Microscopie électronique à balayage (MEB)

Microscopie électronique à balayage (MEB)

Nous vivons dans un monde où la prise de conscience au sujet de l’ environnement devient de plus en plus importante. On peut citer comme exemple de cet engouement pour l’environnement, le protocole de Kyoto qui avait pour but de rendre chaque pays responsable de leur participation à la dégradation de l’environnement (gaz à effet de serre, température de la planète en augmentation). L’eau en particulier est depuis le siècle dernier un enjeu environnemental majeur. En effet, diverses observations ont été identifiées comme les conséquences des activités humaines sur les ressources en eau:
• Fonte des calottes glacières
• Diminution des niveaux des nappes phréatiques
• Diminution de la quantité d’eau douce disponible

Au Canada, l’ eau est à la base des écosystèmes. De plus, elle est indissociable de l’expansion et de la prospérité des secteurs des ressources naturelles tels que l’ énergie, les mines, les forêts et l’ agriculture. Pour un bon fonctionnement de ces secteurs et ainsi une croissance de l’ économie canadienne, l’ accès à des réserves propres et durables en eau est essentiel. La santé des écosystèmes dépend également de ces mêmes réserves d’ eau propre et durable en plus d’ouvrir la porte à des utilisations concurrentes de l’eau. D’ après les prévisions des experts de la Table ronde nationale sur l’environnement et l’économie (TRNEE), les secteurs des ressources naturelles resteront pour les prochaines décennies les plus grands utilisateurs de l’ eau [3]. De plus, ils prévoient une augmentation de la population canadienne de 25 % d’ici 2050 et un accroissement de son économie de 55 % d’ici 2030 [3]. L’ exploitation durable des ressources naturelles du Canada doit donc se faire en tenant compte de chacun de ses utilisateurs pour une pérennité de l’eau. Il est donc impératif d’ établir les conditions permettant d’ assurer la prospérité économique du pays tout en protégeant l’ écosystème aquatique.

On retrouve comme grands utilisateurs des ressources hydriques les centrales thermiques pour la production d’ énergie, le secteur industriel, les municipalités, le secteur agricole et les mines [4]. Ces utilisateurs exercent une pression considérable sur les réservoirs d’ eau que sont les cours d’ eau, les lacs, les étangs, etc. Le partage équitable des ressources en eau est un problème très important principalement en milieu urbain. C’est dans le bassin du Saint-Laurent et des Grands Lacs que l’on retrouve les industries consommant le plus d’ eau. Or, l’ eau à ces endroits est de moindre qualité et les volumes sont faibles dus aux usages importants des industriels, mais aussi des municipalités. On a connu par exemple au Canada une pénurie d’ eau entre 1994 et 1999, où environ 26 % des municipalités ont été privées de leurs ressources hydriques à cause de la sècheresse, à des problèmes d’infrastructure ou à une surconsommation d’eau [4]. En 2004, Environnement Canada a proposé de fixer un prix à l’eau, ainsi que de revoir la répartition de celle-ci [4]. L’approvisionnement en eau deviendra aux cours des prochaines années une part du budget qui risque de devenir de plus en plus importante, d’où l’obligation aujourd’hui pour les industries, et plus particulièrement dans le secteur des pâtes et papiers de réduire leur consommation d’eau .

Règlementation 

Le secteur papetier fut jusqu’à la fin des années 1970, l’un des secteurs les plus polluants, rejetant ses effluents directement à la rivière sans traitement particulier. Ces eaux de sortie d’usine contiennent des matières en suspension (MES), des matières dissoutes créant une demande biologique en oxygène (DBO) et des composés organique halogéné adsorbables (COHA) [9]. Le déversement d’effluents non traités et donc toxiques provoque des effets néfastes pour l’environnement :
• Détérioration de la vie aquatique attribuable à la diminution de la quantité d’oxygène disponible pour les poissons (augmentation de la demande biologique en oxygène)
• Création de marais
• Perturbation de la température terrestre et de l’écosystème
• Etc.
Depuis 1979, l’industrie est soumise au Règlement sur les fabriques de pâtes et papiers (Loi sur les pêches et sur la qualité de l’environnement) sur les rejets de matières en suspension (MES) et de matières organiques biodégradables (DBOs). Ce règlement inclut également un programme d’études de suivi des effets sur l’environnement (ESEE) qui a pour but de confirmer l’impact des effluents sur le milieu récepteur [11]. La DBO5 et la mesure des MES sont des moyens de caractériser efficacement le taux de pollution d’un milieu. La DBOs correspond à la quantité d’oxygène nécessaire pour une oxydation biologique de matières organiques par des bactéries. Plus elle est élevée, plus le milieu est pollué. Suite à l’application de cette règlementation, on a observé une grande diminution de la quantité des rejets. L’ ensemble des rejets comprend:
• Les eaux usées
• Les émissions atmosphériques
• Les odeurs et les bruits
• Les matières résiduelles
Ce règlement a vu ses normes être renforcées en 1992, date correspondant à une nouvelle phase de réduction des déchets. Au Québec, le gouvernement a mis en place, en 1988, le Programme de réduction des rejets industriels (PRRI), programme s’ajoutant à la règlementation déjà mise en place depuis la fin des années 1970 et qui a pour but d’adapter les rejets industriels aux milieux récepteurs aqueux. Ce programme est encadré par la Loi sur la qualité de l ‘environnement  et par le Règlement sur les attestations d’assainissement en milieu industriel. Tous ces efforts pour réduire les déchets et améliorer les traitements et ainsi correspondre aux normes instaurées par le gouvernement n’ont pas été vains.  Depuis 30 ans, nous pouvons constater que la tendance des rejets est à la baisse. Les exigences règlementaires, auxquelles doivent se plier les usines papetières, se sont précisées au début des années 2000, avec la délivrance d’attestation d’assainissement. Depuis 2009, le secteur papetier est régi par le Règlement sur la qualité de l ‘atmosphère et par le Règlement sur les fabriques de pâtes et papiers. Ce dernier a pour but de regrouper toutes les normes environnementales propres à cette industrie. On y retrouve entre autres :
• La gestion des eaux usées
• L’ émission dans l’atmosphère
• La gestion des matières résiduelles de fabrique

Sédimentation/Flottation 

Les technologies de sédimentation font partie des méthodes les plus simples et moins coûteuses, de séparation de substances solides d’un liquide. Ces substances solides présentes dans les effluents des papetières comprennent des particules d’écorces, fibres, etc. Cette méthode permet d’enlever jusqu’à 80 % de suspension solide [18]. La flottation est très utilisée pour le désencrage et le traitement des effluents notamment pour la recirculation de ces eaux. La flottation à air dissous (DAF) permet de traiter entre autres les eaux blanches dans les circuits secondaires. On peut grâce à cette technique traiter de grandes quantités d’ eaux avec une grande variété de solides (de 300 à 5000 mg/L) [19]. En principe, le DAF enlève efficacement 80-98 % des contaminants telles que les solides en suspensions, des fibres, ainsi que des particules d’encres et des extractibles lipophiles [19]. Des produits chimiques comme le polyacrylamide (P AM) anionique [19] peuvent être ajoutés pour faciliter l’agglomération des contaminants et ainsi favoriser leur élimination du milieu. Cette méthode est limitée, car elle est inefficace face aux contaminants dissous (exemple: ions métalliques), d’où une diminution très faible des DCO et DBO.

Oxydation chimique 

L’oxydation chimique des effluents est généralement effectuée en présence d’ozone. Il permet en effet la dégradation de composés récalcitrants afin d’améliorer la biodégradabilité de l’eau et ainsi faciliter le traitement secondaire. Une étude a montré qu’en appliquant une haute concentration d’ozone pendant 15 minutes à un effluent, on pouvait efficacement faire baisser la couleur de 97 % [24]. La couleur est due à la présence de lignine et tannins dans l’effluent. Il a aussi été observé qu’en appliquant 14 mgIL d’ozone pendant 2 h à un effluent, la DCO et la couleur diminuaient respectivement de 32,4 % et 67,4 % [25]. L’ozone réduit donc efficacement la couleur de l’effluent, mais beaucoup moins la DCO. De plus, à haute concentration, l’ozone peut augmenter la toxicité de l’effluent en produisant des sous-produits tels que des cétones, des acides organiques ou des aldéhydes. Le caractère instable de l’ozone, oblige les usines à la produire elles-mêmes.

Procédés membranaires 

L’utilisation de la membrane permet d’extraire de l’eau polluée des contaminants tels que des matières en suspension (MES), des colloïdes ou substances dissoutes présentes dans l’eau. L’efficacité de la membrane est directement liée à la taille des pores, mais également aux conditions d’opérations comme le gradient de pression (llP). L’efficacité est donc influencée par le type de membrane utilisé. La microfiltration (MF) n’a aucun effet sur les substances dissoutes, mais peut enlever efficacement les matières colloïdales et les métaux lourds. Mais cette technique est limitée, car à la longue, la membrane de MF subit une forte chute de débit due au colmatage par les contaminants stoppés surtout lorsque la taille des pores est aux alentours de 0,12 Ilm [12]. L’ultrafiltration (UF) étant moins sensible au colmatage par les colloïdes lui permet donc de travailler à des débits plus élevés. Elle permet également d’enlever les particules allant de 0,01 à 0,2 Ilm [26], laissant ainsi un effluent sans contaminant solide. Ce qui fait d’elle la technologie la plus utilisée dans les industries papetières devant la nanofiltration (NF) et l’osmose inverse (01), qui requièrent quant à elles, des gradients de pression très élevés ce qui empêche le traitement de grands débits d’effluent. Contrairement à l’UF, la NF et 1’01 sont capables d’arrêter des substances comme des polymères organiques ou des sels dissous. La membrane d’OI n’utilise pas de pores pour récupérer les contaminants. Le traitement se fait par diffusion à la surface de la membrane. La NF se range quant à elle entre l’UF et 1′ 01, avec des tailles de pores autour de 1 nm [27]. Elle retient des polymères organiques et des sels bivalents.

Lorsqu’ils sont bien conçus, les procédés membranaires permettent d’enlever efficacement bon nombre de contaminants. Par exemple Rodrigues de Oliveira et al ont utilisé une combinaison de précipitationlUF afin d’enlever les ions magnésium et calcium encore présents dans l’effluent après un traitement à l’UF uniquement [28]. La précipitation s’effectue en amenant le pH de l’effluent à 11 à l’aide d’hydroxyde de sodium à 1 M et cela à 50 oC. Ce procédé se nomme « Ultrafiltration à basse dureté » (UFBD) [28]. Près de 94 % de la dureté a été éliminée grâce à l’UFBD contre 27 % seulement avec  l ‘UF.

Traitement secondaire (ou biologique)

Le traitement biologique complète le traitement primaire. n permet de produire une eau répondant aux exigences environnementales en vigueur. Cependant, à cause des contaminants persistants dans les effluents, un recyclage complet des eaux de sortie n’est pour l’instant pas possible. Les fibres et fines sont quant à elles, enlevées (filtration ou centrifugeuse) avant le traitement afin de les réutiliser dans le procédé [31]. Les procédés biologiques sont très efficaces pour abaisser la quantité de matière organique. De plus, le débit pouvant être supporté par ces procédés est très élevé. Néanmoins, les temps d’adaptation nécessaires à ce traitement sont assez longs, allant de 5 à 18 semaines [32].

Traitement aérobie 

Pendant un traitement aérobie, la matière organIque est dégradée par des microorganismes (bactéries) en présence d’oxygène. La demande biochimique en oxygène est alors convertie en matière insoluble (de 30 à 70 %). Les procédés les plus utilisés dans l’industrie étant l’utilisation de boues activées et le lagunage.

Lors d’un lagunage, les effluents séjournent jusqu’à 30 jours dans de grands étangs de 1 à 1,25 m de profondeur. L’ apport en air est assuré par des aérateurs mécaniques qui par la même occasion agitent en continu les effluents. Un taux d’ oxygène élevé permet d’avoir une activité biologique dynamique et ainsi réduire le temps de rétention. Cette grande quantité d’oxygène permet également d’accroître la profondeur des bassins et de diminuer la surface des étangs. C’est un procédé stable, peu cher et facilement exploitable.

L’activation des boues requiert peu de surface. Un système de boue activé est composé de deux parties :
• Un réacteur contenant la biomasse en suspension
• Un décanteur où les flocs sédimentent
Pour maintenir une quantité de microorganismes suffisante dans le réacteur, une partie de la biomasse dans le décanteur est recyclée. Les temps de rétention dans un réacteur pour le traitement d’ eaux blanches varient entre 8 et 12 h [18]. Le traitement par boues activées est très efficace pour les sucres et matières extractibles [33]. Avec ce type de traitement, on peut réduire jusqu’ à 99,2 % de la DBO et près de 92,4 % de la DCO [18]. Deux paramètres caractérisent l’ efficacité d’un réacteur à boues activées: la quantité d’oxygène dissous et la capacité des flocs à sédimenter. Ces systèmes doivent être surveillés de près pour éviter les changements des conditions de température ou de pH. En effet, l’ eau doit être refroidie avant le traitement, car des températures supérieures ou égales à 50 oC ne sont pas compatibles avec le traitement aérobie. Un chauffage est donc nécessaire à postériori si l’on veut réintroduire ces effluents dans le procédé, ce qui engendrera des coûts énergétiques et financiers.

Traitement anaérobie

Ce traitement comporte trois étapes. En premIer lieu, la matière organIque est décomposée en éléments plus simples (sucres, acides gras): Par la suite, les bactéries acétogènes dégradent ces molécules simplifiées dans l’ étape précédente, en acétate, dioxyde de carbone et en hydrogène gazeux. Enfin, les acétates sont dégradés en dioxydes de carbone et en hydrogène par des bactéries méthanogènes.

Dans l’industrie, on peut retrouver différents types de traitement anaérobie comme les filtres anaérobies, des lits fluidisés ou des systèmes à écoulement ascendant et à lits de boues [34]. L’ avantage principal du traitement anaérobie est qu’il ne nécessite pas d’aération coûteuse, il produit peu de boues à gérer (enfouissement) et ne requiert pas beaucoup d’espace. De plus, dans un traitement anaérobie, les bactéries peuvent supporter des températures élevées. On fait donc des économies d’énergie vu qu’il n’ est plus nécessaire de la refroidir avant et la chauffer de nouveau après le traitement (due à la température élevé lors des procédés papetiers). Un traitement anaérobie peut réduire . la DCO de 80-90 % [34]. Cependant en combinant les traitements aérobie et anaérobie, on obtient une efficacité supérieure à l’utilisation des procédés individuellement.

Conclusion

L’objectif principal de ce projet fut l’étude du pouvoir adsorbant sur le CUIvre de différentes nanofibres produites par électrofilage. La première partie de ce projet était donc la création de ces différentes membranes de nanofibres. Le plan de criblage nous a montré que le poids moléculaire du chitosane est le paramètre le plus important en matière d’électrofilage. Le chitosane à poids moléculaire moyen n’a en effet pas pu être électrofilé causé par l’ extrême viscosité de la solution obtenue. De plus, la concentration en polymère influence également grandement dans ce type de technique, car en jouant avec par exemple la concentration en PV A dans le mélange CS/PV A on a pu obtenir des nanofibres de bien meilleure qualité.

Table des matières

Chapitre l – Introduction 
1.1 Contexte 1.2 Règlementation
1.3 Recirculation des effluents
1.4 Objectifs du projet
Chapitre 2 – Revue de littérature 
2.1 Systèmes de traitements d’effluents conventionnels
2.1.1 Traitement primaire
2.1.2 Traitement secondaire (ou biologique)
2.2 L’ électrofilage (electrospinning)
2.2.1 Principe
2.2.2 Propriétés et applications de nanofibres électrofilées
2.3 Le chitosane
2.3.1 Propriétés et applications du chitosane
2.3.2 Électrofilage du chitosane
2.4 Adsorption
2.4.1 Physisorption
2.4.2 Chimisorption
2.4.3 Isothermes d’adsorption
2.4.4 Modèles de cinétique d’adsorption
2.4.5 Adsorbants
Chapitre 3 – Méthodologie
3.1 Matériaux
3.1.1 Chitosane
3.1.2 Alcool polyvinylique (PV A)
3.1.3 Sulfate de cuivre penta hydraté
3.1.4 Acide polyacrylique
3.1.5 Résine Amberlyte
3.2 Appareils de mesure
3.2.1 Microscopie électronique à balayage (MEB)
3.2.2 Analyseur par adsorption de gaz BET (Brunauer, Emmet et
Teller)
3.2.3 Spectromètre de flamme
3.2.4 Spectromètre d’émission plasma ICP-AES
3.2.5 Spectromètre Infrarouge
3.3 Méthodes expérimentales
3.3.1 Préparation et caractérisation des nanofibres
3.3.2 Test de stabilité des nanofibres
3.3.3 Test d’adsorption
Chapitre 4 – Résultats
4.1 Fabrication des nanofibres
4.2 Stabilité des nanofibres en milieu aqueux
4.3 Tests d’adsorption avec les membranes de nanofibres
4.4 Fabrication de nanofibres de PV AIP AA
4.5 Test d’adsorption d’une membrane de PV AlPAA (MT5.05)
4.6 Recouvrement des nanofibres de PV AlP AA avec du chitosane
4.7 Test d’adsorption de la membrane PV AIP AA recouverte de
chitosane
4.8 Isothermes d’ adsorption
4.8.1 Modèle de Langmuir
4.8.2 Modèle de Freundlich
4.9 Cinétique d’adsorption
4.10 Régénération des membranes de nanofibres
4.11 Capacité d’adsorption des membranes de nanofibres en présence
d’un mélange d’ions métalliques
Chapitre 5 – Conclusions

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