Soutenance mémoire
Le gonflement osmotique
Cette seconde étape du gonflement intervient pour des teneurs en eau plus élevées. Lorsque plus de 4 molécules d’eau sont présentes dans l’espace interfoliaire, les feuillets sont séparés par des distances supérieures ou égales à 2,1 nm. La cohésion entre feuillets est diminuée, le solvant pénètre dans l’espace interlamellaire, en entraînant un écartement de ces feuillets. Dans ce domaine de gonflement, les feuillets sont séparés par des distances plus larges qui varient maintenant de manière continue..
L’Adsorption
Généralité
L’adsorption est le processus où des molécules d’une espèce appelée adsorbat (gaz ou liquide) viennent se fixer sur la surface d’un solide, appelé adsorbant. L’adsorption peut être physique ou chimique selon la nature des interactions qui se produisent entre l’adsorbat et la surface de l’adsorbant.
Caractéristiques de l’adsorption
Adsorption physique
L’adsorption physique ou physisorption met en jeu de très faibles interactions entre entités moléculaires comme les forces d’attraction de van der Waals et des forces dues aux interactions électrostatiques de polarisation. Elle est réversible et peu spécifique. L’adsorption physique est rapide et généralement limitée par les phénomènes de diffusion. La force des interactions mises en jeu peut être estimée par l’énergie d’adsorption qui est comprise entre 5 et 40 kJ.mol-1 et considérée comme faible : la désorption peut donc être totale.
Adsorption chimique
L’adsorption chimique ou chimisorption est essentiellement irréversible et lente. Très spécifique, elle s’accompagne d’une forte variation d’énergie d’activation. L’adsorption chimique résulte d’une profonde modification de la répartition des charges électroniques de la molécule adsorbée : les forces de liaison sont du même type que celles qui sont impliquées lors de la formation des liaisons chimiques. L’énergie d’adsorption est supérieure à 80 kJ.mol-1 : la désorption est difficile.
L’adsorption physique peut se faire en monocouche ou multicouches, alors que l’adsorption chimique est uniquement mono-moléculaire car la présence des liaisons de valence entre l’adsorbat et l’adsorbant exclut la possibilité de couches multi-moléculaires. De manière générale, l’adsorption est un phénomène exothermique qui se produit avec un dégagement de chaleur ce qui peut conduire à un échauffement du solide.
Précipitation
C’est le passage d’une espèce de l’état dissout à l’état solide. Les métaux peuvent précipiter dans l’eau des pores ou à la surface des particules solides. Dans un milieu naturel, les métaux précipitent principalement sous forme d’hydroxyde, de carbonates, de phosphates ou de sulfures. Les équilibres de précipitation sont gouvernés par les produits de solubilité (Ks) :
Pour un composé ionique de formule Ax By qui donne les ions An+ et Bm- selon la réaction :
Le solide précipite quand le produit de solubilité est dépassé.
L’adsorbant
Structure poreuse et surface spécifique
En théorie tous les solides sont des adsorbants. Dans l’industrie, les solides les plus utilisés sont les charbons actifs, les zéolithes, les gels de silice et les alumines activées les argiles. Les capacités d’adsorption particulièrement élevées de ces matériaux sont en partie liées à leurs structures poreuses très développées et leurs grandes surfaces spécifiques.
Micropores, mésopores et macropores
La classification des pores proposée par [16] et adoptée actuellement par l’Union Internationale de Chimie Pure et Appliquée (U.I.C.P.A.) est fondée sur leurs tailles. Trois catégories de pores ont été définies :
1. les micropores dont le rayon est inférieur à 2 nm ;
2. les mésopores dont le rayon est compris entre 2 et 50 nm ;
3. les macropores dont le rayon est supérieur à 50 nm.
Chaque type de pores joue un rôle particulier dans le phénomène d’adsorption. Les micropores déterminent pratiquement à eux seuls la capacité d’adsorption d’un solide: ils représentent presque la totalité de la surface et du volume offerts à l’adsorption (Tableau I-3). Les macropores et les mésopores constituent les voies de passage vers les micropores.
La surface spécifique des adsorbants
La surface spécifique ou aire massique (en m2.g-1) est la surface totale par unité de masse d’adsorbant accessible aux molécules. Toute la surface des particules d’adsorbant est considérée, porosité ouverte comprise, pour le calcul de la surface spécifique qui cumule donc la surface intérieure de tous les pores constituant le grain d’adsorbant. La surface spécifique comprend la surface externe et la surface interne d’un adsorbant (Figure I-5).
La surface interne est la surface microporeuse représentée par les parois des micropores. La surface externe est la surface non-microporeuse qui comprend les parois des mésopores et des macropores, ainsi que la surface non poreuse de l’échantillon. Pour les charbons actifs, cette surface varie entre 10 et 200 m2.g-1 environ. D’un point de vue physique, la différence entre la surface interne et la surface externe est que la valeur de l’énergie d’adsorption peut être jusqu’à deux fois plus grande sur les parois des micropores que sur la surface externe. Ce phénomène s’explique par la présence de deux parois opposées proches créant une double interaction pour une molécule adsorbée dans un micropore. Une autre différence essentielle entre l’adsorption dans les micropores et les pores plus grands réside dans les mécanismes même de l’adsorption. L’adsorption graduelle multicouche ne s’opère que dans les mésopores et macropores comme le décrit la méthode B.E.T. [17]. Rappelons que cette méthode permet d’obtenir la surface spécifique, le volume microporeux et le volume mésoporeux d’un solide par adsorption physique d’azote.
L’adsorption : approche quantitative
Isotherme d’adsorption en batch
L’isotherme d’adsorption est la courbe liant, à une température fixée, la quantité de produit adsorbée par masse initiale d’adsorbant à la concentration restant en phase fluide après équilibre d’adsorption. Les intérêts de l’isotherme d’adsorption pour un système adsorbant/adsorbat sont multiples. Outre son rôle indispensable dans le dimensionnement d’un lit fixe, elle permet aussi d’avancer des hypothèses sur le mode d’adsorption. En effet, son allure est représentative de certains phénomènes mis en jeu : adsorption monocouche ou multicouches, interactions latérales entre molécules ou non.
Représentation graphique d’une isotherme d’adsorption
L’isotherme d’adsorption, caractéristique de l’équilibre thermodynamique entre un adsorbant et un adsorbat, s’obtient généralement à partir d’expériences en batch où l’on mesure la concentration stabilisée de l’adsorbat restant en phase fluide après adsorption. La quantité d’adsorbat présent sur l’adsorbant Qe (exprimée en μmol.g-1, μg.g-1 ou mg.g-1 d’adsorbant) en fonction de la quantité d’adsorbat restant en solution Ce (exprimée en (μmol.l-1, μg.l-1 ou mg.l-1) est calculée à l’aide du bilan matière : Un calcul relativement simple permet d’obtenir les quantités de produit fixé. La quantité de produit adsorbée exprimée en mg de soluté par gramme de solide adsorbant est donnée par la relation suivante:
Ces formes d’isotherme se rencontrent aussi en solution aqueuse. En phase gaz, nous associons généralement le type d’isotherme aux propriétés physiques de l’adsorbant. Une isotherme de type I est caractéristique d’un adsorbant dont le volume microporeux est particulièrement élevé. La saturation des sites d’adsorption se fait progressivement dès les faibles concentrations. La forme de l’isotherme est caractérisée par un long plateau indiquant une faible formation de multicouches. Cette forme est à rapprocher du modèle mathématique de Langmuir qui sera abordé plus loin. On considère dans ce cas que les sites d’adsorption sont équivalents.
Les isothermes de type II et III sont observées dans le cas d’adsorbant ayant un volume macroporeux important. L’adsorption se fait d’abord en monocouche puis en multicouche jusqu’à une condensation capillaire. L’isotherme de type III met en évidence une formation de multicouches dès les faibles concentrations. Ce type de comportement traduit l’existence d’interactions intermoléculaires fortes comparées à l’interaction entre les molécules et le solide. Les isothermes de type IV sont associées aux adsorbants plutôt mésoporeux. La présence de deux paliers peut résulter de la formation de deux couches successives d’adsorbat à la surface du solide quand les interactions entre les molécules et la surface sont plus fortes que celles entre molécules. Dans ce cas, les sites d’adsorption de la seconde couche ne commencent à être remplis que lorsque la première couche est pleine.
Les isothermes de type V sont aussi caractéristiques d’échantillons microporeux avec formation de multicouches dès les faibles concentrations. Comme pour l’isotherme de type III, ce comportement est représentatif d’interactions plus fortes entre les molécules qu’entre molécules et adsorbant.
Il est important de préciser que le lien entre la forme de l’isotherme et le mode d’adsorption s’applique dans le cas des gaz, mais cette vision apparait moins adaptée au cas de l’adsorption en solution aqueuse. En effet, les interactions mises en jeu sont beaucoup plus diverses et les caractéristiques physiques de l’adsorbant ne sont plus aussi prépondérantes. La nature des fonctions de surface et celle des molécules jouent dans ces conditions un rôle important.
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Table des matières
Introduction Générale
Chapitre I. Recherche Bibliographique
I. Généralités sur les argiles
I.1 Définitions
I.2 Modification des argiles
I.3 Activation des argiles
I.2. Origine de la bentonite
I.3 Classification des minéraux argileux
I.3.1. Les minéraux de type 1/1 (T-O)
I.3.2 Les minéraux de type 2/1 (T-O-T)
I.3.3 Structure cristalline du feuillet élémentaire
I.4 Description de l’adsorption de surface d’argile
I.4.1 Théorie des échangeurs d’ions
I.4.2 Le gonflement cristallin
I.4.3 Le gonflement osmotique
I.5 L’Adsorption
I.5.1.-Généralité
I.5.2 Caractéristiques de l’adsorption
I.5.2.1 Adsorption physique
I.5.2.2 Adsorption chimique
I.5.2.3 Précipitation
I.6. L’adsorbant
I.6.1. Structure poreuse et surface spécifique
I.6.2. Micropores, mésopores et macropores
I.6.3. La surface spécifique des adsorbants
I.6.4. L’adsorption : approche quantitative
I.6.5. Isotherme d’adsorption en batch
I.6.6. Représentation graphique d’une isotherme d’adsorption
I.7. Types d’Isothermes d’Adsorption
I.8. Modèles mathématiques en corps pur
I.8.1. Isothermes de Langmuir
I.8.2. Isothermes de Freundlich
I.9. Isothermes d’adsorption en mélange
I.10.Cinétique d’adsorption en phase liquide
I.10.1.Modèles basés sur l’énergie des liaisons
I.10.2.Modèle basé sur la composition des milieux
I.11.Les micropolluants (les métaux)
I.11.1 Le plomb
I.11.1.1 Origine
I.11.1.2 Les caractéristiques et propriétés du plomb
I.11.1.3 Caractéristique physico-chimique du plomb
1.11.1.4 Solubilité du plomb et des composés de plomb
1.11.1.5 Spéciation en phase aqueuse
1.11.1.6 Utilisations industrielles
I.11.1.7 Devenir du Pb dans l’environnement
I.11.1.8 Les principaux effets toxiques du plomb pour l’homme
I.11.2 Le cuivre
I.11.2.1. Généralités
I.11.2.2. Origines et cycle du cuivre dans les sols
I.11.2.3. Biodisponibilité, toxicité et législation
I.11.3. Le Zinc
I.11.3.1 Généralités
I.11.3.2 Caractéristique physico-chimique du Zinc
I.11.3.3.Effets du zinc sur la santé
1.11.3.4. Impact sur l’environnement
I.12.Les polluants organiques
I.12.1. Hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP)
I.12.2. PolyChloroBiphényles (PCB)
I.12.3. Solvants Chlorés
I.12.4. Les Pesticides
I.12.5. Dérivés du Benzène
I.13.Phénol
I.13.1 Propriétés physiques et chimiques du phénol
I.13.2 Utilisation du phénol
I.13.3 Toxicité du phénol
I.13.4 Toxicité chez l’homme
I.13.5 Hygiène et sécurité du travail
I.13.5.1. Stockage
I.13.5.2 Manipulation
I.13.6 Phénols et dérivés
I.14. Les Colorants Synthétiques
I.14.1. Généralités
I.14.2. Classification des colorants
I.14.3. Classification chimique
I.14.4.Classification tinctoriale
I.14.4.1.Les colorants acides ou anioniques
I.14.4.2.Les colorants basiques ou cationiques
I.14.4.3.Les colorants réactifs
I.14.4.4.Les colorants directs
I.14.4.5.Les colorants dispersés
I.14.4.6 Adsorption des colorants
I.15. Toxicite des Colorant Synthetique
I.16. Utilisation et application des colorants
Conclusion
Chapitre II. Traitement et Caractérisation de la bentonite
II.1 Traitement de l’argile brute
II.2 Caractérisation physique chimique de l’argile brute et traitée
II.3 Composition chimique
II.4. Méthodes de caractérisation
II.4.1 Diffraction des rayons X (DRX)
II.4.2 Infrarouge à transformée de Fourier (IR)
II.4.3. Analyse thermique différentielle et gravimétrique (ATD-ATG)
II.4.4 Analyse thermique
II.4.5 Microscopie électronique à balayage (MEB)
II.4.6- Caractérisation par Microscopie Electronique en Transmission (MET)
Chapitre III. Analyse et traitement des rejets de la Raffinerie d’ARZEW
III.I Introduction
III.2 Mode de travail et Mode d’échantillonnage
III.3. Interprétations des résultats
Conclusion
Chapitre IV. Etude de l’adsorption du zinc et du plomb II sur l’argile traitée et naturelle
IV.1 Introduction
IV.2 Méthode de dosage
IV.3. Etude de l’influence de quelques paramètres sur l’adsorption
IV.4. Etablissement de l’isotherme d’adsorption
IV.5. Linéarisation des isothermes d’adsorption en mode statique
IV.5.1 Application des modèles des isothermes d’adsorption pour l’argile naturelle et activée
IV.6. Etude thermodynamique de l’adsorption
IV.7. Etude comparative entre le taux d’abattement de la station et le taux d’adsorption Zn+2 et du Pb+2 par l’argile Activée
Conclusion
VI .9.Cuivre
IV.10.Protocole expérimental
IV.11. L’adsorption des ions de cuivre Isothermes d’adsorption
IV.12.Paramètres thermodynamiques
IV.13. Conclusion
IV.14.Etude conductimétrique
IV.15. Conductivité molaire ionique
IV.16. Mesure de la conductivité électrique des métaux par absorption avec argile Activée et Naturelle
IV.17.Interprétation
IV.17.Interprétation des résultats
Conclusion
Adsorption du Phénol Chapitre V
V. Introduction
V.1. Paramètres d’analyses de la pollution des eaux usées de la station d’épuration de Mascara
V.1.1. Normes de rejet
V.1.2 Température
V.1.3 Le pH
V.1.4 La conductivité
V.1.5 Les matières en suspension
V.1.6 La demande chimique ou oxygène (DCO)
V.1.7 La demande biochimique en oxygène (DBO5)
V.1.8 Huiles et graisses
V.1.9 Matières organiques
V.1.10 L’oxygène dissous
V.2. Les méthodes d’analyses utilisées
V.2.1 Détermination de la conductivité
V.2.2 Déterminations du MES
V.2.3 Analyses chimiques
V.2.4 Détermination de DCO
V.2.5 Détermination de l’oxygène dissout
V.2.6 Détermination de DBO5
V.2.7 L’azote ammoniacal (NH4+)
V.2.8 Analyse des polluants organiques par chromatographie
V.2.9 Détermination de la concentration d’une solution de Phénol
V.3. Interprétation des résultats
V.4. Résultats d’Analyse
V.5. Les courbes de rendement d’élimination pour les principaux polluants
V.6. Interprétation des graphes
Conclusion
VI. Adsorption du phénol par l’argile de Maghnia
VI.2. Etude cinétique de l’adsorption sur les deux matériaux
VI.3. Effet de pH sur l’adsorption du phénol
VI.4. Isothermes d’adsorption du phénol
VI.5 Modèles d’adsorption
VI.6 Etude Thermodynamique
Conclusion
Chapitre VI. Adsorption du méthyle Orange et du bleu de méthylène
VII.1. Adsorption du colorant méthyle Orange
VII.2. Protocoles expérimentaux des études d’adsorption
VII.3. Influence de pH
VII.4. Protocole expérimental d’adsorption
VII.5. Isothermes d’adsorption du méthyle orange (MO) et simulations par les modèles de Langmuir, Freundlich.
VII.6 Description des isothermes
VII.7. L’étude thermodynamique de l’adsorption du (OM) par l’argile brute et Activée
VII.8. Adsorption du bleu de méthylène VII.9. Structure de Bleu de Méthylène
VII.10. Les expériences d’adsorption
VII.11. L’influence du pH
VII.12 L’influence de la température
VII.13. L’influence de la concentration initiale en colorant
VII.14. Mécanisme de la cinétique d’adsorption
VII.15. Le modèle du pseudo-premier-ordre
VII.16. Le modèle du pseudo second ordre
VII.17. analyse des résultats
VII.18. Description des isothermes
VII.19.Paramètres thermodynamiques
Conclusion
Conclusion Générale
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