Soutenance mémoire
Mécanismes de déstabilisation des suspensions colloïdales par la coagulation
Les colloïdes sont chargés négativement. Étant de même signe, deux particules colloïdales se repoussent. Elles sont soumises à deux types de force de directions opposées. Qui sont les suivants :
• Force d‟attraction gravitationnelle de VAN DER VAALS, liée à la surface spécifique et à la masse des colloïdes ainsi qu‟à la nature du milieu.
• Force de répulsion électrostatique FR, liée aux charges superficielles des colloïdes et donc à leur potentiel zêta (pZ).
Si FA > FR, l‟agrégation se produit
Si FR > FA, il y a principalement la répulsion entre les particules colloïdales
L‟énergie totale d‟interaction (E) entre les particules colloïdales est la somme de l‟énergie répulsive ER due au potentiel électrique et l‟énergie attractive EA représenté par la figure 3. E et F sont des grandeurs proportionnelles [5].
Les coagulants et les floculants chimiques
Tout d‟abord la coagulation représente l‟ensemble des mécanismes de déstabilisation d‟une dispersion colloïdale menant à l‟agglomération de ces particules sous forme de micro-flocs qui sont mécanismes de précipitation des substances dissoutes. En effet, plusieurs agents chimiques peuvent être employés dans le procédé de coagulation-floculation [3]
Les coagulants de type sels métalliques
Ce type de coagulants peut être utilisé pour traiter des eaux usées industrielles et domestiques, mais son applicabilité s‟étend aussi à plusieurs autres domaines : réduction adoucissement de l‟eau, enlèvement des métaux lourds dans l‟industrie métallurgique, enlèvement des huiles et des graisses, enlèvement du phosphate des eaux de lavage et de d‟autres type d‟effluent, etc [3]. Ces agents chimiques sont donc d‟excellents outils pour réaliser le polissage et la récupération des matières particulaires [4]. Plusieurs sels métalliques sont utilisés dans le domaine du traitement des eaux usées, voici un aperçu des principaux [8].
Sulfate Ferreux – Fe(SO4), (pH : 1,5 – 2,2)
Il est généralement utilisé avec le Ca(OH)2 pour réduire la dureté de l‟eau [4]. La combinaison des deux coagulants génère du sulfate de calcium et de l‟hydroxyde ferrique. L‟eau usée doit cependant contenir de l‟oxygène dissout afin que la réaction puisse prendre place [9].
FeSO4 + 2 HCO3- ⇆ Fe(OH)2 + SO42-+ 2 CO2 (reaction 1)
La dose nécessaire en clarification d‟eau de surface est 5 à 150 g. m-3 de réactif commercial FeO4, 7 H2O. En traitement d‟eaux résiduaires, il faut 100 à 400 g. m-3 de réactif commercial FeSO4, 7H2O [10]. Dans les eaux aérées, l‟hydroxyde ferreux s‟oxyde en hydroxyde ferrique selon la réaction chimique suivante
2 Fe(OH)2 + ½ O2 + H2O ⇆ 2Fe(OH)3 (reaction 2)
Alun – Al2(SO4)3
Il est utilisé pour réduire la dureté ainsi que la charge en phosphate des eaux usées. En solution, il réagit avec les composés alcalins présents (carbonate, bicarbonate et hydroxyde) ou le phosphate pour former un sel d‟aluminium insoluble [4]. C‟est le produit le plus utilisé. Ce coagulant, une fois introduit dans l’eau, forme des produits d‟hydrolyse qui déterminent l’efficacité de la coagulation. Par exemple, lorsque l’alun est utilisé, plusieurs radicaux hydroxyde alumineux monomères ou polymères sont formés. Ces produits complexes ont une solubilité qui varie avec le pH. Dans le cas de l’alun, les réactions suivantes décrivent la formation de la précipitation [9] :
Al2(SO4)3 14H2O + 3Ca(HCO3)2 ⇆ 2Al(OH)3↓ + 3CaSO4 +6CO2 14H2O (reaction 3)
Al2(SO4)3 14H2O +6NaHCO3⇆ 2Al(OH)3 ↓ + 3Na2SO4 + 6CO2 14H2O (reaction 4)
Al2(SO4)3 14H2O +3Na2CO3 ⇆2Al(OH)3↓ + 3Na2SO4 + 3CO2 14H2O (reaction 5)
Al2(SO4)3 14H2O + 3NaOH⇆ 2Al(OH)3↓ +3Na2SO4+14H2O (reaction 6)
Al2(SO4)3 14H2O + 3Ca(OH)2 ⇆ 2Al(OH)3↓ +3CaSO4 + 14H2O (reaction 7)
L’hydrolyse de l’alun se traduit par la formation d’espèces différentes susceptibles d’intervenir dans la coagulation. C‟est un sulfate d‟alumine hydraté, telque 1 mg d‟Alun consomme 0.51 mg d‟alcalinité et génère 0.26 mg de boues sous forme d‟hydroxyde de fer soit 0,051°f d‟alcalinité [11]. La détermination du dose optimal se fait par la variation de la concentration du volume de réactif versé en fonction de la turbidité déterminé par l‟utilisations de floculateur [8]. Dans la majorité des cas, l‟alun est utilisé comme coagulant à une concentration moyenne de 16 mg Al / l.
Chlorure ferrique – FeCl3 (pH=1.8)
Le chlorure ferrique est obtenu par synthèse de la réaction, en forme du Liquide de gris foncé à marron [5]. L‟utilisation en grande quantité de ce réactif est très importante pour assurer la décantation de l‟eau. Le réactif est souvent accompagné d‟un adjuvant. La dose de la clarification d‟eau de surface est de 5 à 150 g. m-3 de chlorure ferrique commercial solide FeC13, 6 H2O. En traitement d‟eaux résiduaires les doses varient de 50 à 300 g. m-3 de chlorure ferrique commercial solide [10].
Chlorure ferrique → Élimination de l’alcalinité
2FeCl3+ 3Ca(HCO3)2 ⇆ 2Fe(OH)3 (s) ↓+ 3CaCl2+6CO2 (réaction 8)
Le dosage varie de 5 à 50 g/m3 pour l‟eau de consommation. Mais le dosage dépend de la turbidité de l‟eau. Sa concentration en essai est de 10g/l. L‟utilisation de ce réactif est peu efficace mais celui est remplacé par le sulfate d‟alumine.
Les coagulants d’origine naturelle
Selon certaines études, les coagulants à base d‟aluminium, de fer et même les polymères synthétiques présentent un désavantage important. Leur toxicité est probante pour l‟environnement [3]. Cela a donc poussé quelques chercheurs à investiguer la possibilité d‟utiliser des composés d‟origine naturelle pour réaliser le procédé de coagulation-floculation [16]. Historiquement, les coagulants d‟origine végétale et animale sont apparus bien avant les coagulants synthétiques comme les sels chimiques. Des manuscrits anciens en provenance de l‟Inde rapportent que les graines de nirmali, une espèce d‟arbre, étaient utilisées pour clarifier l‟eau de surface, il y a 4000 ans de cela. Cependant, un manque de connaissances scientifiques au niveau de leurs mécanismes de fonctionnement et de leur efficacité a ralenti les recherches réalisées sur ces coagulants [6]. D‟autres études documentent l‟utilisation d‟une gomme faite à base de graines d‟Ipomoeadasy sperma comme agent coagulant dans le traitement des eaux usées de l‟industrie du textile. Ces produits d‟origine naturelle semblent être des alternatives envisageables pour remplacer l‟alun, le chlorure ferrique ou les polymères à base d‟aluminium en raison de leur biodégradabilité, leur coût peu élevé et de leur non toxicité pour l‟homme et l‟environnement. Les paramètres qui affectent le plus le rendement de ce genre de coagulant sont le pH et la dose utilisée [9]. Dans les cas des floculant minéraux, le principal agent floculant d‟origine minérale employé dans le domaine du traitement des eaux est la silice activée. Ce composé offre de bons rendements lorsqu‟il est associé au sulfate d‟aluminium en eau froide. Un inconvénient accompagne l‟utilisation de la silice, elle doit être préparée juste avant son utilisation, vu sa faible stabilité. Pour les polymères d‟origine biologique, comme les alginates de sodium [14] : Ce sont des extraits de l‟acide alginique, un composé provenant d‟algues marines. Ces produits sont particulièrement employés en combinaison avec les sels ferriques, mais peuvent donner de bons résultats avec les sels d‟aluminium [18]. L‟alginate de sodium, est soluble dans l‟eau pour des valeurs de force ionique faibles. Lorsque la salinité du milieu augmente, la solubilisation du polyanion est compromise. L‟addition de sels tels que le chlorure de potassium va progressivement diminuer la solubilité de l‟alginate dans l‟eau jusqu‟à la séparation de phases [19]. Cela implique que la présence de sels dans l‟eau peut avoir une forte influence sur la cinétique de solubilisation des alginates. Ceci est d’autant plus vrai dans le cas des ions di-ou multivalents qui vont non seulement augmenter la force ionique totale du système, mais aussi être capables de provoquer une agrégation à grande échelle des chaînes polymères ; formation d‟un réseau pouvant aboutir à une séparation de phases, voire à la formation d‟un hydrogel [13].
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Table des matières
INTRODUCTION
PARTIE I : REVUE BIBLIOGRAPHIQUE
I. LA COAGULATION-FLOCULATION
I.1 LES SUSPENSIONS COLLOÏDALES
I.2 THEORIE DE LA DOUBLE COUCHE
I.2.1 Théorie de Helmholtz
I.2.2 Théorie de Gouy-Chapman
I.2.3 Théorie de Stern
I.3 MECANISMES DE DESTABILISATION DES SUSPENSIONS COLLOÏDALES PAR LA COAGULATION
I.4 LES ETAPES DE L‟AGREGATION
I.5 LES COAGULANTS ET FLOCULANTS
I.5.1 Les coagulants et les floculants chimiques
I.5.2 Les coagulants de type sels métalliques
I.5.3 Les coagulants de type sels métalliques polymérisés
I.5.4 Les coagulants d’origine naturelle
I.6 LE CHITOSANE
I.7 ETUDE DE LA STATION, CAS DU MANDROSEZA
I.7.1 Source d’alimentation d’eau du Mandroseza
I.7.2 Procédé de traitement utilisé par la Société Jirama
I.7.2.1 Le prétraitement
I.7.2.2 Le traitement proprement dit de la station de Mandroseza
PARTIE II : MATERIELS ET METHODES
II. MATÉRIELS UTILISES
II.1 LES AGENTS FLOCULANTS UTILISEES
II.1.1 Le sulfate d’aluminium
II.1.2 Le chitosane
III. METHODOLOGIES D‟ANALYSES
III.1 DETERMINATION DU TAUX OPTIMUM
III.2 ANALYSE DES ECHANTILLONS AVANT ET APRES LE JAR TEST
III.2.1 Analyse physico-chimique simple
III.2.1.1La turbidité
III.2.1.2La température
III.2.1.3La conductivité
III.2.1.4Le pH
III.2.2 Analyse microbiologie
PARTIE III : RESULTATS ET INTERPRETATIONS
IV. RESULTATS
IV.1 LES RESULTATS DES ANALYSES PHYSICO-CHIMIQUES
IV.1.1 Résultats des analyses de l’eau brute
IV.1.2 Résultats des analyses par l’utilisation du réactif chitosane
IV.1.3 Résultats des analyses par l’utilisation du sulfate d’alumine
IV.1.4 Résultats des analyses par l’utilisation du sulfate d’alumine avec l’adjuvant chaux
IV.1.5 Représentations graphiques des résultats
IV.2 LES RESULTATS DES ANALYSES MICROBIOLOGIQUES
IV.2.1 Les résultats da l’analyse de l’eau brute
IV.2.2 Résultats de l’eau traitée par la réactif chitosane
V. ETUDE COMPARATIVE DE NOS RESULTATS AVEC CEUX DE LA LITTEATURE
VI. RECOMMANDATION
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