Soutenance mémoire
L’adsorption est l’un des procédés de séparation qui trouve son application dans un large domaine ( l’extraction, l’épuration, la dépollution, etc. ). L’adsorption est un phénomène d’interface dû aux interactions entre les particules du fluide et la surface du solide adsorbant. Le charbon actif est l’un des adsorbants les plus utilisés dans ce procédé, il possède des surfaces spécifiques importantes allant de 700 à 2000 m2/g ce qui rend le charbon actif un bon adsorbant. De nombreux travaux [25,26,27,28,29] sur l’adsorption des métaux lourds sur charbon actif ont été réalisés vue la toxicité redoutable de ces métaux. Dans ce cadre nous avons essayé d’étudier le phénomène d’adsorption de certains métaux : Hg2+, Cr6+, Cu2+, Zn2+ et Fe3+ sur du charbon actif en grain « CAG » en premier lieu en mode statique, dans un réacteur discontinu, agité et thermostaté puis en mode dynamique, dans un réacteur continu à lit fixe dans différentes conditions opératoires.
GENERALITES SUR L’ADSORPTION
L’adsorption par un solide peut être définie comme étant le phénomène de fixation des molécules d’une phase fluide sur la surface du solide [1]. Selon la nature des forces qui retiennent la molécule adsorbée à la surface du solide, on distingue deux types d’adsorption, une adsorption physique due à des forces d’attraction physique faible de type Vander Waals, où les molécules restent entièrement sur la surface de l’adsorbant [2]. L’énergie mise en jeu dans ce cas est faible, elle est de l’ordre de 2 à 10 kcal/mole [3]. L’adsorption chimique est due à une liaison chimique forte de type covalente entre atomes superficiels du solide et molécules adsorbées, ce type d’adsorption met en jeu des énergies supérieures à celles de la physisorption, entre 20 et 100 kcal/mole [4]. L’équilibre d’adsorption entre un adsorbant et un adsorbât, dépend de nombreux facteurs dont les principaux sont le pH, la porosité, la température, la pression ou la concentration, la nature de l’adsorbant ( Composition, structure, porosité et état granulométrique ) et de la nature de l’adsorbât [5]. L’examen d’un grand nombre de résultats publiés par divers chercheurs a permis à Brunauer, Eming et Teller (1940) de reconnaître qu’aux températures inférieures à la température critique du gaz, les courbes d’adsorption appelées « isothermes » se divisent en cinq types; ces isothermes indiquent le volume de liquide adsorbé par gramme d’adsorbant en fonction de la concentration à une température constante.
L’ADSORPTION EN MODE STATIQUE
L’efficacité d’un traitement par adsorption peut être dans un premier temps approché par des essais discontinus (batch test). Ces essais se déroulent dans un réacteur parfaitement agité, où le liquide est mis au contact de l’adsorbant. Ces essais permettent, en particulier, de juger l’efficacité de différents adsorbants, de déterminer leur temps d’équilibre et d’estimer les concentrations résiduelles que l’on pourra atteindre en polluant. Le tracé des isothermes d’adsorption est utile pour juger de l’efficacité d’un traitement; les résultats obtenus au cours de tels essais peuvent être généralement interprétés selon des relations empiriques ou des modèles théoriques.
LES MODELES D’EQUILIBRE ISOTHERME D’ADSORPTION EN MODE STATIQUE
D’assez nombreux auteurs ont proposé des modèles théoriques ou empiriques pour décrire la relation entre la masse d’adsorbât fixée à l’équilibre et la concentration sous laquelle elle a lieu. Il s’agit de relations non cinétiques, que l’on nomme «isothermes » [6]. On peut classer les équations d’adsorption en mode statique selon leur ordre chronologique d’apparition et également par ordre de complexité théorique et mathématique comme suit : l’équation de Langmuir, Freundlich et BET (Brunauer, Emett et Teller) [7]. Par la suite d’autres équations ont été développées.
ISOTHERME DE LANGMUIR
L’isotherme de Langmuir constitue un moyen pratique pour étudier l’adsorption sur une surface. Il a considéré que l’adsorption de molécules au contact d’une surface sur laquelle ils peuvent s’adsorber aura les caractéristiques suivantes [9]:
– Il n’y a qu’un composé qui peut s’adsorber;
– Les molécules sont adsorbées sur des sites identiques ;
– Les molécules sont adsorbées seulement en une seule couche;
– L’adsorbant comporte un nombre déterminé et constant de sites d’adsorption;
– Il n’y a pas d’interactions entre les molécules adsorbées.
ISOTHERME DE FREUNDLICH
Freundlich a mené plusieurs études concernant l’adsorption; il a constaté que le mécanisme de ce processus est assez complexe du fait de l’hétérogénéité de la surface ce qui rend la chaleur d’adsorption variable. On ne peut dans ce cas affirmer que tous les sites d’adsorption sont identiques du point de vue énergétique du fait de la présence de différents types de défauts de structure dans l’adsorbant . Même dans le cas où la surface peut être considérée comme homogène, l’énergie d’adsorption peut diminuer lorsque la quantité adsorbée croit par suite des répulsions s’exerçant entre les molécules ou radicaux adsorbés [8]. En se basant sur ces constatations, Freundlich a établi les relations suivantes [9]: La tension superficielle d’un corps dissout à la concentration C peut s’exprimer par la relation :
σ = σ0 – α Ce 1/n .
CINETIQUE D’ADSORPTION
La connaissance de la cinétique d’adsorption dans des opérations fondées sur les phénomènes d’adsorption présente un intérêt pratique considérable pour la mise en œuvre optimale d’un adsorbant ainsi que pour connaître les facteurs qu’il faut optimiser pour fabriquer ou améliorer un adsorbant conduisant à la cinétique la plus rapide possible. Le processus d’adsorption se produit selon une succession d’étapes qui déterminent la vitesse globale du processus [11]:
– Le transfert de masse externe, impliquant le transfert et la diffusion de l’adsorbât au travers du film liquide vers la surface de l’adsorbant;
– Le transfert de masse interne, qui implique la pénétration de l’adsorbât dans le système poreux de l’adsorbant;
– L’adsorption proprement dite.
Si l’adsorbant n’est pas poreux, c’est l’étape du transfert de masse externe qui contrôle la vitesse d’adsorption, cependant, si l’adsorbant est poreux, ce qui est le cas le plus souvent, c’est l’étape de transfert de masse interne qui limite la vitesse d’adsorption .
L’ADSORPTION EN MODE DYNAMIQUE
Les essais dynamiques sont réalisés dans des colonnes d’adsorption à hauteur et section connues. Le lit fixe d’adsorbant d’une certaine hauteur est traversé par un courant d’adsorbat en continu avec un débit connu; au cours du passage le soluté est retenu progressivement par l’adsorbant. Ces essais permettent le tracé des courbes de fuite montrant la saturation du solide adsorbant. Bohart et adams, en 1920, était les premiers chercheurs qui ont exploité ces courbes, mais par la suite beaucoup d’autres scientifiques se sont inspirés de leurs équations en proposant à leur tour d’autres modèles tels que le modèle de Dole et Klotz en 1946, Hutchins en 1973, Clark en 1987, Wolborska en 1989. l’exploitation de ces modèles a permis de faire l’étude cinétique, l’étude des capacités d’adsorption et du déplacement des fronts d’adsorption en fonction des vitesses de passage.
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Table des matières
INTRODUCTION
PARTIE BIBLIOGRAPHIQUE
CHAPITRE I : LES PHENOMENES D’ADSORPTION
I.1. Introduction
I. 2. Généralités sur l’adsorption
I.3. L’adsorption en mode statique
I.4. Les modèles d’équilibre isotherme d’adsorption en mode statique
I.4.1. Isotherme de Langmuir
I.4.2. Isotherme de Frendlich
I.4.3. Isotherme de Temkin
I.4.4. Isotherme BET ( Brunaeur, Emmett, Teller)
I.5. Cinétique d’adsorption
I.6. L’adsorption en mode dynamique
I.7. Modèles d’adsorption en mode dynamique
I.7.1. Modèle de Bohart et Adams
I.7.2. Modèle de Clark 1987
I.7.3. Modèle de Dole et Klotz ( BDST)
I.7.4. Modèle de Wolborska 1989
I.8. Conclusion
CHAPITRE II : ADSORPTION SUR CHARBON ACTIF
II.1. Généralités sur le charbon actif
II.2. Structure du charbon actif
II.3. Utilisation dans le traitement des eaux
II.4. Problèmes de la pollution par les métaux lourds
II.5. Norme de rejet
II.6. Résultats de quelques travaux antérieurs concernant l’adsorption des métaux lourds Sur charbon actif
II.7. Conclusion
PARTIE EXPERIMENTALE
CHAPITRE III : CARACTERISATION PHYSICO-CHIMIQUE DU CHARBON ACTIF
III.1. Caractéristiques générales du charbon actif
III.2. Détermination du pH
III.3. Détermination de la densité apparente
III.4. Dosage des chlorures
III.5. Teneur en métaux
III.6. Teneur en humidité
III.7. Conclusion
CHAPITRE IV : ADSORPTION DES METAUX LOURDS SUR CAG EN MODE STATIQUE
IV.1. Introduction
IV.2. Etude des isothermes d’adsorption
IV.2.1. Introduction
IV 2.2. Etude préliminaire
IV.2.3. Etablissement de l’isotherme d’adsorption
IV.2.4. Etude de l’influence de quelques paramètres sur l’équilibre d’adsorption
IV.2.4.1. Etude de l’influence de la température
IV.2.4.2. Etude de l’influence du pH
IV.2.4.3. Etude de l’influence de la force ionique
IV.2.4.4. Etude de l’influence de la vitesse d’agitation
IV.2.5. Application des modèles d’adsorption en mode statique
IV.3. Etude de la cinétique d’adsorption en mode statique
IV.3.1. Procédure expérimentale
IV.3.2. Détermination des vitesses initiales d’adsorption
IV.3.3. Détermination des vitesses d’adsorption et des constantes de diffusion
IV.3.3.1. Constantes de vitesse d’adsorption
IV.3.3.2. Constantes de vitesse de diffusion
IV.3.3.3. Coefficients de diffusion intragranulaire
IV.4. Conclusion
CHAPITRE V : ADSORPTION DES METAUX LOURDS SUR CAG EN MODE DYNAMIQUE
V.1. Introduction
V.2. Matériels et méthode
V.2.1. Adsorbats et adsorbant
V.2.2. Montage expérimental
V.2.3. Mode opératoire
V.3. Résultats de l’adsorption des métaux sur CAG
V.3.1. Courbes de percée
V.3.1. Résultats et commentaires
V.4. Application des modèles d’adsorption en mode dynamique
V.4.1. Modèle de Bohart et Adams (1920)
V.4.2. Modèle de Dole et Klotz ( BDST)
V.4.3. Modèle de Clark (1987)
V.4.4. Modèle de Wolborska (1989)
V.5. Conclusion
CONCLUSION GENERALE
