour atteindre l’équilibre. Ces chercheurs ont utilisé un temps de contact de 20 min pour étudier les effets d’autres paramètres sur l’adsorption du cuivre sur la sciure d’hêtre.
Par ailleurs, un temps de contact plus long a été trouvé par Rahman et al.2009 et Ajmal et al.(1998). Rahman et al.2009 ont montré que 82 % (2.06 mg/g) du cuivre, qui correspond à la quantité maximale adsorbée par la sciure de l’érable, est obtenu après un temps de contact de 1 h. Lors de leurs études sur l’adsorption du cuivre sur la sciure du manguier, Ajmal et al. (1998) ont trouvé qu’un temps de contact de 1 h est nécessaire pour atteindre l’équilibre (capacité d’adsorption maximale est de 10,2 mg/g). Par la suite, les chercheurs ont adopté le temps de contact de 1.5 h pour poursuivre leurs expériences. Šćiban et Klašnja (2004), en étudiant l’adsorption du cuivre sur la sciure de peuplier, ont montré qu’il fallait un temps d contact de 3 h pour que l’équilibre soit atteint. De même, Yu et al. (2001) ont démontré qu’après 3 h de temps de contact les rendements maximaux d’adsorption du cuivre sur la sciure de l’érable sont atteints (90 %) (Šćiban et Klasnja, 2004).

Équilibre d’adsorption du cuivre sur la sciure de bois

Isothermes d’adsorption du cuivre sur la sciure de bois

Afin de définir le modèle théorique d’isotherme que suit l’adsorption du cuivre sur la sciure de bois, les chercheurs ont utilisé les résultats expérimentaux et l’ont appliqué sur différents modèles théoriques comme Freundlich, Langmuir et BET.
Les données expérimentales de l’isotherme d’adsorption du cuivre sur la sciure de pin suivent le modèle de Freundlich, avec une constante de corrélation R de l’ordre de 0.99 et une capacité maximale d’adsorption de 0.38 mg/g (Srinivasa Rao et al., 2006). De même, Ajmal et al. ont montré que l’adsorption optimale du cuivre sur la sciure de manguier suit mieux le modèle de Freundlich que celui de Langmuir, avec une constante de corrélation R de l’ordre de 0.99.
Les essais de Rahman et al.(2009) ont montré que les modèles de Langmuir et Freundlich sont favorables pour l’adsorption du cuivre sur la sciure d’érable. Toutefois, ils ont déduit que le modèle de Langmuir décrit mieux cette adsorption. La capacité maximale d’adsorption obtenue par ce dernier est de 9.2 mg/g. Les études d’Ofomaja et al. (2010) sur l’adsorption du cuivre sur la sciure de Mansonia ont montré que le modèle de Langmuir simule mieux l’adsorption que les modèles de Freundlich et BET.

Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 REVUE DE LA LITTÉRATURE 
1.1 Généralités sur le cuivre 
1.1.1 Propriétés physicochimiques du cuivre
1.1.2 Utilisations
1.1.3 Impact sur la santé humaine et l’environnement
1.2 Généralités sur l’adsorption et la désorption 
1.2.1 Définitions
1.2.1.1 Adsorption et désorption
1.2.1.2 Chimisorption et physisorption
1.2.1.3 Adsorbant
1.2.2 Cinétique d’adsorption
1.2.2.1 Mécanisme d’adsorption
1.2.2.2 Modèles théoriques de la cinétique d’adsorption
1.2.3 Équilibre d’adsorption
1.2.3.1 Présentation d’une isotherme
1.2.3.2 Classification des isothermes
1.2.3.3 Modèles théoriques d’isothermes
1.2.3.4 Paramètres influençant l’équilibre d’adsorption
1.2.4 Désorption et régénération
1.3 Adsorption du cuivre sur la sciure de bois 
1.3.1 Caractérisation de la sciure de bois
1.3.1.1 Granulométrie
1.3.1.2 Taux d’humidité
1.3.1.3 Taux de cendre
1.3.2 Cinétique d’adsorption du cuivre sur la sciure de bois
1.3.2.1 Temps d’équilibre
1.3.2.2 Modèles cinétiques théoriques : ordre d’adsorption
1.3.3 Équilibre d’adsorption du cuivre sur la sciure de bois
1.3.3.1 Isothermes d’adsorption du cuivre sur la sciure de bois
1.3.3.2 Paramètres influençant l’équilibre d’adsorption du cuivre sur la sciure de bois
1.3.4 Comparaison des capacités d’adsorption de différents types de sciure de bois
1.3.5 Désorption du cuivre et régénération de la sciure de bois
1.3.6 Interférences
1.3.6.1 Effet de la salinité du milieu
1.3.6.2 Effet de la présence d’un métal
CHAPITRE 2 MATÉRIEL ET MÉTHODES
2.1 Matériel et produits utilisés 
2.1.1 Produits utilisés
2.1.2 Instrumentations
2.2 Méthodologie 
2.2.1 Caractérisation de la sciure d’épinette
2.2.1.1 Analyse physico-chimique
2.2.1.2 Analyse acido-basique
2.2.2 Adsorption du cuivre sur la sciure d’épinette
2.2.2.1 Étude des isothermes et cinétique
2.2.2.2 Paramètres influençant l’équilibre d’adsorption du cuivre sur la sciure d’épinette
2.2.3 Désorption et régénération
2.2.3.1 Désorption de cuivre par différents éluants
2.2.3.2 Régénération de la sciure de bois
2.2.4 Interférences
CHAPITRE 3 RÉSULTATS 
3.1 Caractéristiques de la sciure
3.1.1 Analyses physico-chimiques
3.1.1.1 Granulométrie de la sciure d’épinette
3.1.1.2 Taux d’humidité
3.1.1.3 Taux de cendre
3.1.2 Analyse acido-basique
3.2 Adsorption du cuivre sur la sciure d’épinette 
3.2.1 Cinétique d’adsorption
3.2.1.1 Temps d’équilibre
3.2.1.2 Détermination de l’ordre cinétique
3.2.2 Équilibre d’adsorption du cuivre sur la sciure d’épinette
3.2.2.1 Isotherme d’adsorption
3.2.2.2 Application des modèles théoriques : Langmuir et Freundlich
3.2.2.3 Paramètres influençant l’équilibre d’adsorption
3.3 Désorption et régénération 
3.3.1 Désorption du cuivre
3.3.2 Régénération de la sciure d’épinette
3.4 Interférences 
3.4.1 Effet de la salinité du milieu : NaCl et MgSO4
3.4.2 Effet de la présence d’un autre métal : Pb et Zn
CHAPITRE 4 SYNTHÈSE ET DISCUSSIONS 
CONCLUSION

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