Les rayonnements non-ionisants

La pollution des eaux est un problème mondial. Beaucoup de pays dans le monde n’ont pas de normes pour contenir la pollution dans des limites raisonnables et d’autres n’ont pas les moyens d’exiger l’application des normes de qualité de l’eau. La pollution de l’eau est un problème difficile à gérer dans les pays où la population augmente rapidement et où les gouvernements ont d’autres priorités d’investissement que la protection de l’eau. Dans les pays en développement, environ 90% de toutes les eaux usées, et 75% de tous les déchets industriels sont déchargés dans des eaux superficielles sans avoir subi le moindre traitement.

Les colorants se trouvent dans différents domaines d’application de la vie quotidienne. Ils sont utilisés dans la décoration ou encore pour la protection des matériaux métalliques. Pour cela ils sont produits pour répondre à un certain nombre de critères notamment la résistance aux agressions du milieu extérieur : la résistance à l’abrasion, la stabilité photolytique des couleurs, la résistance à l’oxydation chimique et aux attaques microbiennes. Ces caractéristiques que les colorants doivent posséder accroissent leur persistance dans l’environnement et les rendent peu disposés à la biodégradation. Les colorants synthétiques sont indispensables aux industries textiles. Leur présence dans les effluents constitue un danger potentiel à l’environnement à cause de leurs propriétés physiques (couleur) et chimiques (toxicité) .

Le problème de la pollution des eaux est de plus en plus préoccupant dans la ville d’Antananarivo. Certaines industries textiles rejettent leurs eaux résiduaires à charges polluantes élevées dans les bassins récepteurs comme les rizières ou les cressonnières [2, 3]. Or les industries textiles utilisent en grande quantité des colorants qui constituent leurs principaux polluants. Les colorants azoïques sont les plus utilisés dans ces industries, puisqu’ils représentent 50% de la production mondiale de colorants. [1] Il est estimé que de 10-à 15% des quantités initiales de colorants sont perdues durant les procédures de teinture et sont évacués sans traitement préalable dans les effluents [4]. Or la présence de ce type de colorant dans l’eau potable avec des concentrations supérieures à 3,1µgl-1 entraine des problèmes de santé pour l’homme comme le cancer [5]. En outre, les colorants azoïques ne sont pas biodégradables par les traitements conventionnels. Van der Zee et al (2005) dans leur étude ont montré que le traitement de colorants azoïques par les traitements biologiques entraine la formation d’amines plus toxiques que les colorants eux-mêmes [6]. Les amines aromatiques qui contiennent des groupements sulfoniques dérivés de la dégradation des colorants azoïques solubles dans l’eau sont des amines difficiles à dégrader [7]. Les techniques dites conventionnelles pour traiter les eaux polluées comme les méthodes biologiques, les méthodes physiques et les méthodes chimiques ne conduisent pas à la minéralisation totale des colorants, elles ne font que déplacer la pollution d’une phase à une autre. En conséquence, de nouvelles techniques sont développées au cours de ces deux dernières décennies, ce sont les Procédés d’Oxydation Avancée (POA).

Les rayonnements non-ionisants 

Généralités

Les rayonnements non-ionisants sont des rayonnements électromagnétiques ou corpusculaires dont l’énergie n’est pas assez élevée pour provoquer l’ionisation des atomes du milieu qu’ils traversent. Ils y provoquent seulement l’excitation des atomes. On range notamment dans cette catégorie les rayonnements ultraviolets (UV).

Type de rayonnements non-ionisants 

Dans cette étude, nous avons utilisé des rayonnements UV pour traiter les produits polluants c’est pourquoi nous donnons beaucoup de détails sur ce rayonnement dans les paragraphes qui vont suivre.

Les rayonnements UV sont des ondes électromagnétiques de longueur d’onde comprise entre 100 et 400nm. Ils se trouvent dans le domaine délimité par les rayons X d’une part et les radiations visibles d’autre part. On distingue quatre catégories d’UV [23] :
– Les UV vacuum : ils ont des longueurs d’onde allant de 100 à 200nm.
– Les UV-C : ils ont des longueurs d’onde allant de 200 à 280 nm. Ce sont les ultraviolets les plus agressifs. Ils sont absorbés totalement à haute altitude dans les régions les plus élevées de la couche d’ozone, et cela même si la concentration en ozone dans ces régions est faible.
– Les UV-B : ils ont des longueurs d’onde allant de 280 à 315 nm. Ils représentent 5% des UV solaires qui arrivent à la surface de la Terre. Les UV-B sont partiellement absorbés par l’ozone.
– Les UV-A : ils ont des longueurs d’onde allant de 315 à 400 nm. Ils représentent 95% des UV solaires qui atteignent la surface de la Terre.

Sources des rayonnements non-ionisants

Les sources lumineuses peuvent être classées suivant la méthode de création des états excités dans le matériau lumineux :
– La lampe à arc : un gaz est activé par la décharge électrique entre les deux électrodes de la lampe. Les atomes de gaz sont excités par collision avec les électrons libres.
– La lampe à incandescence : un filament métallique est porté à haute température par un courant électrique. Le gaz dans la lampe est excité par la chaleur fournie par le filament.
– La lampe à tube fluorescent : la décharge électrique dans le gaz fournit l’énergie nécessaire à l’excitation d’un composé fluorescent déposé sur les parois du tube.
– Les lasers sont des sources lumineuses très spéciales. Alors que toutes les sources citées, précédemment, émettent dans toutes les directions une lumière non cohérente, l’effet laser, qui est basé sur le phénomène d’émission stimulée, permet de produire un faisceau de lumière cohérent, filiforme, de très forte intensité et de direction parfaitement définie.

La plupart des lampes utilisées en photochimie sont des lampes à vapeur de mercure qui sont des lampes à arc. Dans ce type de lampe, la décharge électrique entre les électrodes provoque l’excitation des atomes de mercure qui, en retournant dans leur état fondamental émettent des radiations. Les différentes raies émises ont des intensités relatives qui dépendent de la pression de mercure dans la lampe. Il existe alors trois types principaux de lampes à vapeur de mercure à savoir les lampes à basse pression, les lampes à moyenne pression et les lampes à haute pression :

– Les lampes à vapeur de mercure de basse pression : ces lampes émettent essentiellement à 253,7nm avec plus de 80 % de la puissance rayonnée et à 184,9nm. La lumière de 184,9nm peut représenter 10 à 15 % du flux photonique total mais elle est rapidement absorbée par l’oxygène, l’eau ou le matériau transparent (quartz) qui constitue l’enveloppe de la lampe. Ces lampes qui fonctionnent au voisinage de la température ambiante, ne nécessitent pas de refroidissement et leur puissance varie en fonction de la longueur de l’arc.
– Les lampes à vapeur de mercure de moyenne pression : ces lampes émettent de nombreuses raies dans l’ultraviolet, entre 300 et 400nm. A dimensions égales, l’énergie ultraviolette est beaucoup plus grande que les lampes à basse pression. Ces lampes pourront alors être utilisées avec des filtres ou des monochromateurs.
– Les lampes à vapeur de mercure de haute pression : ces lampes présentent un maximum d’émission à 365nm. Ce type de lampe fonctionne, comme les lampes à moyenne pression, dans des conditions de température beaucoup plus élevée que celle de la lampe à basse pression, d’où la nécessité d’utiliser un système de refroidissement approprié. Les atomes de mercure sont excités à de nombreux niveaux d’énergie et le spectre d’émission présente de nombreuses raies de forte intensité dans l’UV et le Visible.

Comparées aux lampes à basse pression, les lampes à moyenne et à haute pression ont une puissance UV beaucoup plus importante mais consomment plus d’énergie d’où un rendement inférieur à 10 % par rapport à celui des lampes à basse pression.

Table des matières

Introduction générale
Chapitre 1 : Généralités sur les rayonnements
1.1. Les rayonnements non-ionisants
1.1.1. Généralités
1.1.1.1. Type des rayonnements non-ionisants
1.1.1.2. Sources des rayonnements non-ionisants
1.1.2. Interaction rayonnement-matière
1.1.2.1. Absorption des photons
1.1.2.1.1. Lois de Beer-Lambert
1.1.2.1.2. Transformation photophysique
1.1.2.1.3. Transformation photochimique
1.1.2.1.4. L’actinométrie
1.2. Les rayonnements ionisants
1.2.1. Généralités
1.2.1.1. Nature des rayonnements ionisants
1.2.1.2. Sources des rayonnements ionisants
1.2.1.2.1. Source du rayonnement γ
1.2.1.2.2. Source d’électrons
1.2.2. Interaction rayonnement-matière
1.2.2.1. Cas des photons gamma
1.2.2.1.1. L’effet photoélectrique
1.2.2.1.2. La création de paires
1.2.2.1.3. L’effet Compton
1.2.2.2. Cas des électrons
1.2.2.2.1. La diffusion inélastique
1.2.2.2.2. La diffusion élastique
1.2.2.2.3. Le rayonnement de freinage Bremsstrahlung
1.2.2.2.4. L’effet Čerencov
1.2.3. Transfert d’Energie Linéique
1.2.4. Structure des dépôts d’énergie
1.2.5. Rendement radiolytique
1.2.6. Notion de dose du rayonnement ionisant
1.2.6.1. Dose absorbée
1.2.6.2. Débit de dose
1.2.7. Parcours des électrons dans la matière
Chapitre 2 : Procédés d’Oxydation Avancée
2.1. Généralités sur les Procédés d’Oxydation Avancée (POA)
2.1.1. Le système UV/peroxyde
2.1.2. Le système UV/persulfate
2.1.3. La radiolyse de l’eau par faisceau d’électrons
2.2. Traitements des colorants azoïques par les POAs
2.2.1. Généralités sur les colorants
2.2.2. Classification des colorants
2.2.2.1. Classification chimique
2.2.2.1.1. Les colorants azoïques
2.2.2.1.2. Les colorants anthraquinoniques
2.2.2.1.3. Les colorants indigoïdes
2.2.2.1.4. Les colorants xanthènes
2.2.2.1.5. Les colorants phtalocyanines
2.2.2.1.6. Les colorants nitrés et nitrosés
2.2.2.1.7. Les colorants triphénylméthanes
2.2.2.2. Classification tinctoriale
2.2.2.2.1. Les colorants acides ou anioniques
2.2.2.2.2. Les colorants basiques ou cationiques
2.2.2.2.3. Les colorants de cuve
2.2.2.2.4. Les colorants directs
2.2.2.2.5. Les colorants à mordants
2.2.2.2.6. Les colorants réactifs
2.2.2.2.7. Les colorants développés ou azoïques insolubles
2.2.2.2.8. Les colorants dispersés
2.2.3. Elimination de colorants azoïques par UV couplé à des oxydants
2.2.3.1. Réactivité de OH° sur le colorant azoïque
2.2.3.2. Réactivité de SO4-° sur le colorant azoïque
2.2.3.3. Influence des paramètres expérimentaux
2.2.3.3.1. Influence de l’intensité de la lampe
2.2.3.3.2. Influence du pH
2.2.3.3.3. Influence des ions présents dans la solution
2.2.3.3.4. Influence de la concentration initiale du colorant
2.2.3.3.5. Influence de la concentration initiale des oxydants
2.2.4. Radiolyse des colorants en solution aqueuse
2.2.4.1. Influence de la dose absorbée
2.2.4.2. Influence d’une forte dose et du débit de dose
2.2.4.3. Influence de l’oxygène dissous
2.2.4.4. Influence de l’ajout d’oxydants
2.2.4.5. Influence des ions présents dans la solution
Chapitre 3 : Matériels et méthodes
3.1. Les colorants utilisés
3.2. Irradiation par rayonnement UV
3.2.1. Réacteur photochimique
3.2.2. Calcul du flux photonique incident
3.3. Irradiation par faisceau d’électrons
3.3.1. Dispositif pour le traitement par faisceau d’électrons
3.3.2. Détermination de la dose appliquée
3.3.3. Dimensions du réacteur et profondeur de pénétration des électrons dans le réacteur
3.4. Techniques d’analyse utilisées
3.4.1. Analyse par spectrophotomètre UV/Visible
3.4.1.1. Principe
3.4.1.2. Instrumentation
3.4.1.3. Source de rayonnement
3.4.1.4. Cellule d’absorption
3.4.1.5. La limite de détection
3.4.2. Analyse par HPLC
3.4.2.1. Instrumentation
3.4.2.2. La limite de détection
3.4.3. Analyse par LC-MS-MS
3.4.3.1. Système d’introduction d’échantillon
3.4.3.2. La source d’ions
3.4.3.2.1. Ionisation par ESI
3.4.3.2.2. Ionisation par APCI
3.4.3.2.3. Choix de la source d’ionisation
3.4.3.3. Analyseur de masse
3.4.3.3.1. Pièges à ions (Ion Trap)
3.4.3.3.2. Résolution du spectromètre de masse
3.4.3.3.3. Spectrométrie Tandem MS-MS
3.5. Simulation numérique de l’élimination de colorant
3.5.1. Simulation numérique de l’élimination de colorant par photolyse
3.5.1.1. Simulation numérique de l’élimination du Rouge Congo par photolyse
3.5.1.2. Simulation numérique de l’élimination du Jaune d’Alizarine par photolyse
3.5.2. Simulation numérique de l’élimination du Rouge Congo par faisceau d’électrons
Conclusion générale

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