Soutenance mémoire
L’eau recouvre 72% de la surface de la planète. Près de 97% de l’eau planétaire se trouve dans les mers et les océans et 2% est sous forme de glaces polaires. L’eau douce liquide ne représente qu’environ 1%. Aujourd’hui, à l’échelle mondiale, les hommes prélèvent environ 3800 km3 d’eau douce chaque année pour leurs différents usages. Cette demande en eau n’a cessé d’augmenter au cours des dernières décennies du fait de la forte croissance démographique couplée à l’industrialisation, l’urbanisation et l’intensification agricole. L’utilisation d’un grand nombre de produits chimiques – pesticides, colorants et autres – a entrainé une dégradation de la qualité des eaux [1].
Les colorants sont, aujourd’hui, largement utilisés dans différents secteurs d’activités: industries agroalimentaires, cosmétiques, pharmaceutiques et notamment textiles et ce pour leur stabilité chimique, la facilité de leur synthèse et de production, ainsi que la grande variété de couleurs qu’ils offrent comparativement aux colorants naturels. Ces colorants synthétiques représentent un large groupe de composés chimiques. A titre d’exemple, la production mondiale des colorants tinctoriaux est estimée à 800000 t/an dont une partie non négligeable, approximativement 140 000 t/an, est rejetée lors des étapes de fabrication et coloration des tissus [2]. Cependant, de nombreuses études réalisées sur ces colorants ont démontré que certains de leur composés ont été reconnus pour les effets cancérigènes, mutagènes ou susceptibles d’avoir des actions de perturbateurs endocriniens sont à l’origine d’une pollution des eaux de surface et des nappes phréatiques lorsqu’ils sont rejetés dans l’environnement. La complexité structurale de leur molécule et leur toxicité font que ces composés ne sont pas biodégradables et ne sont généralement pas éliminés par les méthodes classiques de traitement des eaux. Ces composés dits bio-récalcitrants se retrouvent dans l’environnement pouvant ainsi contaminer les organismes vivants [3,4].
Face à la demande accrue de l’eau, conséquence du développement économique, notamment agricole, et d’un essor démographique, la dépollution des eaux usées et l’assainissement des réserves d’eau potable sont aujourd’hui une préoccupation majeure. Pour limiter les effets négatifs des rejets de ces colorants sur la biosphère, on a recours à des technologies diverses pour les éliminer ou du moins limiter leurs actions en réduisant au maximum leur concentration dans les effluents industriels ou dans les eaux destinées à la consommation humaine. Les procédés utilisés pour l’élimination des polluants réfractaires sont des méthodes de transfert de matière : en général, la floculation et l’adsorption sur charbon actif. Ces méthodes déplacent simplement la pollution dans de grandes quantités de boue ainsi créées et ne sont pas suffisamment actives pour résoudre les problèmes liées à la coloration. Ces dernières années, de nouveaux procédés chimiques d’élimination des composés toxiques se sont, en partie, substitués aux procédés physiques et biologiques. Leur utilisation a suscité un grand intérêt et ce, principalement pour leur faible coût, leur simplicité de mise en œuvre, leur faible production de boue, mais surtout pour leur efficacité avérée [5,6,7]. Les » procédés d’oxydations avancés » qui permettent la minéralisation en milieux aqueux des molécules organiques, par l’action des fameux radicaux hydroxyles, semblent représenter une alternative intéressante pour le traitement des composés réfractaires.
Les colorants
Les colorants sont pour la plupart synthétiques et représentent aujourd’hui un large groupe de composés chimiques. La production mondiale de ces colorants de synthèse est évaluée à 800 000 t/an. Une partie de ces colorants, approximativement 140 000 t/an, est rejetée lors des étapes de fabrication et coloration des tissus. Les industries textiles, utilisent principalement des produits chimiques, nuisibles pour la santé, comme certains colorants azoïques cancérogènes qui engendrent une pollution des eaux de surface et des nappes phréatiques. L’hétérogénéité de la composition des produits utilisés fait qu’il est extrêmement difficile d’atteindre des niveaux de pollution satisfaisant les seuils imposés par les normes environnementales, après traitement par les techniques utilisées.
Les procédés les plus simples et les plus anciens d’élimination des polluants réfractaires aux traitements biologiques sont des méthodes physiques de transfert de matière telles que la floculation et l’adsorption sur charbon actif. Ces méthodes déplacent simplement la pollution dans des grandes quantités de boues, et d’autre part, elles ne sont pas suffisamment actives pour éliminer la couleur. C’est pourquoi ces méthodes physiques sont à présent remplacées par des procédés chimiques basés sur l’oxydation des colorants par des agents chimiques qui sont généralement des systèmes générateurs de radicaux libres, en particulier du radical hydroxyle. Ces nouveaux procédés chimiques sont appelés procédés d’oxydation avancés (POAs) [1]. Dans cette synthèse bibliographique, on présentera des notions sur les colorants, leurs classifications, la toxicité engendrée par ceux-ci, ainsi que les procédés classiques et avancés de traitements des rejets colorés.
Définition
Depuis la préhistoire, l’homme a été intéressé par les colorants caractérisés par l’application de teintures naturelles pour les fourrures et le textile. Ces premières teintures étaient principalement d’origine végétale, ainsi que d’origine animale. Parmi ceux-ci, on cite l’Indigo naturel obtenu de la plante Indigofera tinctoria, le pourpre Tyrien extrait de la glande d’un escargot violet développé par les Phéniciens. Les milliers d’années de développement ont mené à des processus compliqués de teinture. En 1856, William H. Perkin a réussi à obtenir une teinture qu’il a nommé Mauvéine. Ceci a été réalisé par l’oxydation d’un mélange de bases d’aniline pour produire une teinture cationique violette. La nuance violette brillante sur la soie a immédiatement attiré l’attention et a stimulé d’autres chimistes pour effectuer des expériences semblables. Des découvertes semblables ont été réalisées, en 1859 Verguin a découvert la fuchsine, tandis que Griess a découvert les composés diazoïques qui ont mené au développement de la grande classe actuelle de teintures synthétiques, à savoir les composés azoïques. La première vraie teinture d’azo, Bismark le Brun, a été développée par Martius en 1863 [2].
Le dictionnaire Larousse définit un colorant comme étant une substance colorée, naturelle ou synthétique, qui mise en contact avec un support, dans des conditions appropriées, se fixe sur ce dernier de façon durable en lui communiquant une certaine couleur [3]. Les matières colorantes se caractérisent par leur capacité à absorber les rayonnements lumineux dans le spectre visible (de 400 à 700 nm). Tous les composés répondant à cette définition se différencient par leur structure chimique, organique ou inorganique, ou par leur origine, naturelle ou synthétique [4]. Les doubles liaisons, qui permettent l’absorption de la lumière dans le domaine du visible ou de l’ultraviolet, sont des groupes chromophores (du grec khrôma : couleur et phero : je porte). La présence de substituants peut modifier la longueur d’onde d’absorption.
Classification des colorants
La classification des colorants la plus utilisée est celle du Colour Index qui répertorie la majorité des colorants mis sur le marché. Elle comprend deux systèmes de classification complémentaires : l’un utilise l’appellation usuelle (ou reference number) basé sur le mode d’utilisation et d’application du colorant, tandis que l’autre utilise la structure chimique (numéros de Colour index).
Classification technologique
La classification technologique permet à l’utilisateur de connaitre le mode d’application du colorant (ou appellation usuelle) et donc ses domaines d’utilisation, ses propriétés (solubilité, affinité pour tel type de fibres ou matériaux, nature de la fixation…). La confidentialité sur la composition chimique peut être préservée. Elle comprend trois éléments :
➤ Le nom générique de la classe d’application ;
➤ La couleur ;
➤ Le numéro d’ordre chronologique d’inscription au Coulor Index .
Le Disperse Blue 106, par exemple, est un colorant de couleur bleue, de la classe Disperse, inséré en 106e position parmi les colorants bleus Disperse .
➤ Colorants dispersés
Ces teintures sont fréquemment insolubles ou peu solubles avec modération dans l’eau, de caractère non-ionique et sont appliquées aux fibres hydrophobes dans une dispersion aqueuse. Elles sont principalement utilisées pour la coloration du polyester, du nylon et de la cellulose, des fibres d’acétate et acryliques, bien que certaines de leurs propriétés de stabilité humide sur ces substrats soient faibles [2].
➤ Colorants anioniques ou acides
Ces colorants peuvent être appliqués au nylon, la laine ou la soie dans la gamme de pH de 3.0 à 7.0. L’affinité teinture-fibre résulte des forces électrostatiques ion-ion, par exemple, dans le nylon entre le groupe amino, qui est protoné dans des conditions acides et la teinture anionique. La solubilité de ces colorants dans l’eau est due à la présence du groupe sulfonates. Ces colorants font partie de la famille des azoïques, une classe chimique qui compte parmi les plus larges [2].
➤ Colorants cationiques ou basiques
Ces teintures sont d’habitude appliquées à l’acrylique, papier et nylon, mais peuvent aussi trouver une utilisation dans des substrats de polyester modifiés. Les colorants basiques sont hydrosolubles et produisent des cations colorés dans la solution ; ces cations sont attirés électro-statiquement aux substrats avec une charge négative. Des teintures cationiques peuvent avoir une charge positive localisée sur un groupe d’ammonium (ces teintures sont caractérisées par une haute force tinctoriale), ou il peut être distribué comme une charge délocalisée sur le cation comme trouvé dans beaucoup de triarylméthane, xanthènes et des teintures d’acridine [2].
➤ Colorants réactifs
Ils établissent une liaison de covalence avec la fibre. Le but de cette technique est de rendre provisoirement soluble certains colorants afin de faciliter leur diffusion dans le textile, puis les insolubiliser au sein du matériau. Les colorations ainsi obtenues présentent une très haute tenue au lavage. Ils sont utilisés pour le coton et les fibres polyamides. Ce sont des colorants azoïques sur lesquels la présence de groupements sulfoniques et carboxyliques confère l’hydrosolubilité nécessaire .
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Table des matières
Introduction générale
Partie I : Synthèse bibliographique
Chapitre I : Les colorants
Introduction générale
Introduction
I.1. Les colorants
I.1.1. Définition
a) Classification technologique
b) Classification chimique
I.1.3. Basic Red
I.2.1. Aspect toxique sur la santé humaine (allergie, mutagénicité /
carcinogénicité)
I.2.2. Aspect toxique sur les cours d’eau (faune et flore)
I.3. Procédés de traitement des rejets colorés
I.3.1. Procédés d’oxydation avancés
a. Principe
b. Description et caractéristiques du radical •OH
c. Réactivités des radicaux hydroxyles
d. Classification des procédés d’oxydation avancés
Conclusion
Chapitre II : Ultrasons et sonochimie
Introduction
II.1. Ondes ultrasonores
II.1.1. Aperçu historique
II.1.2. Définition
II.1.3. Génération de l’onde ultrasonore
II.2. Cavitation acoustique
II.2.1. Seuil de cavitation
II.2.2. Type de cavité
II.2.2.2 Cavité stable
II.2.3. Diffusion rectifiée
II.2.5 Effets physiques et chimiques des ultrasons
II.2.5.1 Effets physiques
II.3. Sonochimie (effet chimique)
II.3.1. Sonolyse de l’eau
II.3.2. Influence des paramètres opératoires
II.3.2.1. Fréquence des ultrasons
II.3.2.2. Intensité des irradiations ultrasonores
II.3.2.3. Température de la solution
II.3.2.4. Paramètres physico-chimiques du milieu liquide
II.3.2.5. Nature du gaz dissous
II.3.3. Sonochimie : application dans le traitement des eaux
Conclusion
Partie II : Dégradation du BR29 par ultrasons
Chapitre I : Caractérisation du sonoréacteur
Introduction
I.1. Matériel et méthodes
I.1.1. Réactifs
I.1.2. Appareillage
I.1.3. Méthodes
I.2. Résultats et discussion
I.2.1. Méthode calorimétrique
I.2.2. Dosimétrie KI
I.2.3. Dosimétrie de Fricke
I.2.4. Quantification du peroxyde d’hydrogène
Conclusion
Chapitre II : Dégradation du Basic Red 29 par ultrasons
Introduction
II.1. Matériel et méthodes
II.1.1. Réactifs
II.1.2. Appareillage
II.1.3. Méthodes
II.2. Résultats et discussion
II.2.1. Effet de la concentration initiale du colorant
II.2.2. Effet de la puissance électrique
II.2.3. Effet du pH
II.2.4. Effet de l’addition du fer
II.2.5. Effet des gaz de saturation
II.2.6. Dégradation du colorant dans différentes matrices naturelles
II.2.7. Effet de l’ajout de TiO2 (Sonocatalyse)
II.2.8. Effet du mélange Fe2+/ TiO2
II.2.9. Comparaison entre l’effet des mélanges Fe2+/ TiO2 et Fe3+/ TiO2
II.2.10. Abattement de la DCO
Conclusion
Conclusion générale
